交流發電機風扇葉片斷裂分析與處理

陸增圩，李云應，梁雄杰

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

1 汽輪發電機組

發電機風扇葉片由高強度鋁合金2A50 鍛成。葉片根部制成螺紋螺桿，配合鋼制螺母將葉片固定在風扇座環的圓孔中，由定位螺栓限制其扭轉角度。風扇座環由高強度合金鍛鋼制成，并熱套在轉軸上。葉片與風扇座環的裝配形式見圖1，發電機風扇葉片零部件明細見表1。發電機汽輪機側（以下簡稱“汽端”）和勵磁機側（以下簡稱“勵端”）各有一圈風扇葉片，單圈共29 片風扇葉片。風扇葉片與安裝在發電機內端蓋上的導風環構成風道流路。導風環材料為鑄鋁。

2 問題

2.1 故障概述

2018 年11 月9 日，3 號機組大修期間發現汽端5 號風葉脫落。葉片掉落在內端蓋與外端蓋之間的下部。葉片根部與葉根螺母嚙合處斷裂，發電機汽端導風環上部12 點鐘方向有長約20 cm 的擊傷脫落部位。抽出發電機轉子，在發電機定子膛內和發電機汽端頂部2 個臥式氫冷器外罩內收集到重約5 g的鋁質碎屑。經過材料分析，碎屑為鍛鋁和鑄鋁，源于發電機葉片和導風環。對發電機定子線圈端部絕緣、定子端部絕緣引水、定子引線、發電機轉子護環等各處目視檢查無異常。發電機定子絕緣電阻、直流電阻、手包絕緣、直流耐壓、水壓試驗合格。轉子絕緣正常，無匝間短路。

表1 發電機風扇葉片零部件對照表

圖1 風扇葉片裝配形式

2.2 無損檢測

對斷裂的汽端5 號葉片和導風環等部件進行目視檢查等無損檢測。

2.2.1 葉片宏觀目視檢查

2.2.2 葉片電鏡掃描

使用掃描電子顯微鏡（SEM）對葉片斷口和端部螺紋進行微觀形貌觀察，使用設備為TESCAN VEGA TS5136XM 掃描電子顯微鏡，檢測標準：JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。電鏡掃描可見整個斷口區域均呈現明顯韌窩特征。判斷斷口性質為韌性斷口，造成材料韌性斷裂的原因是部件承受的載荷超過了其承載極限，即為過載。此外，由于沒有明顯的扭轉切變韌性特征，可以排除螺母和葉片螺紋緊固力矩過大，導致螺紋出現裂紋的可能。

2.2.3 導風環目視檢查

導風環內圓有寬約5 cm 的整圈磨痕，磨損區域涂層脫落，觸摸有輕微凹凸感。在汽側往電側約8 點鐘方位，導風環內側配合面有明顯擠壓和磨損特征。

2.2.4 其他部件檢查

對發電機汽、勵兩端的葉片和風扇座環孔做滲透檢測（PT），檢測結果合格；汽、勵兩端所有葉片含根部做超聲檢測（UT），檢測結果無缺陷顯示。

3 原因分析

根據宏觀目視檢查結果，5 號葉片末端的均勻磨損痕跡與導風環內圈的磨痕可以對應。考慮到斷裂的葉片在高速旋轉中不可能與導風環配合面形成均勻磨痕，因此可以判斷，5 號葉片在機組運行過程中，首先與導風環配合面發生接觸磨損，產生的應力超過了葉片材料強度極限，形成過載，導致葉片在與根部螺母嚙合的螺牙位置發生斷裂。說明葉片斷裂的直接原因是運行期間與導風環發生接觸。根據廠家出具的安裝手冊，在檢修期間，導風環和葉片應按規定留有間隙，以避免運行期間出現動靜碰磨。因此導風環和葉片運行期間的間隙過小，是二者接觸碰磨的原因。結合設備結構和裝配方法，分析導致間隙過小的原因。

