大型立式水轮发电机斜元件结构转子支架焊接变形控制

李效光，郑满军，闵翠英

（长江三峡技术经济发展有限公司，四川 宜宾 644612）

大型立式水轮发电机斜元件结构转子支架焊接变形控制

李效光，郑满军，闵翠英

（长江三峡技术经济发展有限公司，四川 宜宾 644612）

本文介绍了斜元件转子支架的结构形式和特点，分析了斜元件转子支架组装焊接变形控制要点。基于三峡电站斜元件转子支架组装焊接实践经验，提出了斜元件转子支架焊接变形控制具体措施，可供类似工程项目参考。

斜元件；转子支架；焊接变形控制

前言

水轮发电机转子支架是机组转动部分的重要部件，它将磁轭和转子中心体连接成为一体。发电机正常运行时转子支架要承受扭矩、磁极和磁轭的重力、自身的离心力以及热打键径向配合力的作用，是一个受力复杂的部件。由于转子支架尺寸较大，一般按单个部件制造和运输，在工地现场组装焊接。因此保证转子支架焊接质量对于转子后续部件安装和机组安全运行具有重要意义。

1 斜元件转子支架的结构形式和特点

斜元件转子支架一般由转子中心体、斜元件立筋支臂、扇形体圆盘支架、磁轭立筋等组成。

斜元件立筋支臂沿圆周均匀地分布，并与中心体、扇形体圆盘支架相连。磁轭立筋布置在扇形体圆盘支架外侧与磁轭相连。典型的斜元件转子支架如图1所示。

斜元件立筋支臂的作用是将转子支架结构的径向力转化为切向力，同时保证转子支架具有足够的刚度和强度。随着立式水轮发电机的设计、制造朝着大容量低转速发展，斜元件转子支架越来越多地被应用到工程实践。斜元件转子支架一般具有如下特点。

图1 斜元件转子支架结构示意图

1.1 结构特性

斜元件通常用于连接两个处于同一平面但直径不同的环形部件，转子磁轭与转子中心体的连接包括在这种范畴内。斜元件弹性斜板也可用于连接直径相同、处于平行的不同平面上的两个环形部件。

1.2 机械特性

随着同心膨胀，斜元件将在阻力较小的方向上偏移，相连的两个环彼此关联，因而能保持良好的同心度。当有任何扭力或径向变形时，斜元件将在机械阻力最大的方向上产生变形。从而给转子中心体提供很好的稳定性和刚性。转子中心体或转子磁轭产生的任何膨胀，均被磁轭相对中心体的反向旋转所吸收，同时也最大程度地减小离心力所产生的应力。当磁轭热打键时，斜元件立筋支臂可减小在中心体上产生径向作用和变形力。

1.3 组装工艺

大型圆盘式水轮发电机转子支架立筋半径大于6000mm，受制造、运输限制，一般多采用分瓣扇形体，在安装现场进行组装。主要将中心体与中心体连接的扇形体环件沿圆周均匀分布固定在主立筋上的磁轭立筋组焊在一起。

2 斜元件转子支架焊接变形控制要点

2.1 焊接接头无损检测

试验结果显示，焊接结构承受载荷疲劳破坏发生在焊接残余应力最大处，若焊接结构焊缝质量高、无缺陷，当承受载荷时，焊接残余应力对疲劳强度无明显影响。因此，焊接接头无损检测尤为重要，转子支架焊接变形控制是在焊缝质量检查合格的前提下的形位尺寸公差控制。

2.2 转子中心体与支架连接立筋斜度控制

文献[1]通过有限元分析软件 ANSYS平台，建立斜元件转子支架斜度可变模型和对应程序，得出了转子支架打键紧量、打键力、最大等效应力等随斜度变化规律，最后给出结论：斜元件转子支架结构在正常运行时，其最大等效应力会在某一个斜度α下出现最小值。因此，转子中心体与支架连接立筋斜度控制对于减小转子支架最大等效应力，实现转动部件的安全稳定运行具有重要意义。

2.3 立缝角变形控制

立缝角变形过大会导致立筋斜度发生变化，同时转子中心体与支架连接立筋受力不均，在角变形部位产生应力集中。经验数据显示：角变形主要产生在立焊缝两侧的打底焊过程。

2.4 径向缝间隙、错牙控制

径向缝间隙均匀性良好可保证焊缝收缩量趋于一致，减小斜元件立筋支臂，相对转子中心体的旋转，会引起立筋斜度变化，同时也可减小不利焊接约束应力。因此应控制焊缝坡口间隙、错牙，达到焊接工艺的要求。

2.5 立筋弦长控制

立筋弦长分布是否均匀会影响后续部件磁轭立筋的安装。磁轭立筋的安装精度要求较高，形位尺寸公差一般控制在 0.10mm以内。采用“以片定筋”的安装工艺，为保证磁轭叠片整形需要，往往牺牲转子支架立筋与磁轭立筋的焊缝配合。立筋半径变化引起扇形体接缝部位的弦长变化，增加了弦长控制难度。因此，立筋弦长控制对于磁轭与转子支架作用力传递时保证支架立筋的受力均匀性至关重要。

