托口电站水轮发电机转子支架中心体内筋板开裂问题分析与处理
2017-06-12王书枫王艳武
王书枫，王艳武
(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)
托口电站水轮发电机转子支架中心体内筋板开裂问题分析与处理
王书枫，王艳武
(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)
阐述了托口电站3#、4#水轮发电机转子支架中心体内侧筋板的焊缝根部在运行一段时间后发现裂纹的问题。分别从转子支架在运行工况时所承受的载荷以及转子起吊工况时所承受的载荷情况分析了中心体内侧筋板的焊缝根部出现裂纹的原因，通过有限元模型找出了转子支架的薄弱位置，提出了补强转子支架中心体内侧筋板方案，并提出了今后在转子起吊时的注意事项。
水轮发电机；转子支架；裂纹
0 引言
托口水轮发电机为立轴半伞式双路径向无风扇端部回风空气冷却三相凸极同步发电机，单机容量为200 MW。托口水轮发电机转子为三段轴结构，由磁极、磁轭、转子支架及转轴等组成。转子支架为圆盘式斜筋焊接结构，有17个主立筋，分成1个中心体与6个外环组件，到工地焊接成一体。首台机组2012年投入运行，到2014年，四台机全部投入运行。经过几年的运行，一些问题也暴露了出来。
2015年12月，托口水电厂对发电机转子中心体部位进行了重点检查，在3号、4号发电机转子中心体内侧筋板的焊缝根部检查发现裂纹，发生裂纹的筋板未进行加强处理。3号机筋板为贯穿性裂纹，径向长度约730 mm，如图1所示；4号机筋板同一位置贯穿性裂纹长度约15 mm，如图2所示。
图1 3号机筋板为贯穿性裂纹图
图2 4号机筋板为贯穿性裂纹图
为保证机组的安全稳定运行，我们利用有限元对转子支架进行了充分的计算分析，并提出了加强处理方案。
1 转子支架中心体内筋板裂纹问题分析
托口水轮发电机转子中心体的结构为成熟结构，应用在许多机组上，没有出现过类似问题。但我们也按常规方法从各方面进行分析，主要考虑以下几个方面：
1) 转子支架在额定工况运行时的载荷对转子支架的应力是否满足材料的许用应力；
2) 转子起吊时，转子支架应力是否满足材料的许用应力；
3) 转子支架材料本身存在缺陷。
1.1 转子支架载荷分析
转子支架在运行过程中承受电磁力、重力和离心力作用，这些载荷主要由转子支架支臂承担，传递到中心体筋板的载荷很小，其应力水平较低。额定运行时的转子支架中心体筋板应力大约40 MPa。最大应力出现在支臂下部，最大应力169 MPa，满足强度要求，如图3所示。
图3 转子支架额定工况应力分布图
因此，转子支架在额定运行中，额定载荷不会对筋板产生破坏。
1.2 转子起吊时转子支架受力分析
为保证所有转子支架受力情况均被考虑到，我们研究了是否因为起吊导致筋板焊缝初始破坏。因此对托口转子起吊方式进行模拟分析，建立计算模型，充分考虑转子支架、磁极、磁轭质量，如图4所示。
图4 转子起吊工况转子支架中心体筋板应力分布图
通过对托口转子支架6块筋板模型的起吊工况计算，得到中心体筋板的应力为284 MPa，在材料的屈服极限之下，不会产生初始裂纹。
但也不能排除在起吊过程中，由于施工工期紧的原因，操作人员没有对起吊螺栓预紧的重要性给予重视，导致螺栓预紧力严重不均匀的可能性。从而导致筋板受力不均匀，承受了较高应力，使焊缝内部出现初始裂纹。在运行过程中，随着机组交变载荷作用，裂纹逐渐扩展，最终形成贯穿性裂纹。
1.3 转子支架材料本身存在缺陷
转子支架中心体内筋板材料如果本身存在缺陷，材料的许用应力较低，低于转子支架本身的起吊应力，也会导致问题的发生。由于原材料的检验环节是受到严格控制的，所以这种情况出现的几率比较小，但也不能排除该原因。
2 转子支架中心体内筋板裂纹问题处理
由于该问题的出现可能是由多方面原因导致的一个综合结果，所以，为保证机组的安全稳定运行，我们采用将转子支架补强的方式尽量降低最大应力，如图5所示。补强方案为在原有筋板的内侧，焊接加强钢板，使裂纹位置的应力降低。
图5 转子支架补强后位置示意图
经过有限元分析计算，出现裂纹区域的最大应力明显降低，由补强前的284 MPa降为约223 MPa。
3 结语
补强后的转子支架在经过一段时间运行后没有再次出现裂纹，说明运行过程中产生的力或者材料缺陷导致的裂纹的可能性较小。我们认为出现贯穿性裂纹之前，在出现裂纹的位置实际上已经出现内部初始裂纹，而能够产生初始裂纹的最大可能性就是起吊过程中，螺栓预紧力严重不均匀导致筋板受力不均匀，承受了较高应力。为此，在吊运转子的过程中一定要严格按照相关规范执行，不能存在任何失误。同时，在今后机组的转子设计计算时，也应该适当的增加该位置的理论设计安全系数，以保证不会出现类似的情况发生，保证机组的安全稳定运行。
王书枫，1982年生，女，工程师，长期从事水轮发电机组调速器设计工作。
王艳武，1980年生，男，高级工程师，长期从事水轮发电机的设计工作。
