王　慧

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 ，黑龍江哈爾濱150040)

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水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架支臂斷裂分析

王慧

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 ，黑龍江哈爾濱150040)

摘要對洪江電站水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架支臂斷裂問題進(jìn)行分析,確定是局部應(yīng)力集中和單圓盤、斜支臂的原始設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理造成,給出對支臂應(yīng)力釋放孔和焊縫進(jìn)行修磨以及在中心體圓盤外緣和支臂之間焊接一圈加強(qiáng)筋板的處理方案。這些方案的實(shí)施成功解決了轉(zhuǎn)子支架支臂斷裂的問題,目前處理后的機(jī)組已經(jīng)投入發(fā)電，運(yùn)行狀況良好，證明改造處理方案有效合理。

關(guān)鍵詞貫流式水輪發(fā)電機(jī)組；轉(zhuǎn)子支架；單圓盤；應(yīng)力集中

0引言

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組適用于低水頭、大容量水力資源。轉(zhuǎn)子支架受力復(fù)雜，是整個機(jī)組最為關(guān)鍵的部件之一。洪江電站位于湖南省懷化市洪江區(qū)境內(nèi)的沅水干流上，是沅水梯級開發(fā)的第8級電站。洪江水電站工程于1998年3月正式開工，2003年2月25日首臺機(jī)組發(fā)電，年底全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。電站裝設(shè)6臺45MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組投運(yùn)后，6臺發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架均出現(xiàn)不同程度的支臂彎曲變形現(xiàn)象，其中4#機(jī)轉(zhuǎn)子支架、#10支臂和5#機(jī)轉(zhuǎn)子支架15#、21#支臂先后發(fā)生斷裂。事故發(fā)生后，我公司非常重視，針對斷裂的轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行專項研究，提出了解決和改進(jìn)方案。

1原因分析

轉(zhuǎn)子支架是連接磁軛和轉(zhuǎn)軸成一體的中間部件，正常運(yùn)行時轉(zhuǎn)子支架要承受除額定扭矩、磁極和磁軛的重力矩，自身的離心力和不平衡磁拉力之外,還要承受自身重力、軸向交變力等其他綜合力的作用。因此貫流機(jī)組轉(zhuǎn)子支架是受力復(fù)雜的關(guān)鍵部件洪江水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架由一個中心體圓盤、22塊斜支臂和磁軛圈構(gòu)成(如圖1所示)。

圖1轉(zhuǎn)子支架縱剖視圖

支架為柔性支臂結(jié)構(gòu)。支臂材料為25mm厚的鋼板Q345B，屈服點(diǎn)：325MPa，抗拉強(qiáng)度：470～630MPa，輪轂材料為IIxJB/T1270鍛鋼20SiMn，屈服點(diǎn)：255MPa，抗拉強(qiáng)度：470MPa。轉(zhuǎn)子支架出現(xiàn)問題后，我公司采用有限元方法對原轉(zhuǎn)子支架整體建模進(jìn)行剛強(qiáng)度校核，如圖2所示。

圖2轉(zhuǎn)子支架有限元計算模型

計算結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子支架的最大綜合應(yīng)力不高(為82.89MPa)，安全系數(shù)滿足要求，疲勞壽命也在允許值范圍內(nèi)。

剛強(qiáng)度計算結(jié)果顯示應(yīng)力不高，但筋板產(chǎn)生斷裂，可見僅從強(qiáng)度考核轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)并不合理，我們考慮可能是局部應(yīng)力集中造成。通過轉(zhuǎn)子支架有限元剛強(qiáng)度計算表明，支臂在應(yīng)力釋放孔處的應(yīng)力值最高。機(jī)組運(yùn)行時會產(chǎn)生較大的非對稱交變應(yīng)力，旋轉(zhuǎn)過程中同一支臂在不同位置時其應(yīng)力值可相差數(shù)倍。由于應(yīng)力釋放孔處存在尖角和焊縫缺陷，并且未進(jìn)行修磨工藝措施。應(yīng)力釋放孔處即使存在微小缺陷，運(yùn)行時受到交變應(yīng)力作用后缺陷會放大幾倍甚至幾十倍，從而造成局部應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致支臂疲勞斷裂，如圖3所示。

