福建某電站2#機轉子磁軛與磁極沖片斷裂原因剖析及處理

李興邦

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

福建某電站是福建穆陽溪梯級電站的第二級電站，與上一級芹山水電站相距19.5 km。機組總體布置采用立軸懸式三導(上、下及水導軸承)結構。發(fā)電機結構型式為全封閉雙路徑自循環(huán)旋轉擋風板無風扇端部回風空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電機。

1 技術參數(shù)

發(fā)電機主要技術參數(shù)如下。

容量：138.889 MVA

額定功率：125 MW

額定功率因數(shù)：0．9(滯后)

旋轉方向：俯視順時針

額定電壓：15．75 kV

額定電流：5 091．3 A

額定頻率：50 Hz

效率：98．44%

額定轉速：428．6 r/min

飛逸轉速：707 r/min

相數(shù)：3

接線方式：2Y

定轉子繞組絕緣等級：F

推力負荷：300 T

冷卻方式：全空冷

飛輪力矩GD2：≥1 800 t·m2

發(fā)電機正常運轉時，轉子磁軛受到扭矩、磁極以及磁軛本身離心力的作用[1]。轉子外徑為φ4 272 mm，轉子支架立筋高2 590 mm，轉子裝配由轉子支架及主軸、轉子磁軛、磁極線圈、磁極鐵心、阻尼繞組等組成，為一根軸結構。轉子裝配圖如圖1所示。

圖1 轉子裝配圖

轉子磁軛由3 mm厚的NKHA780鋼板先沖制后疊壓而成，在工地疊壓成整體。為提高磁軛整體性并使拉緊螺桿受力均勻，保持鍵槽垂直，采用了正反向疊片的方法，用工具螺桿分段壓緊，最后用拉緊螺桿緊固以形成一體。磁軛設置8個40 mm寬的徑向通風溝，并且在沖片接縫處留有通風間隙，它們與轉子支架聯(lián)合，一起作為發(fā)電機閉路通風系統(tǒng)所需要的風道。

磁軛與轉子支架采用徑、切向復合鍵結構連接。徑向凸鍵與轉子支架之間的設計緊量為0.7 mm，凸鍵打緊緊量按保證機組轉速1．15倍額定轉速時過速分離計算，保證了正常運行時傳遞扭矩和過速時轉子支架軸心不變。副鍵在磁軛側切向打緊，磁軛凸鍵與磁軛之間加墊片。

轉子磁軛復合鍵結構如圖2所示。該連接結構在任何工況、轉速下都能夠保證轉子運行時的圓度、同心度和氣隙均勻度，且做到不使轉子重心偏移而產(chǎn)生振動，并有效地傳遞扭矩。轉子裝配質量的優(yōu)劣，關系到機組的穩(wěn)定運行[2]。

圖2 轉子磁軛復合鍵結構

轉子磁極為向心結構，避免了傳統(tǒng)磁極線圈離心力的側向分量對線圈產(chǎn)生的有害變形，不需設置極間撐塊，以利于勵磁繞組通風散熱。磁極極靴采用5段圓弧，使定、轉子間氣隙均勻，優(yōu)化了氣隙磁場波形，提高極靴強度，減少了勵磁安匝數(shù)，提高了勵磁繞組的利用率。

磁極鐵心由2.0 mm厚高強度合金鋼板疊壓而成，兩端壓板為整鍛結構，通過拉桿壓緊。采用可靠的裝壓工藝，可保證片間壓力和整體性。磁極采用兩T尾，每個T尾兩對磁極長鍵與磁軛固定，這種結構可以保證定轉子氣隙的均勻。

磁極的結構設計可滿足在拆卸和更換磁極時不必吊轉子。磁極線圈采用4.75 mm×100 mm銅排焊接而成，采用帶有散熱匝的新結構，使散熱條件得到改善，有效降低線圈溫升。匝間采用F級絕緣。

2 2#機轉子磁軛及磁極沖片斷裂情況介紹

電站檢修時發(fā)現(xiàn)，2#機的磁極極間連接被拉直，表明磁極存在松動，產(chǎn)生了切向位移?，F(xiàn)場拔出磁極進行檢查后發(fā)現(xiàn)有部分磁極鍵點焊處和磁極定位螺栓點焊處存在開裂現(xiàn)象，且?guī)缀趺總€磁極T尾都存在裂紋。磁極T尾裂紋位置示意如圖3，磁極沖片裂紋如圖4所示。

