水輪發電機轉子支架支臂斷裂分析

王　慧

(哈爾濱電機廠有限責任公司 ，黑龍江哈爾濱150040)

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水輪發電機轉子支架支臂斷裂分析

王慧

(哈爾濱電機廠有限責任公司 ，黑龍江哈爾濱150040)

摘要對洪江電站水輪發電機轉子支架支臂斷裂問題進行分析,確定是局部應力集中和單圓盤、斜支臂的原始設計結構不合理造成,給出對支臂應力釋放孔和焊縫進行修磨以及在中心體圓盤外緣和支臂之間焊接一圈加強筋板的處理方案。這些方案的實施成功解決了轉子支架支臂斷裂的問題,目前處理后的機組已經投入發電，運行狀況良好，證明改造處理方案有效合理。

關鍵詞貫流式水輪發電機組；轉子支架；單圓盤；應力集中

0引言

燈泡貫流式水輪發電機組適用于低水頭、大容量水力資源。轉子支架受力復雜，是整個機組最為關鍵的部件之一。洪江電站位于湖南省懷化市洪江區境內的沅水干流上，是沅水梯級開發的第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日首臺機組發電，年底全部機組投產發電。電站裝設6臺45MW的燈泡貫流式水輪發電機組。機組投運后，6臺發電機轉子支架均出現不同程度的支臂彎曲變形現象，其中4#機轉子支架、#10支臂和5#機轉子支架15#、21#支臂先后發生斷裂。事故發生后，我公司非常重視，針對斷裂的轉子支架進行專項研究，提出了解決和改進方案。

1原因分析

轉子支架是連接磁軛和轉軸成一體的中間部件，正常運行時轉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。因此貫流機組轉子支架是受力復雜的關鍵部件洪江水輪發電機轉子支架由一個中心體圓盤、22塊斜支臂和磁軛圈構成(如圖1所示)。

圖1轉子支架縱剖視圖

支架為柔性支臂結構。支臂材料為25mm厚的鋼板Q345B，屈服點：325MPa，抗拉強度：470～630MPa，輪轂材料為IIxJB/T1270鍛鋼20SiMn，屈服點：255MPa，抗拉強度：470MPa。轉子支架出現問題后，我公司采用有限元方法對原轉子支架整體建模進行剛強度校核，如圖2所示。

圖2轉子支架有限元計算模型

計算結果顯示，轉子支架的最大綜合應力不高(為82.89MPa)，安全系數滿足要求，疲勞壽命也在允許值范圍內。

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

圖3轉子支架支臂裂紋

經過和別的貫流式水輪發電機對比分析，我公司制造的江口轉子支架采用雙圓盤結構，1998年投運至今沒有發生過轉子支架裂紋現象。后續投運的紅花、康揚、長洲、大頂子山等機組采用雙圓盤結構，也未發現裂紋問題。原因分析：由于燈泡式機組屬于臥式機組，當機組運行時，轉子的受力比立式機組復雜，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。因此貫流式機組采用單圓盤、斜支臂結構比較薄弱，筋板易發生變形。由于支臂剛度不足，當機組空載或過速時(此時無電磁制動力矩)發電機轉動慣量與停機時(此時制動器未投入)水輪機槳葉阻力矩相互產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電機組雙圓盤結構的轉子支架剛度要優于單圓盤結構，能夠承受交變載荷影響。

2處理方案

因為該電站已經投入發電，所以處理方案既要能有效地遏制裂紋的發展，防止再次發生支臂斷裂事故，還要考慮施工盡量簡單，不影響電廠正常的發電量。我們充分了解其他電廠轉子支架筋板斷裂的具體情況及處理措施, 避免重復其無效方案。從處理效果、施工難易程度及經濟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

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

2.2第二階段處理方案

為徹底消除轉子支架潛在隱患，確保機組長期安全、穩定運行，決定在5#機組大修時對轉子支架進行更換處理。

為保證工期，在機組大修之前制作一個新轉子支架備品(如圖4所示)，這樣保證大修時能及時更換轉子支架，不影響工期。新轉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筋板，延伸了中心體圓盤直徑，以適應轉子本身的柔性結構，同時將支臂應力釋放孔上下游側加寬，增加支臂受力截面積，增強支臂自身剛度。另外嚴格保證焊接質量，焊后PT檢查應無缺陷，對焊縫及應力釋放孔進行修磨處理，使其光滑過渡。漸變筋板下料要嚴格按照設計圖紙要求，以保證下料的準確性。

圖4改進后的新轉子支架

由于支臂加寬可能引起風量降低并影響冷卻效果的問題，我們對改進后的結構進行了通風計算。計算結果表明，原結構風量值為27.07m3/s，新結構風量值為26.37m3/s。雖然新結構的轉子支架通風面積減少了大約一半，但由于此區域風速不高，總風量變化不大，因此對發電機各發熱部件的冷卻效果影響很小。

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

3方案實施效果

洪江電廠利用改造方案對3#-6#機組轉子支架進行滾動檢修，利用方案中的新轉子支架更換斷裂的轉子支架，運行至今機組未發現支臂斷裂問題。本文所述處理方案簡單易操作,處理效果好,不影響電站正常運行和發電。這對保證電站正常安全穩定運行有極大的意義。

4結語

轉子支架作為貫流發電機的關鍵部件之一，在電磁交變力、重力等的作用下，承受很強的動載荷，長期運行之后，類似的單圓盤轉子支架結構產生裂紋現象較為普遍，使機組的安全運行受到嚴重威脅，本文提出貫流機組轉子支架雙圓盤結構優于單圓盤的觀點，并通過分析對比得到了驗證。因此，可見此方案是切實可行的，并為進行類似燈泡貫流式機組轉子支架的設計以及修復提供了借鑒。

參考文獻

[1]白延年.水輪發電機設計與計算.北京：機械工業出版社，1982.9.

[2]董振興，吳洪穎.低支撐剛度轉子系統的設計分析.防爆電機，2013.4.

[3]尚培軒.水輪發電機轉子支架配刨副立筋的工藝方法.防爆電機.2013.4.

[4]李興平 .阿海電站水輪發電機轉子現場安裝工藝研究.上海大中型電機，2012.2.

[5]李新華.三峽右岸水輪機圓盤轉子支架工地組焊工藝研究.上海大中型電機，2011.3.

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；畢業于華中科技大學，現從事水輪發電機的設計工作.

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：B

文章編號：1008-7281(2016)02-0052-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.15