3.1 上次檢修調整間隙不合格

查閱上次檢修記錄，4 個點的數據均滿足廠家安裝說明書要求中圖Q5D310F4875（勵端）和Q5D310F4875.01（汽端）間隙要求。

3.2 間隙調整合格，葉片位置和伸長量變化大

在冷態下，發電機轉子位置固定，通過調整導風環的位置改變導風環和葉片間隙。導風環位置調整的方法有兩種：一是改變各瓣導風環之間的墊片厚度；二是通過頂絲，改變導風環的整體位置。導風環安裝在發電機端蓋上，可以視為位置恒定，因此在間隙調整合格的情況下，間隙變化的原因只能是葉片的變化，包括葉片位置和伸長量2 個方面。

3.2.1 葉片位置變化

發電機風扇葉片的位置變化，會影響其與導風環的間隙。由于葉片安裝在發電機轉子上，因此發電機轉子的位置的徑向變化量就是葉片的徑向變化量。

（1）連對輪后轉子位置變化。在導風環和葉片間隙調整完成后，進行汽輪機和發電機對輪連接。由于汽輪機軸系重量遠大于發電機，因此對輪連接后，發電機轉子位置會與汽輪機轉子位置一致。查閱上次大修記錄（表2），其中LP3 表示3 號低壓缸，GE表示發電機。修后發電機轉子高度上升0.13 mm，安裝在發電機轉子上的葉片在高度方向上也隨之上升0.13 mm。

表2 大修記錄

（2）起頂軸油后轉子位置變化。機組運行期間，整個汽輪發電機軸系由于頂軸油的注入而抬升。汽端風扇葉片軸向位置與發電機9 號軸承接近，9 號軸承的抬升高度可以在啟機前的頂軸油壓力分配試驗中測得。查閱上次大修記錄，起頂軸油后，發電機轉子高度上升0.07 mm，安裝在發電機轉子上的葉片在高度方向上也隨之上升0.07 mm。

（3）轉子振幅。查閱汽輪機電液調節控制系統（DEH）中3號機組9 號軸承處上個循環內振動情況，出現最大振幅的時間點為轉子停機期間的二階模態振型階段，此時的最大振幅140.66m，即0.141 mm。根據以上查閱記錄的數據計算，由于轉子位置變化，導致發電機風扇葉片在與導風環配合的圓周方向，變動最大值為0.13+0.07+0.141=0.341 mm，在12 點鐘方向上升。在6 點鐘方向，其變動值為0.141-0.07-0.13=-0.059 mm。

3.2.2 葉片伸長量過大

計算葉片運行期間的伸長量，首先核實5 號葉片本身力學性能是否合格，葉片是否出現松脫，葉片安裝后所受預緊力，運行期間與導風環配合方向上離心力的作用。

（1）葉片力學性能。若發生斷裂的5 號葉片本身的力學性能不合格，在相同的作用力下，會比力學性能合格的葉片發生更大的變形，存在更高的斷裂風險。在5 號葉片根部取樣進行化學成分分析，材料成分滿足標準[1]要求；按標準[2]對5 號葉片取樣進行布氏硬度測試，試驗力為62.5 kgf，試驗力保持時間10 s。測試結果顯示硬度100 HB，在正常范圍內；在送檢葉片中取3 個矩形試樣進行室溫拉伸試驗，結果顯示抗拉強度值滿足標準[3]的要求。

綜上，發生斷裂的5 號葉片材料、強度和拉伸性能均無異常。

（2）葉片松脫。對比葉根螺紋露出螺母的扣數，斷裂的5號葉片與其他葉片一致，均露出1 扣。可以判斷，5 號葉片未發生葉根螺母松動。

（3）離心力作用下伸長。設備運行期間，轉子以3000 r/min 的速度高速轉動，葉片重量0.73 kg，葉片重心旋轉半徑0.544 m，由此計算葉片根部旋轉時承受的離心力F=39 154 N；在離心力作用下，轉子會受力伸長。根據“伸長量法”[4]：F=（lE）/（l1/A0+（l2+l3）/A1），即l=F（l1/A0+（l2+l3）/A1）/E；其中，l 為伸長量，E 為彈性模量，取72103MPa。測得螺紋光桿長度l1=14.36 mm，螺紋全長l2=37.4 mm，螺母厚度l3=28 mm，螺紋光桿最小截面積A0=1134.0518 mm2，螺紋小徑截面積A1=712.503 509 4 mm2，螺紋小徑d1=30.12 mm；計算得出伸長量l0.057 mm。

