大型水輪發(fā)電機(jī)整體式鏈條鍵可靠性分析

孫國(guó)煜

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

目前大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極與磁軛的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用鴿尾連接，鴿尾槽內(nèi)的磁極鍵采用成鋸齒形結(jié)構(gòu)的配對(duì)鏈條鍵，該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子磁極鍵由高強(qiáng)度薄鋼板交錯(cuò)疊在一起構(gòu)成，用螺栓和螺母分別把緊每一小段后成為一體，由于在機(jī)組運(yùn)行過程中該結(jié)構(gòu)磁極鍵會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，長(zhǎng)期的效果累積會(huì)導(dǎo)致組成磁極鍵的薄鋼板變形并散開，連接的螺栓斷裂，并引發(fā)磁極發(fā)生離心偏移，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子圓度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。糯扎渡電站8號(hào)機(jī)在檢修過程中發(fā)現(xiàn)磁極鍵端部的個(gè)別單片有輕微變形情況。龍灘電站對(duì)7號(hào)機(jī)調(diào)速器改造后進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，在100%甩負(fù)荷試驗(yàn)后檢查發(fā)現(xiàn)磁極鍵已經(jīng)損壞。針對(duì)該分散式結(jié)構(gòu)磁極鍵存在的安全隱患，如圖1所示，本文提出一種新型式的整體式磁極鍵。新結(jié)構(gòu)的磁極鍵可以做到與原磁極鍵結(jié)構(gòu)外形尺寸一致，完全能起到替代的作用。

1 整體式鏈條鍵結(jié)構(gòu)介紹

整體式磁極鏈條鍵采用鍛鋼鍛造而成，如圖2

圖1 分散式鏈條鍵散開照片圖

所示。配對(duì)面斜率較大，采用鋸齒鏈條狀結(jié)構(gòu)，從而能夠保證配對(duì)鍵在豎直打鍵方向有足夠的位移量。鏈條鍵在鴿尾槽內(nèi)徑向最大位移量達(dá)到7 mm，能充分保證磁極打緊。在磁極鍵邊緣處進(jìn)行倒圓角處理，從而避免與配對(duì)鍵接觸時(shí)的磕碰。在磁極鍵的側(cè)平面有平面度及平行度要求，以保證打緊后能與磁極緊密貼合。整體式鏈條鍵外形尺寸可以做到與原分散式磁極鏈條鍵一致，在不改動(dòng)磁極與磁軛原有結(jié)構(gòu)的情況下在鴿尾槽內(nèi)放入磁極鍵，極高的節(jié)省了改造成本。

該結(jié)構(gòu)磁極鍵雖然較分散式鏈條鍵在制造工藝方面增加了難度，但卻大大增加整體可靠性，并可以節(jié)省磁軛徑向空間。

圖2 整體式鏈條鍵結(jié)構(gòu)圖

2 整體式鏈條鍵可靠性分析

2.1 安裝可靠性分析

在連接磁極與磁軛鴿尾槽時(shí)，需要把墊片點(diǎn)焊在磁極上。由于整體式鏈條鍵是鍛件，在熱打鍵過程中大錘敲打不會(huì)發(fā)生打散的情況。在打鍵時(shí)磁極鍵會(huì)受到錘子敲打的力和鍵自身的重力，單鍵每一段接頭處會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，同時(shí)對(duì)鍵初步打入時(shí)在根部也會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，因此打鍵時(shí)彎曲分析分為兩個(gè)截面。

首先考慮單個(gè)鍵的彎曲受力(磁極鍵受力如圖3所示)，打鍵時(shí)大錘的豎直方向的敲擊力與磁極鍵自身重力和為F，把該力分解為垂直于鍵斜面方向的力F1與平行于鍵斜面的力F2。把斜面最低處作為最易彎曲的點(diǎn)來考量。

圖3 磁極單鍵受力圖

鏈條鍵斜面最低點(diǎn)的抗彎截面系數(shù)：W=bh2/6=2.394×10-7mm3；

由于安裝時(shí)每個(gè)人掄大錘敲打的力并不相同，此處取平均值約1 000 N，加上磁極鍵自身重力共計(jì)約1 100 N，分力F1=Fsinθ=140 N，該力到易彎面的彎矩：M1=8.4 N·m；

根據(jù)國(guó)標(biāo)45號(hào)鋼的抗彎許用應(yīng)力取100 MPa；由此計(jì)算該點(diǎn)所受彎曲應(yīng)力：

σ=M1/W=35 MPa<[σ]=100 MPa；安全系數(shù)約為3。由此可見該面在安裝時(shí)理論上不會(huì)出現(xiàn)彎曲的情況。

接下來考慮初步放入時(shí)配對(duì)鍵整體彎曲受力。配對(duì)鍵整體受力如圖4所示，整體受力情況與單鍵受力相同，把易彎面選定在鍵剛打入時(shí)最低處的截面，算力臂時(shí)可以粗略計(jì)算為鏈條鍵的長(zhǎng)度。

圖4 磁極對(duì)鍵受力圖

鏈條鍵斜面最低點(diǎn)的抗彎截面系數(shù)：W=bh2/6=3.541×10-6mm3；

由于此時(shí)為初步打進(jìn)狀態(tài)，實(shí)際敲擊的力一般較小。因?yàn)樵趯?shí)際安裝時(shí)初步打緊都會(huì)試探性的用小一些的力，此處把F取為350 N，把力F分解后F1=45 N，該力到易彎面的彎矩：M2=165 N·m；

根據(jù)國(guó)標(biāo)45號(hào)鋼的抗彎許用應(yīng)力取100 MPa；由此計(jì)算該點(diǎn)所受彎曲應(yīng)力：

σ=M1/W=47 MPa<[σ]=100 MPa；安全系數(shù)約為2。由此可見該面在安裝時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)彎曲的情況。

2.2 運(yùn)行可靠性分析

整體式磁極鏈條鍵由于處在磁軛和磁極之間的鴿尾槽內(nèi)，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行過程中要承受自身的離心力和磁極離心力分解后傳遞的力。

以小灣電站水輪發(fā)電機(jī)為例來計(jì)算，考慮磁極在飛逸轉(zhuǎn)速(290 r/min)下所受離心力F1=4.055×107N。把該力分解為垂直于鏈條鍵方向的力F2=F1sinθ=2.02×107N；

鏈條鍵自身所受離心力F3=1.01×105N，把該力分解為垂直于鏈條鍵方向的力F4=F1sinθ=5×104N，F(xiàn)2與F4二者的和對(duì)鏈條鍵產(chǎn)生一個(gè)擠壓應(yīng)力，對(duì)這個(gè)擠壓應(yīng)力進(jìn)行考核；

根據(jù)國(guó)標(biāo)45號(hào)鋼的屈服極限取360 MPa，由此校核鏈條鍵受壓應(yīng)力：

σ=F/A=162 MPa<[σ]=360 MPa；安全系數(shù)約為2。由此可見在鏈條鍵完全打緊后，在機(jī)組運(yùn)行過程中完全滿足穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

圖5 機(jī)組運(yùn)狀態(tài)鏈條鍵受力圖

3 結(jié)論

基于以上的分析可以看出，整體式鏈條鍵有較好的安裝可靠性與運(yùn)行可靠性，并且安裝方式與原結(jié)構(gòu)安裝方式相同。針對(duì)目前很多巨型機(jī)組仍在采用老式分散式鏈條鍵，本文為老電站改造提供思路，在磁極打緊的同時(shí)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。