圖3 磁極T尾裂紋位置示意

圖4 磁極沖片裂紋

現(xiàn)場拆磁極后發(fā)現(xiàn)磁極鍵基本上均未打到位，并存在不緊情況。拔出#11磁極T尾的4組磁極鍵后，發(fā)現(xiàn)第1、3組磁極鍵打入深度比基準鍵短約500 mm和437 mm。后續(xù)依次拔出#10、#5、#14磁極后，發(fā)現(xiàn)磁極鍵打入深度均比基準鍵短的現(xiàn)象。

拆出磁極后觀察相對應的磁軛T尾部分發(fā)現(xiàn)有幾十毫米到幾百毫米不等的高度存在裂紋。不同位置的磁極及磁軛裂紋程度不同。磁軛沖片裂紋如圖5所示，磁軛通風沖片裂紋如圖6所示。

圖5 磁軛沖片裂紋

圖6 磁軛通風槽片裂紋

3 分析問題及建議

該發(fā)電機磁軛所用的熱軋薄板材料屬于首次國產(chǎn)化材料，其材料性能可能會受當時制造工藝局限性的影響。為確定材料性能，拆下部分磁軛材料做相關拉伸力學性能試驗。共做三組試驗，試驗結果見表1。

表1 磁軛材料做相關拉伸力學性能

從試驗結果看，三組數(shù)據(jù)中，僅第二組試驗實測的抗拉強度略低，其余均滿足材料標準要求?？紤]到電站已運行15年了。所以，磁軛材料基本上滿足要求。

磁軛磁極離心力是磁極磁軛T尾應力的主要來源。磁極離心力通過磁極鍵作用在T尾上，磁極鍵打鍵深度，T尾與磁極鍵接觸面積大小對T尾應力均有影響。根據(jù)現(xiàn)場拆解后磁軛、磁極的實際情況，對機組運行過程中磁極、磁軛以下兩種可能存在的受力情況進行強度分析。

(4)公曰：“然則後世孰將[把]齊國？”對曰：“服牛死，夫婦哭，非骨肉之親也，為其利之大也。欲知[把]齊國者，則其利之者邪？”(戰(zhàn)國《晏子春秋》)

(1) 設計受力狀態(tài)，即磁極鍵打入長度為設計長度、T尾與磁極鍵接觸面為100%；磁軛副鍵打入長度為設計長度、T尾與磁軛副鍵接觸面為100%。

(2) T尾與磁極鍵、磁軛副鍵總接觸面積過小或局部受力過大時的磁極、磁軛受力狀態(tài)。即磁極鍵打入長度均為設計長度，但T尾與磁極鍵總接觸面積過小或局部受力過大，T尾與磁極鍵接觸面積按總接觸面積的2/3考慮。

福建某電站磁極、磁軛強度分析采用有限元方法。根據(jù)磁極、磁軛的對稱結構及受力特點，磁極、磁軛應力計算可簡化為周期對稱的平面應變問題處理。

經(jīng)計算，磁軛、磁極最大應力均位于T尾圓角處。平均應力、許用應力和最大應力見表2，磁極磁軛的最大應力點疲勞損耗計算結果見表3。

表2 磁軛磁極應力計算結果匯總表 單位：MPa

表3 磁極磁軛最大應力點疲勞損耗計算結果匯總表 單位：%

從轉子結構進行分析，當機組進行甩50%以上負荷時，機組的轉速已超過了徑向緊量的機組轉速(1．15倍額定轉速)，轉子支架和磁軛會發(fā)生分離。機組轉動部分振動，磁軛沿切向方向發(fā)生微量移動，造成磁軛鍵和磁極鍵松動。

從計算結果來看，福建某電站磁軛磁極T尾斷裂是由于磁軛、磁極T尾與磁極鍵總接觸面積過小或局部受力過大導致。在磁極鍵深度不足的磁極上這種情況可能更加嚴重，從現(xiàn)場拆解的情況也可以驗證這一點。現(xiàn)場對發(fā)電機轉動部分進行檢查發(fā)現(xiàn)，磁軛副鍵也有松動現(xiàn)象。

(1) 對磁軛材料進行力學性能試驗，材料力學性能基本滿足標準要求。

(2) 從計算結果看，兩種受力狀態(tài)下，磁軛、磁極T尾危險截面平均應力均小于許用值，滿足靜強度要求。采用經(jīng)典計算公式，磁極和磁軛危險截面計算應力均大于1．5的安全系數(shù)，滿足使用要求。

(3) 正常受力狀態(tài)磁軛、磁極最大應力點疲勞損耗小于1，滿足疲勞強度要求。T尾與磁極鍵總接觸面積過小或局部受力過大時磁軛、磁極最大應力點疲勞損耗均大于1，存在疲勞破壞風險。

根據(jù)IEC 63132-2：2020Guidance for installation procedures and tolerances of hydroelectric machines-Part 2：Vertical generators要求，轉子支架和磁軛間應有緊量。