圖3轉(zhuǎn)子支架支臂裂紋

經(jīng)過和別的貫流式水輪發(fā)電機(jī)對比分析，我公司制造的江口轉(zhuǎn)子支架采用雙圓盤結(jié)構(gòu)，1998年投運(yùn)至今沒有發(fā)生過轉(zhuǎn)子支架裂紋現(xiàn)象。后續(xù)投運(yùn)的紅花、康揚(yáng)、長洲、大頂子山等機(jī)組采用雙圓盤結(jié)構(gòu)，也未發(fā)現(xiàn)裂紋問題。原因分析：由于燈泡式機(jī)組屬于臥式機(jī)組，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子的受力比立式機(jī)組復(fù)雜，除額定扭矩、離心力和不平衡磁拉力之外,還要承受自身重力、軸向交變力等其他綜合力的作用。因此貫流式機(jī)組采用單圓盤、斜支臂結(jié)構(gòu)比較薄弱，筋板易發(fā)生變形。由于支臂剛度不足，當(dāng)機(jī)組空載或過速時(此時無電磁制動力矩)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量與停機(jī)時(此時制動器未投入)水輪機(jī)槳葉阻力矩相互產(chǎn)生的扭矩作用使得支臂彎曲變形。對比證明燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組雙圓盤結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子支架剛度要優(yōu)于單圓盤結(jié)構(gòu)，能夠承受交變載荷影響。

2處理方案

因為該電站已經(jīng)投入發(fā)電，所以處理方案既要能有效地遏制裂紋的發(fā)展，防止再次發(fā)生支臂斷裂事故，還要考慮施工盡量簡單，不影響電廠正常的發(fā)電量。我們充分了解其他電廠轉(zhuǎn)子支架筋板斷裂的具體情況及處理措施, 避免重復(fù)其無效方案。從處理效果、施工難易程度及經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合分析后最終提供了第一階段處理方案和第二階段處理方案。

2.1第一階段處理方案

由于該電站正在運(yùn)行發(fā)電，第一階段的修復(fù)要求簡單方便，耗時短。我公司提出封堵應(yīng)力釋放孔、用鋼板焊接覆蓋應(yīng)力釋放孔、對支臂應(yīng)力釋放孔進(jìn)行修磨等臨時措施。針對封堵應(yīng)力釋放孔方案：由于應(yīng)力釋放孔為不規(guī)則橢圓形，封堵塊焊縫需清根、消除應(yīng)力和UT探傷，對焊接質(zhì)量要求非常高。另外，應(yīng)力釋放孔數(shù)較多(22塊)，焊接工作量較大，并且應(yīng)力釋放孔封堵后有可能帶來其他預(yù)想不到的后果，因此最終沒有采用封堵應(yīng)力釋放孔的方案；用鋼板焊接覆蓋應(yīng)力釋放孔的方案焊縫為角焊，焊接工作量不大，但是對以后應(yīng)力釋放孔的觀察及再處理帶來諸多不便。由于修磨應(yīng)力釋放孔施工簡單易行，工作量小，并且不會改變轉(zhuǎn)子支架原有結(jié)構(gòu)，因此對比以上方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了對支臂應(yīng)力釋放孔和焊縫進(jìn)行修磨作為第一階段處理方案。該處理方案只需要在機(jī)組正常停機(jī)檢修時即可操作，不影響機(jī)組正常發(fā)電運(yùn)行。

2.2第二階段處理方案

為徹底消除轉(zhuǎn)子支架潛在隱患，確保機(jī)組長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，決定在5#機(jī)組大修時對轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行更換處理。

