水轮发电机转子支架支臂断裂分析

王　慧

(哈尔滨电机厂有限责任公司 ，黑龙江哈尔滨150040)



水轮发电机转子支架支臂断裂分析

王慧

(哈尔滨电机厂有限责任公司 ，黑龙江哈尔滨150040)

摘要对洪江电站水轮发电机转子支架支臂断裂问题进行分析,确定是局部应力集中和单圆盘、斜支臂的原始设计结构不合理造成,给出对支臂应力释放孔和焊缝进行修磨以及在中心体圆盘外缘和支臂之间焊接一圈加强筋板的处理方案。这些方案的实施成功解决了转子支架支臂断裂的问题,目前处理后的机组已经投入发电，运行状况良好，证明改造处理方案有效合理。

关键词贯流式水轮发电机组；转子支架；单圆盘；应力集中

0引言

灯泡贯流式水轮发电机组适用于低水头、大容量水力资源。转子支架受力复杂，是整个机组最为关键的部件之一。洪江电站位于湖南省怀化市洪江区境内的沅水干流上，是沅水梯级开发的第8级电站。洪江水电站工程于1998年3月正式开工，2003年2月25日首台机组发电，年底全部机组投产发电。电站装设6台45MW的灯泡贯流式水轮发电机组。机组投运后，6台发电机转子支架均出现不同程度的支臂弯曲变形现象，其中4#机转子支架、#10支臂和5#机转子支架15#、21#支臂先后发生断裂。事故发生后，我公司非常重视，针对断裂的转子支架进行专项研究，提出了解决和改进方案。

1原因分析

转子支架是连接磁轭和转轴成一体的中间部件，正常运行时转子支架要承受除额定扭矩、磁极和磁轭的重力矩，自身的离心力和不平衡磁拉力之外,还要承受自身重力、轴向交变力等其他综合力的作用。因此贯流机组转子支架是受力复杂的关键部件洪江水轮发电机转子支架由一个中心体圆盘、22块斜支臂和磁轭圈构成(如图1所示)。

图1转子支架纵剖视图

支架为柔性支臂结构。支臂材料为25mm厚的钢板Q345B，屈服点：325MPa，抗拉强度：470～630MPa，轮毂材料为IIxJB/T1270锻钢20SiMn，屈服点：255MPa，抗拉强度：470MPa。转子支架出现问题后，我公司采用有限元方法对原转子支架整体建模进行刚强度校核，如图2所示。

图2转子支架有限元计算模型

计算结果显示，转子支架的最大综合应力不高(为82.89MPa)，安全系数满足要求，疲劳寿命也在允许值范围内。

刚强度计算结果显示应力不高，但筋板产生断裂，可见仅从强度考核转子支架结构并不合理，我们考虑可能是局部应力集中造成。通过转子支架有限元刚强度计算表明，支臂在应力释放孔处的应力值最高。机组运行时会产生较大的非对称交变应力，旋转过程中同一支臂在不同位置时其应力值可相差数倍。由于应力释放孔处存在尖角和焊缝缺陷，并且未进行修磨工艺措施。应力释放孔处即使存在微小缺陷，运行时受到交变应力作用后缺陷会放大几倍甚至几十倍，从而造成局部应力集中产生裂纹，裂纹逐渐扩展导致支臂疲劳断裂，如图3所示。

图3转子支架支臂裂纹

经过和别的贯流式水轮发电机对比分析，我公司制造的江口转子支架采用双圆盘结构，1998年投运至今没有发生过转子支架裂纹现象。后续投运的红花、康扬、长洲、大顶子山等机组采用双圆盘结构，也未发现裂纹问题。原因分析：由于灯泡式机组属于卧式机组，当机组运行时，转子的受力比立式机组复杂，除额定扭矩、离心力和不平衡磁拉力之外,还要承受自身重力、轴向交变力等其他综合力的作用。因此贯流式机组采用单圆盘、斜支臂结构比较薄弱，筋板易发生变形。由于支臂刚度不足，当机组空载或过速时(此时无电磁制动力矩)发电机转动惯量与停机时(此时制动器未投入)水轮机桨叶阻力矩相互产生的扭矩作用使得支臂弯曲变形。对比证明灯泡贯流式水轮发电机组双圆盘结构的转子支架刚度要优于单圆盘结构，能够承受交变载荷影响。