轉子磁軛和磁極沖片斷裂的根本原因是磁軛疊裝及磁極掛裝質量不好導致。轉子磁軛裝配質量不佳，進而引起的磁軛熱加墊的厚度未能滿足設計緊量要求。致使機組轉速未達到分離轉速時磁軛就與轉子支架分離了。

磁軛疊裝及熱打鍵后，磁軛副鍵切向打鍵未按要求打緊，磁軛副鍵與磁軛鍵槽接觸面未能全部貼緊。磁極鍵研磨不到位，虛接觸面積偏大。磁軛和磁極沖片斷裂事故的教訓極為深刻，相對于40年的機組設計壽命，電站僅運行了15年時間就達到了生命周期末年。

建議：

(1) 機組安裝時根據(jù)DL/T 5230—2009《水輪發(fā)電機轉子現(xiàn)場裝配工藝導則》7．12．7 3中要求磁軛熱打緊鍵后，打緊磁軛副鍵。等磁軛自然冷卻后，再拔出副鍵，檢查、修理其接觸面應達70%以上；在其各工作面涂二硫化鉬潤滑脂后，再用大錘在凸鍵兩側對稱打緊。

(2) 根據(jù)DL/T 507—2014《水輪發(fā)電機組啟動試驗規(guī)程》要求：6．5．5過速試驗停機后應進行如下檢查：a)全面檢查發(fā)電機轉動部分，如轉子磁軛鍵、磁極鍵、阻尼環(huán)及磁極引線、磁軛壓緊螺桿等有無松動或移位。

(3) 機組檢修時，按照DL/T 817—2014《立式水輪發(fā)電機檢修技術規(guī)程》7．2．1中要求轉子在機坑內的檢查，應符合以下要求：磁極鍵和磁軛鍵無松動，點焊無開裂。7．2．2機坑內磁極的拆裝，應符合以下要求：磁極鍵打入后其配合面接觸良好，用手搖晃不動，磁極鍵打入深度不小于磁極鐵心高度的90%。

磁極鍵打入完成后，其上端留出200 mm左右的長度，下端鍵頭應割至與磁極鐵心底面平齊。7．2．3轉子吊出檢修后應達到以下要求：磁極鍵和磁軛鍵無松動，點焊無開裂。C修的轉子檢修項目：轉子機械部分清掃、檢查、消缺(含緊固件、銷釘、焊縫及風扇等部件)。

B修的轉子檢修標準項目：轉子磁軛鍵、磁軛卡鍵檢查、處理；磁極固定件檢查、處理；特殊項目磁軛鍵修復。A修的轉子檢修標準項目：轉子圓度及磁極標高測定、調整；特殊項目磁軛重疊。

4 解決問題

由于發(fā)電機磁極鐵心T尾部位存在不同程度的裂紋，從已經(jīng)拆出的磁極發(fā)現(xiàn)磁極鐵心都有10層以上沖片存在裂紋問題，機組運行存在安全隱患。所以，磁極鐵心必須全部更換，以徹底解決磁極鐵心存在的裂紋問題。

可以保留原機磁極線圈，更換所有極身絕緣和絕緣托板。原機磁極需返廠，拆卸磁極線圈，并檢查磁極線圈狀態(tài)，看是否存在開匝或絕緣損傷情況，檢查磁極線圈引出線是否有裂紋。如果存在問題，需對線圈進行處理后才能使用。

磁極鐵心進行相應優(yōu)化，增加磁極加強鍵，以增加磁極剛度，并優(yōu)化磁極受力較大點，提高材料強度等級。

由于發(fā)電機磁軛下端T尾部位存在不同程度的裂紋，機組運行存在安全隱患，在2#機檢修過程中必須徹底處理進行更換，以確保機組安全可靠運行。轉子裝配時應嚴格按照國標GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》及電力標準的要求對質量進行可靠控制。

5 結論

福建某電站轉子磁軛和磁極沖片發(fā)生斷裂的主要原因是轉子磁軛裝配質量不佳、磁軛副鍵松動、磁極鍵不緊造成的。情況與巴基斯坦某電站4#機甩負荷后振擺不能恢復[3]和廣東某抽蓄電站轉子相位不穩(wěn)[4]類似。轉子裝配的安裝質量直接影響到機組的實際生命周期。

本文通過對福建某電站2#機轉子磁軛和磁極沖片斷裂問題的處理，對原因進行分析，并提出解決方案。轉子的裝配與機組的安全穩(wěn)定運行密切相關。對其它常規(guī)高轉速電站及抽蓄電站轉子裝配的安裝與檢修工作，具有一定的參考和借鑒作用。