2.6 环板水平

圆盘支架结构设计一般考虑采用两层环板或三层环板。环板水平影响旋转部件风道密封间隙的均匀性，各环板平面度均应进行调整控制。

2.7 支架与中心体立缝间隙、错牙

支架与中心体立缝间隙控制不均会直接引起焊缝收缩量不均；支架与中心体立缝错牙较大往往会引起焊接接头的受力不均、应力集中、焊接缺陷。因此应控制焊缝坡口间隙、错牙，力求达到焊接工艺要求。

2.8 立筋半径

采用“以筋定片”的安装工艺，由于转子支架焊后直接或现场机加工后进行磁轭叠片，立筋半径控制应作为重点项目。采用“以片定筋”的安装工艺，一般考虑焊接变形不均修正补偿量，立筋半径偏差只要不超过转子支架立筋或磁轭立筋加工余量即可。

3 斜元件转子支架焊接变形控制措施

3.1 重视转子支架厂内预装及出厂验收质量控制

转子支架制造的良好和厂内预装质量是保证其现场组装良好的前提条件。应对转子支架的转运、吊装采取措施，控制变形。

厂内预装质量应按照安装验收指导作业文件逐项进行，重点检查转子中心体与支架连接立筋斜度，转子中心体上、下、内、外法兰面同轴度，转子中心体、扇形体支架厂内焊缝质量，扇形体支架高度，转子支架立筋半径，支架与中心体立缝间隙、错牙，立筋弦长等指标。

分瓣转子支架进场后，进行支架与中心体的组装，按照编号对号入位，拧紧把合块，调整各项数据，达到厂内预装效果。

3.2 重视工地现场的组装焊前质量控制

3.2.1 尽可能恢复至出厂验收状态

如发现超标项目或部位，应结合随机文件进行分析，找出原因。对于组装后焊缝坡口间隙超标部位，进行单侧堆焊处理堆焊后应对坡口进行打磨修割，达到焊接工艺要求。

3.2.2 各项指标做好先后顺序的控制

（1）转子中心体水平。作为相对位置基准，中心体水平应首先进行调整控制，在转子支臂挂装、环板水平调整时均应首先保证转子中心体水平在0.02mm/m以内，否则应在转子中心体支撑部位加垫调整；

（2）转子中心体与支架连接立筋斜度。现场组装时主要控制扇形体立筋与转子中心体立筋的线性，不应在对接位置存在明显折角，否则应将扇形体旋转某一合适角度进行调整，对应地，径向缝间隙、立筋半径也将发生变化；

（3）各支臂之间弦长；

（4）上环板、下环板波浪度；

（5）焊缝坡口间隙、错牙。当对接焊缝的坡口形式为对称X型、坡口角度为40～60°、对接间隙为1～5mm、钢板厚度为 40～60mm、焊接线能量为 20～40kJ/cm时，可考虑焊缝收缩值取2～4mm；

（6）支臂立筋半径；应考虑径向缝焊缝收缩引起的立筋半径变小。分瓣扇形体数目n影响立筋半径收缩变化，径向焊缝周向收缩引起径向半径变小近似为：

式中：Δr——半径变化/mm；Δl——每条径向缝平均收缩量/mm；n——支臂扇形体数目。

三峡电站16台发电机斜元件转子支架径向收缩情况见表1所示。

表1 斜元件转子支架焊接实例

分瓣扇形体的数目n较大，便于现场调整；n较小，便于现场施工。立筋半径焊前控制值应参考 n的大小和以往焊接实例。当n为14时，可考虑10mm收缩量。

3.3 做好焊接变形预控措施

3.3.1 转子中心体与支架立缝角变形控制

（1）大型结构件角变形预控措施应首先考虑刚性固定法。转子中心体与支架立缝开焊前，应尽可能布置较多的加强板，布置方向可选择立缝左侧（在转子上部从中心体向外看）；扇形体支臂径向缝两侧也应布置一定数目加强板，以增加转子支架整体性；

（2）反变形法。转子中心体与扇形体支架现场组装时将扇形体旋转某一合适角度，在对接位置产生折角，抵消立缝焊接角变形。

3.3.2 转子环板波浪度控制

（1）刚性固定法。转子环板焊缝两侧应装焊加强板，进行约束焊接；

（2）适当改变转子支撑部位。在不影响扇形体支架稳定性的前提下，为调整环板波浪度，可人为拆除、增加支撑，改变支撑部位。

3.3.3 焊缝焊接收缩量控制

（1）在组合缝需要减小收缩量的部位加入填隙片，控制收缩值；

（2）改变焊缝坡口形式。采取修割打磨或堆焊的方式，改变焊缝截面积及焊缝充填金属量，进而控制焊接收缩量。

3.4 做好焊接工艺过程措施

3.4.1 焊接步骤

（1）首先进行点焊，将各部件初步组焊在一起，对同种形式的焊缝焊点个数相同，在位置对称的情况下，应用相同参数按照同样的方式进行点焊；

（2）正式焊接圆盘支架，在点焊的基础上，对同种形式的焊缝均应选择对称位置，采取同样的方式进行焊接，焊接参数都应相同，每条焊缝焊层相同，每层焊层焊道固定，各层窄道分段接口的位置在上下层之间交错开，每条焊缝在一、二层之间打底焊，检查无误后继续施焊。