（4）預緊力作用下伸長。令施加力矩T=550 N·m；T=（kFD）/n，其中n 為螺栓數，n=1，k 為摩擦因數，取0.2，則F=（5T）/D；根據伸長量折算公式計算得伸長量l=F（l1/A0+（l2+l3）/A1）/E0.111 mm。

（5）小結。根據計算結果得出，在葉片與導風環間隙調整完成后，由于位置和離心力的作用，葉片與導風環間隙的變化量最大0.509 mm，方向為12 點鐘方向，6 點鐘方向變動值為0.109 mm。

3.3 間隙標準不可靠

根據廠家安裝說明書要求，導風環和風扇葉片在檢修期間按照4 個測點進行定位（圖2a）。大修期間，廠家根據葉片編號按原葉片尺寸重新加工了汽端整圈葉片（其中5 號葉片按照所有葉片長度均值進行加工）。導風環也一并更換。現場第一次安裝后，實測整圈間隙如圖2b 所示。發現在滿足4 個測點（圖2b 圓圈位置）間隙的情況下，其他位置存在間隙極小的情況，出現間隙為1.1 mm 的情況（圖2b 方框位置25 號葉片）。

3.3.1 理論間隙計算

25 號葉片理論間隙計算結果為2.23 mm，與實測值相差2.23-1.1=1.13 mm。說明25 號葉片比理論長度偏長1.13 mm。

3.3.2 計算25 號葉片在機組運行期間的間隙

以12 點鐘和6 點鐘方向為例。首先計算25 號葉片在12 點鐘和6 點鐘的理論間隙分別為2.72 mm 和1.6 mm。代入葉片偏長值1.13 mm 及12 點鐘變化值0.398 mm 和6 點鐘方向變化值0.258 mm。可得運行期間，12 點鐘方向間隙為2.72-1.13-0.509=1.081 mm，6 點鐘方向間隙為1.6-1.13-0.109=0.361 mm。

3.3.3 葉片長度測量

圖2 導風環和風扇葉片測點位置

根據理論間隙計算，實際葉片長度并不均勻，因此測量葉片長度，發現葉片長度存在最大0.6 mm 的偏差。最長的葉片為25號葉片。

3.3.4 小結

根據25 號葉片在機組運行期間的間隙計算，運行期間6 點鐘方向間隙為0.361 mm。但在計算過程中，尚未考慮原導風環內圓的表面粗糙和不規則情況。因此實際間隙肯定更小。此外，由于葉片長度最大偏差0.6 mm，大于0.361 mm，雖然斷裂的5號葉片長度已無記錄，但5 號葉片長度最大偏差很可能大于0.361 mm。

綜上得出，原有的調整導風環與葉片間隙的4 點調整法，無法確保所有葉片與導風環的間隙滿足要求。

4 處理方法及標準

葉片存在長度差，是出現間隙異常的促成原因。因此需要明確整圈葉片與導風環的最小間隙要求。限于篇幅，以12 點鐘方向最小間隙為例，其他各點計算方法類推。

5 結論

造成發電機風扇葉片斷裂的直接原因是葉片與導風環內圓發生了碰磨；發生碰磨的根本原因是原有的4 點調整法無法確保所有葉片與導風環的間隙滿足要求；促成原因是風扇葉片長度之間存在一定的偏差。在進行葉片安裝時，若測得間隙超差，可以對葉片葉頂進行打磨。