2处理方案

因为该电站已经投入发电，所以处理方案既要能有效地遏制裂纹的发展，防止再次发生支臂断裂事故，还要考虑施工尽量简单，不影响电厂正常的发电量。我们充分了解其他电厂转子支架筋板断裂的具体情况及处理措施, 避免重复其无效方案。从处理效果、施工难易程度及经济效益等方面综合分析后最终提供了第一阶段处理方案和第二阶段处理方案。

2.1第一阶段处理方案

由于该电站正在运行发电，第一阶段的修复要求简单方便，耗时短。我公司提出封堵应力释放孔、用钢板焊接覆盖应力释放孔、对支臂应力释放孔进行修磨等临时措施。针对封堵应力释放孔方案：由于应力释放孔为不规则椭圆形，封堵块焊缝需清根、消除应力和UT探伤，对焊接质量要求非常高。另外，应力释放孔数较多(22块)，焊接工作量较大，并且应力释放孔封堵后有可能带来其他预想不到的后果，因此最终没有采用封堵应力释放孔的方案；用钢板焊接覆盖应力释放孔的方案焊缝为角焊，焊接工作量不大，但是对以后应力释放孔的观察及再处理带来诸多不便。由于修磨应力释放孔施工简单易行，工作量小，并且不会改变转子支架原有结构，因此对比以上方案的优缺点，最终选择了对支臂应力释放孔和焊缝进行修磨作为第一阶段处理方案。该处理方案只需要在机组正常停机检修时即可操作，不影响机组正常发电运行。

2.2第二阶段处理方案

为彻底消除转子支架潜在隐患，确保机组长期安全、稳定运行，决定在5#机组大修时对转子支架进行更换处理。

为保证工期，在机组大修之前制作一个新转子支架备品(如图4所示)，这样保证大修时能及时更换转子支架，不影响工期。新转子支架在中心体圆盘外缘和支臂之间焊接一圈渐变形加强筋板，延伸了中心体圆盘直径，以适应转子本身的柔性结构，同时将支臂应力释放孔上下游侧加宽，增加支臂受力截面积，增强支臂自身刚度。另外严格保证焊接质量，焊后PT检查应无缺陷，对焊缝及应力释放孔进行修磨处理，使其光滑过渡。渐变筋板下料要严格按照设计图纸要求，以保证下料的准确性。

图4改进后的新转子支架

由于支臂加宽可能引起风量降低并影响冷却效果的问题，我们对改进后的结构进行了通风计算。计算结果表明，原结构风量值为27.07m3/s，新结构风量值为26.37m3/s。虽然新结构的转子支架通风面积减少了大约一半，但由于此区域风速不高，总风量变化不大，因此对发电机各发热部件的冷却效果影响很小。

同时，制作了修复其余3台转子支架所需的加强筋板，对更换下来的转子支架中心体圆盘外缘和支臂之间焊接一圈渐变形加强筋板，并将支臂应力释放孔上下游侧打磨光滑，如此对其余我公司制造机组进行滚动维修。

3方案实施效果

洪江电厂利用改造方案对3#-6#机组转子支架进行滚动检修，利用方案中的新转子支架更换断裂的转子支架，运行至今机组未发现支臂断裂问题。本文所述处理方案简单易操作,处理效果好,不影响电站正常运行和发电。这对保证电站正常安全稳定运行有极大的意义。

4结语

转子支架作为贯流发电机的关键部件之一，在电磁交变力、重力等的作用下，承受很强的动载荷，长期运行之后，类似的单圆盘转子支架结构产生裂纹现象较为普遍，使机组的安全运行受到严重威胁，本文提出贯流机组转子支架双圆盘结构优于单圆盘的观点，并通过分析对比得到了验证。因此，可见此方案是切实可行的，并为进行类似灯泡贯流式机组转子支架的设计以及修复提供了借鉴。

参考文献

[1]白延年.水轮发电机设计与计算.北京：机械工业出版社，1982.9.

[2]董振兴，吴洪颖.低支撑刚度转子系统的设计分析.防爆电机，2013.4.

[3]尚培轩.水轮发电机转子支架配刨副立筋的工艺方法.防爆电机.2013.4.

[4]李兴平 .阿海电站水轮发电机转子现场安装工艺研究.上海大中型电机，2012.2.

[5]李新华.三峡右岸水轮机圆盘转子支架工地组焊工艺研究.上海大中型电机，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

作者简介：王慧女1984年生；毕业于华中科技大学，现从事水轮发电机的设计工作.

中图分类号：TM312

文献标识码：B

文章编号：1008-7281(2016)02-0052-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.15