水輪發電機上導滑轉子上移問題分析與處理

孫國煜

(哈爾濱電機廠有限責任公司,哈爾濱 150040)

0 引言

大型水輪發電機的上導滑轉子是機組承受徑向力的重要零部件,分為與軸整體加工或整體熱套兩種結構。近年來,多個水電站經長期運行發生了熱套結構的滑轉子松動上移現象(見圖1),導致機組上導擺度變大。

圖1 上導滑轉子上移圖

受限于軸絕緣玻璃鋼結構的強度、絕緣材料耐溫要求以及設備的加熱能力的限制,上導滑轉子的熱套緊量設計綜合考慮因素較多。基于此,公司綜合分析了熱套緊量并開發了新的軸絕緣結構,以滿足機組安全穩定運行需求。

1 結構介紹

整體熱套式滑轉子與頂軸之間一般采用玻璃鋼絕緣(見圖2),絕緣厚度為5 mm,頂軸外圓上設置凸臺進行定位,非驅動端設置有測量軸絕緣裝置。玻璃鋼結構使用的包繞材料為0.1 mm厚無堿玻璃絲布(EW-100A)和0.4 mm×20 mm人字形編織帶(HYET400-20),涂刷膠型號為HEC51110,邊包無堿玻璃絲布邊刷膠,包繞時及時清理掉多余的氣泡和膠,室溫保持24 h后固化。固化后形成的玻璃鋼具備一定的強度。

1.頂軸;2.絕緣測量裝置;3.軸絕緣涂刷膠;4.無堿玻璃絲布EW-100A;5.人字形編織帶HYET400-20。圖2 上導滑轉子與軸絕緣結構細節圖

2 原因分析

從電站現場照片來看,結合與現場日常檢修人員溝通,上導滑轉子上移距離約為50 mm,而此前在日常檢修維護中沒有發現此問題。該機組為半傘式結構,上導滑轉子與頂軸之間設置了軸絕緣(圖2～圖3)。原軸絕緣材料采用無堿玻璃絲布浸膠后包繞而成,軸絕緣厚度為5 mm,上導滑轉子采用熱套方式固定在頂軸上,與頂軸間緊量為雙邊0.35～0.45 mm。經復測上導滑轉子圓度及公差,滿足圖紙要求不存在偏心的情況。經復核計算原有緊量,上導滑轉子與軸之間額定工況下的接觸壓力安全系數為2.03,大于2倍安全裕度能夠滿足運行要求,但數值較低,安全裕度相對較小。機組首臺機投運以來至今已運行15年,期間發生過甩負荷的工況,徑向受到瞬時較大沖擊力。在此情況下,軸絕緣材料受力較大,內部絕緣受到破壞且產生永久壓縮變形,導致上導滑轉子與頂軸間緊量降低,接觸壓力進一步減小甚至為零,最終導致上導滑轉子松動,與頂軸產生軸向竄動。在絕緣材料包繞過程中受限于老的工藝方案,實際包繞會存在不均勻且有氣泡產生的情況,從而影響玻璃鋼整體強度。

圖3 上導滑轉子與軸絕緣結構整體圖

3 計算分析

經有限元及計算分析,綜合考慮機組運行時的溫升及絕緣熱套后的壓縮影響,絕緣彈性模量按340 MPa計算,同時綜合考慮安裝工藝實際,此結構尺寸的滑轉子在熱套時溫度不宜超過300°。一方面溫度過高不宜工人實際操作,無法近距離判斷滑轉子是否落到正確位置,另一方面溫度過高會造成滑轉子與頂軸之間的絕緣燒損,造成絕緣失效從而需重新返工熱套。輸入基本參數(見表1),通過傳統公式的計算結果見表2,通過有限元受力分析驗證的計算結果見圖4、圖5。

表1 計算輸入基本參數

表2 各工況下計算結果

圖4 飛逸工況綜合應力計算結果圖

圖5 飛逸工況滑轉子與絕緣接觸壓力分布圖

比值:

作用在滑轉子上的彎矩:

M=F1·L=1.39×108N·mm

外力所需的配合緊量:

配合面加工的最大不平度,取精車

軸Hz=6×10-3mm

滑轉子Ht=6×10-3mm

考慮溫度引起上導滑轉子直徑膨脹,滑轉子與軸有ΔT=15 K溫差,直徑方向緊量:

ΔD=λ·D1·ΔT=0.181 5 mm

安全系數n根據重要程度取2～3.5,最終緊量范圍:

δ=n[Δ+ΔD+1.2(Hz+Ht)]

=1.123～1.966 mm

根據熱套緊量理論,滑轉子的最大雙邊緊量為:

1．052小于所計算的緊量范圍,滑轉子材料不滿足強度要求。

按屈服極限275 MPa計算,滑轉子最大雙邊緊量范圍為:1．123～1．136 mm。

4 問題處理

4．1 臨時性處理方案

沿用原機組結構,不更換上導滑轉子,僅重新制作軸絕緣并增大緊量,滑轉子在工地重新熱套。采用該方案成本相對較低,工期也相對短,配合增加擋塊等措施,也可保證滑轉子不再發生軸向竄動,但由于軸絕緣較厚,機組長時間運行后,仍然存在軸絕緣壓縮、滑轉子緊量降低甚至松動等風險。

4．2 永久性處理方案

將頂軸運回制造廠修理,重新更換上導滑轉子以及軸絕緣并降低絕緣厚度。更換絕緣材料,保證滑轉子外圓尺寸與原機一致,對上導瓦無影響。上導軸絕緣采用新結構聚酰亞胺薄膜+薄銅片+聚酰亞胺薄膜結構,絕緣總厚度減至4 mm,降低了絕緣層壓縮風險。優化包繞絕緣工藝方法:第一次包絕緣時在室溫不低于10 ℃的環境下邊刷膠邊包繞,先包繞d4段絕緣,使其外圓與d2平齊,然后包繞d2段、d3段和K面絕緣;之后用加熱爐加熱固化,加熱溫度70～80 ℃,時間為8～12 h,示意圖見圖6～圖7。

1.頂軸;2.聚酰亞胺薄膜;3.上導滑轉子;4.薄銅片。圖6 軸絕緣結構示意圖

加大上導滑轉子與頂軸間的緊量,增加上導滑轉子安全裕度。為防止加熱溫度過高無法操作,在加熱過程中對頂軸軸身包繞絕熱材料,快速增大上導滑轉子與頂軸的溫差以便于熱套操作。同時為進一步防止滑轉子發生軸向移動,在頂軸上加工環槽,并設置絕緣擋塊防止滑轉子向上移動。該方案可作為滑轉子松動問題的永久處理方案,但因涉及滑轉子更換以及頂軸返廠,該方案成本相對較高,所需工期相對較長,方案見圖8。

5 結論

基于上述計算分析可以看出,更改絕緣厚度、增加熱套緊量、優化包繞工藝方案即可實現上導滑轉子熱套工藝的可操作性,同時滿足機組運行需求,綜合考慮返回制造廠的加工周期及成本給出了兩種解決方案。電站根據實際情況選取對應措施,可解決水電站上導滑轉子上移問題。解決方案操作便捷,有較大的應用和推廣空間。