大型水轮发电机整体式链条键可靠性分析

孙国煜

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

目前大型水轮发电机转子磁极与磁轭的连接结构设计大多采用鸽尾连接，鸽尾槽内的磁极键采用成锯齿形结构的配对链条键，该结构的转子磁极键由高强度薄钢板交错叠在一起构成，用螺栓和螺母分别把紧每一小段后成为一体，由于在机组运行过程中该结构磁极键会产生松动，长期的效果累积会导致组成磁极键的薄钢板变形并散开，连接的螺栓断裂，并引发磁极发生离心偏移，进而造成转子圆度达不到标准，严重影响水轮发电机组安全稳定运行。糯扎渡电站8号机在检修过程中发现磁极键端部的个别单片有轻微变形情况。龙滩电站对7号机调速器改造后进行甩负荷试验，在100%甩负荷试验后检查发现磁极键已经损坏。针对该分散式结构磁极键存在的安全隐患，如图1所示，本文提出一种新型式的整体式磁极键。新结构的磁极键可以做到与原磁极键结构外形尺寸一致，完全能起到替代的作用。

1 整体式链条键结构介绍

整体式磁极链条键采用锻钢锻造而成，如图2

图1 分散式链条键散开照片图

所示。配对面斜率较大，采用锯齿链条状结构，从而能够保证配对键在竖直打键方向有足够的位移量。链条键在鸽尾槽内径向最大位移量达到7 mm，能充分保证磁极打紧。在磁极键边缘处进行倒圆角处理，从而避免与配对键接触时的磕碰。在磁极键的侧平面有平面度及平行度要求，以保证打紧后能与磁极紧密贴合。整体式链条键外形尺寸可以做到与原分散式磁极链条键一致，在不改动磁极与磁轭原有结构的情况下在鸽尾槽内放入磁极键，极高的节省了改造成本。

该结构磁极键虽然较分散式链条键在制造工艺方面增加了难度，但却大大增加整体可靠性，并可以节省磁轭径向空间。

图2 整体式链条键结构图

2 整体式链条键可靠性分析

2.1 安装可靠性分析

在连接磁极与磁轭鸽尾槽时，需要把垫片点焊在磁极上。由于整体式链条键是锻件，在热打键过程中大锤敲打不会发生打散的情况。在打键时磁极键会受到锤子敲打的力和键自身的重力，单键每一段接头处会产生较大的弯曲应力，同时对键初步打入时在根部也会产生较大的弯曲应力，因此打键时弯曲分析分为两个截面。

首先考虑单个键的弯曲受力(磁极键受力如图3所示)，打键时大锤的竖直方向的敲击力与磁极键自身重力和为F，把该力分解为垂直于键斜面方向的力F1与平行于键斜面的力F2。把斜面最低处作为最易弯曲的点来考量。

图3 磁极单键受力图

链条键斜面最低点的抗弯截面系数：W=bh2/6=2.394×10-7mm3；

由于安装时每个人抡大锤敲打的力并不相同，此处取平均值约1 000 N，加上磁极键自身重力共计约1 100 N，分力F1=Fsinθ=140 N，该力到易弯面的弯矩：M1=8.4 N·m；

根据国标45号钢的抗弯许用应力取100 MPa；由此计算该点所受弯曲应力：

σ=M1/W=35 MPa<[σ]=100 MPa；安全系数约为3。由此可见该面在安装时理论上不会出现弯曲的情况。

接下来考虑初步放入时配对键整体弯曲受力。配对键整体受力如图4所示，整体受力情况与单键受力相同，把易弯面选定在键刚打入时最低处的截面，算力臂时可以粗略计算为链条键的长度。

图4 磁极对键受力图

链条键斜面最低点的抗弯截面系数：W=bh2/6=3.541×10-6mm3；

由于此时为初步打进状态，实际敲击的力一般较小。因为在实际安装时初步打紧都会试探性的用小一些的力，此处把F取为350 N，把力F分解后F1=45 N，该力到易弯面的弯矩：M2=165 N·m；

根据国标45号钢的抗弯许用应力取100 MPa；由此计算该点所受弯曲应力：

σ=M1/W=47 MPa<[σ]=100 MPa；安全系数约为2。由此可见该面在安装时也不会出现弯曲的情况。

2.2 运行可靠性分析

整体式磁极链条键由于处在磁轭和磁极之间的鸽尾槽内，在机组稳定运行过程中要承受自身的离心力和磁极离心力分解后传递的力。

以小湾电站水轮发电机为例来计算，考虑磁极在飞逸转速(290 r/min)下所受离心力F1=4.055×107N。把该力分解为垂直于链条键方向的力F2=F1sinθ=2.02×107N；

链条键自身所受离心力F3=1.01×105N，把该力分解为垂直于链条键方向的力F4=F1sinθ=5×104N，F2与F4二者的和对链条键产生一个挤压应力，对这个挤压应力进行考核；

根据国标45号钢的屈服极限取360 MPa，由此校核链条键受压应力：

σ=F/A=162 MPa<[σ]=360 MPa；安全系数约为2。由此可见在链条键完全打紧后，在机组运行过程中完全满足稳定运行的要求。

图5 机组运状态链条键受力图

3 结论

基于以上的分析可以看出，整体式链条键有较好的安装可靠性与运行可靠性，并且安装方式与原结构安装方式相同。针对目前很多巨型机组仍在采用老式分散式链条键，本文为老电站改造提供思路，在磁极打紧的同时，保证机组安全稳定运行。