600MW汽轮发电机转子受损后的处理及强度校核

文/河南华润电力首阳山有限公司工程师 陈春顺 关红只

600MW汽轮发电机转子受损后的处理及强度校核

文/河南华润电力首阳山有限公司工程师 陈春顺 关红只

一、引言

某发电有限责任公司#1发电机系东方电机股份有限公司引进日本日立公司技术合作生产的QFSN——600——2-22三相同步汽轮发电机，其冷却方式为水-氢-氢，采用机端自并励静止励磁，转子重量68t，转子长6909 m m，工件最大直径为1124mm，于2006年投产。2009年9月发现发电机转子距离对轮140mm处严重磨损，利用机组C级检修机对该轴颈进行了精车与精磨,获得了良好的效果。

二、电机转子受损情况及经过

2009年4月27日上午10:03，该公司#1机组负荷514MW，7Y轴振由57μm迅速爬升，10:13上升至130μm，之后将负荷降低至444MW；11:29降至61μm，12:09再次爬升至185μm，12:34又降至73μm，然后再次攀升；启动顶轴油泵，13:06爬升至193μm，再次降负荷至400MW；13:36降至80μm，13:53上升至163μm，14:11降低至46μm，然后小幅波动；16:40基本趋稳至72μm，18:06振动趋稳至75μm，再无大的波动。期间轴振3Y、4Y、5X、5Y、6X、6Y、7X、8X、8Y也随着波动，平时振幅相对较小的#6瓦、#7瓦瓦振也明显增大。在7Y轴振较大时，盘车箱处有较大异常噪音，拆除盘车箱轴承盖观察孔，发现低发对轮罩壳有较大幅度的振动，振动稳定后罩壳较稳(参看图1)。

2010年9月25日小修时，经解体#6瓦轴承盖，发现汽轮机低压转子和发电机转子连接对轮罩壳左侧水平位置固定的螺栓断裂，前侧底部支撑螺栓弯曲，后侧底部支撑螺栓断裂，汽轮机低压转子和发电机转子连接对轮罩壳上部两端基本与顶部转子接触。解体对轮罩壳后，发现发电机转子距离对轮140mm处严重磨损，受损部位产生一上口宽为17.76mm、槽底宽为14.12 mm、深度为9.70 mm的梯形槽(见图2)；发电机转子受损处设计直径为610 mm，材质为25Cr2Ni4MoV。对发电机磨损部位进行着色探伤，未发现表面裂纹，对发电机磨损部位两边做硬度检查，硬度值为HB216-225。

三、转子受损部位的修复

修复大型回转机械转子轴颈一般有两种方法, 一种方法是修补法, 即对研磨损伤的沟痕采用刷镀、喷焊、喷涂、激光熔覆焊、等离子焊以及气体保护微弧焊等方法进行填充修补, 然后用手工研磨或其他机械加工方法，将高出轴颈面的多余部分去除。这种方法的基本思路是保持原有轴颈的直径不变。但针对转子受损情况较为严重，如果采用补焊修补方法，会存在焊接熔池小，造成被焊接设备和焊料快速冷却而产生的淬火问题, 产生金相变化, 使表面硬度分布不均或产生微裂纹。另一种方法是采用去除法, 即用车削和研磨的方法加工，但一般要求把转子返回制造厂上车床加工。由于机组C级检修工期较短，经过与厂家商讨确定采用现场精车和精磨加工。

计划安排汽轮发电机不抽转子，不解列汽轮机发电机联轴器, 在发电机机侧安装固定刀具的基准工作台并固定刀具进行修复。第一步首先将转子受损梯形槽底部精车；第二步在梯形槽底部精车的基础上，采用R5圆角(R=5mm)过渡到两侧壁，以保证尽量减少转子直径方向上的车削量；第三步从两侧壁采用R1过渡到转子的原始表面；第四步用立方氮化硼作为磨料对上诉加工面进行精磨(见图3)。

四、转子受损部位修复后的检查

1.整个工期共用9天，修复后经西安热工研究院进行金相组织检查并与制造厂提供的金相组织对比，没有老化迹象。

2.强度校核

1)转轴所承受的扭力矩M=(N×1000×60)/(2πn) =(600×1000×1000×60)/(2×3.14×3000)=1910828.025N•m

其中，M：转轴所承受的扭力矩，单位N•m(牛顿•米)

N：功率，单位KW(千瓦)

n：转速，单位r/min(转/分钟)

2)转轴所承受的扭矩T=M=1910828.025N•m

3)轴的截面抗扭截面模量WP= (π•d3)/16

其中，WP：实心圆轴的截面抗扭截面模量，单位mm3

d：圆轴直径，单位mm

按设计直径(610mm)计算抗扭截面模量WP1为：

WP1= (π•d13)/16=(3.14×6103)/16=44545021.25 mm3

按受损后直径(590.3mm)计算抗扭截面模量WP2为：

WP2= (π•d23)/16=(3.14×590.33)/16= 40367143.18 mm3

4)轴的截面扭转剪应力τ=T/ WP

其中，τ：实心圆轴的截面扭转剪应力，单位MPa(兆帕)

按设计直径计算截面扭转剪应力τ1为：

τ1=T/ WP1=1910828.025×1000/44545021.25=42.9MPa

按受损后直径计算截面扭转剪应力τ2为：

τ2=T/ WP2=1910828.025×1000/40305628.75=47.4MPa

5)修复后圆角为R5，选取1.7倍的应力集中系数后的截面扭转剪应力σ2为：

6)强度校核

25Cr2Ni4MoV的条件屈服极限σ0.2为650～755 MPa，取σ0.2=650 MPa，安全系数取2.5，则许用应力[σ0]为：

由于25Cr2Ni4MoV为塑性材料，扭转极限应力[σ]为0.5～0.6倍的许用应力，取0.55计算得转轴扭转极限应力[σ]为：

因为σ2﹤[σ]，所以转子强度符合要求。

五、结论

由于采用了在线加工的方案, 使机组检修工期内转子损伤得到了修复，机组C级检修后一次起动成功, 机组振动振幅明显降低且稳定。上述结果表明, 经过在线精车、精磨加工后，转子动平衡完全满足了机组安全稳定运行的要求。

责编/王圣媛