為保證工期，在機(jī)組大修之前制作一個新轉(zhuǎn)子支架備品(如圖4所示)，這樣保證大修時能及時更換轉(zhuǎn)子支架，不影響工期。新轉(zhuǎn)子支架在中心體圓盤外緣和支臂之間焊接一圈漸變形加強(qiáng)筋板，延伸了中心體圓盤直徑，以適應(yīng)轉(zhuǎn)子本身的柔性結(jié)構(gòu)，同時將支臂應(yīng)力釋放孔上下游側(cè)加寬，增加支臂受力截面積，增強(qiáng)支臂自身剛度。另外嚴(yán)格保證焊接質(zhì)量，焊后PT檢查應(yīng)無缺陷，對焊縫及應(yīng)力釋放孔進(jìn)行修磨處理，使其光滑過渡。漸變筋板下料要嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙要求，以保證下料的準(zhǔn)確性。

圖4改進(jìn)后的新轉(zhuǎn)子支架

由于支臂加寬可能引起風(fēng)量降低并影響冷卻效果的問題，我們對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了通風(fēng)計算。計算結(jié)果表明，原結(jié)構(gòu)風(fēng)量值為27.07m3/s，新結(jié)構(gòu)風(fēng)量值為26.37m3/s。雖然新結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子支架通風(fēng)面積減少了大約一半，但由于此區(qū)域風(fēng)速不高，總風(fēng)量變化不大，因此對發(fā)電機(jī)各發(fā)熱部件的冷卻效果影響很小。

同時，制作了修復(fù)其余3臺轉(zhuǎn)子支架所需的加強(qiáng)筋板，對更換下來的轉(zhuǎn)子支架中心體圓盤外緣和支臂之間焊接一圈漸變形加強(qiáng)筋板，并將支臂應(yīng)力釋放孔上下游側(cè)打磨光滑，如此對其余我公司制造機(jī)組進(jìn)行滾動維修。

3方案實(shí)施效果

洪江電廠利用改造方案對3#-6#機(jī)組轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行滾動檢修，利用方案中的新轉(zhuǎn)子支架更換斷裂的轉(zhuǎn)子支架，運(yùn)行至今機(jī)組未發(fā)現(xiàn)支臂斷裂問題。本文所述處理方案簡單易操作,處理效果好,不影響電站正常運(yùn)行和發(fā)電。這對保證電站正常安全穩(wěn)定運(yùn)行有極大的意義。

4結(jié)語

轉(zhuǎn)子支架作為貫流發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在電磁交變力、重力等的作用下，承受很強(qiáng)的動載荷，長期運(yùn)行之后，類似的單圓盤轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象較為普遍，使機(jī)組的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，本文提出貫流機(jī)組轉(zhuǎn)子支架雙圓盤結(jié)構(gòu)優(yōu)于單圓盤的觀點(diǎn)，并通過分析對比得到了驗證。因此，可見此方案是切實(shí)可行的，并為進(jìn)行類似燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)子支架的設(shè)計以及修復(fù)提供了借鑒。

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Breaking Analysis on Rotor Spider Arm of Hydrogenerator

WangHui

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

AbstractThis paper analyzes the breaking problem of rotor spider arm of hydrogenerator in Hongjiang power station, draws a conclusions that the problem is caused by local stress concentration and unreasonable original structure design of single disk and skew supporting arm, and gives treatment programs of regrinding weld joint and stress release hole of supporting arm and welding a circle of reinforcement plates both on outer edge of centerbody disk and between support arms. The implementation of these solutions has successfully solved the breaking problem of rotor spider arm. The treated hydroelectric generating set has already generated electricity and runs well. It has proved effectivity and reasonability of the reconstruction treatment program. Key wordsTubular hydroelectric generating set；rotor spider；single disk；stress concentration

收稿日期：2015-12-01

作者簡介：王慧女1984年生；畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計工作.

中圖分類號：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-7281(2016)02-0052-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.15