3.4.2 焊接顺序

焊接顺序的主要原则是：先进行对接焊缝的焊接，再进行角焊缝的焊接，先进行内侧焊道；施焊时应先焊接不致对其它焊缝形成刚性约束的焊缝；每条焊缝焊接时，应尽量保持自由收缩；对较长焊缝应尽可能从焊缝中间向两端对称施焊。基于以上原则，点焊圆盘支架后的正式焊接应采取先焊内立缝，继之中间径向缝，最后焊外侧焊缝。斜元件转子支架的典型焊接顺序如图2所示。

中间径向缝焊接时应采取必要防护措施，做到对称结构的环板之间对称焊接。

3.4.3 焊接参数控制

（1）焊接速度和焊接功率可根据立缝、环缝，径向缝的焊接顺序和每条焊缝的焊道增多，由小往大调整。焊缝金属的化学成分一定时，焊接接头的机械性能取决于焊接层次和线能量，因此线能量控制非常重要。平均线能量一般不宜大于45 (kJ/cm)。计算公式为：

式中：vQ——焊接线能量/J；η——电弧热效率 （手工焊为0.7～0.8）；I ——焊接电流/A；U——焊接电压/V；L——焊缝长度/cm；t——焊接时间/s。

焊接工艺过程控制时，应重点控制U、I、L、t。

（2）焊接时环境温度控制。当环境温度过低时，应适当提高预热温度，同时加强保温措施。各层焊接过程中，严格控制层间温度差。

（3）摆幅控制、清根方法、消除应力措施均应符合相关工艺要求。焊接时除打底和盖面层外，其余焊层均要进行锤击，以减小焊接应力。

图2 斜元件转子支架焊接顺序简图

3.5 做好焊接变形监测、分析工作

3.5.1 组织严密、保障有力

（1）对可能发生变化的指标均应进行监测，如焊缝焊接收缩量、立缝角变形、转子环板波浪度、转子支架形位尺寸等。

（2）在转子支架焊接期间应成立焊接变形监测小组，落实焊接变形监测方案，原则上应每天召开碰头会，商定转子支架焊接变形控制措施。焊接变形监测小组应由发电机转子技术员、焊接技术人员、测量人员、管理人员等组成。

3.5.2 认真分析、令行禁止

（1）制定各项指标的监测方式、监测时机、监测频度、预警限值。测量工具应具备精度，测量外半径的最好方式是使用转子测圆架。焊接收缩量可在焊缝两端做出标记样点，使用游标卡尺测量；焊缝角变形应使用百分表监测；立筋弦长应监测上部和下部变化情况；如测量条件具备，立筋半径可监测上部和下部变化情况。监测时机至少应在焊缝开焊前、定位焊后、第一层焊后、背缝清根后、50%焊层结束后、焊接结束后进行测量；监测频度和预警限值应参考监测数据变化量灵活安排和设置。

（2）分析每一项指标的变化范围和趋势。发生较大变化时，焊接变形监测小组应制定专项方案，及时调整焊接区域、焊接顺序、焊接电流、割除或加装加强板等，矫正不利形变；否则应严格执行制造厂焊接工艺指导说明书。

3.6 做好焊后数据测量和分析

比较每一指标是否符合验收标准要求，分析超标原因，以待改进。对超标项目进行影响程度分析，制定处理方案。跟踪下一工序安装调整效果，反馈转子支架组焊质量控制值和焊接工艺改进合理化建议。

4 结论

综上所述控制要点，按照优先控制顺序排序，各项因素相互影响，相互制约，只有分清主次，有的放矢，认真分析设计文件和安装指导说明书，充分领悟设计意图和借鉴类似转子支架焊接经验，才能又好又快进行水轮发电机转子组装。三峡左、右岸电站发电机斜元件转子支架组装焊接实践经验证明，变形控制措施效果明显，可供类似工程项目参考。

[1] 曾洪富 等. 龙滩水电站发电机转子支架现场焊接[J]. 四川水力发电, 2007.

[2] 付荣柏. 焊接变形的控制与矫正[M]. 机械工业出版社. 2006

审稿人：刘公直

Welding Deformation Control of Oblique Element Rotor Spider for Large Vertical Hydro-generator

LI Xiaoguang, ZHENG Manjun, MIN Cuiying
(Yangtze Three Gorges Technology＆Economy Development Co., Ltd, Yibin 644612, China)

This paper describes the structure form and characteristics of oblique element rotor spider,and analyses the rotor assembly welding deformation control key points. Based on practice experience of oblique element rotor assembly welding for Three Gorges hydropower station, the author presents the measurement of welding distortion controlling for reference of similar project.

slanting element; rotor spider; welding distortion controlling

TM305.1

A

1000-3983(2012)06-0036-04

2011-07-18

李效光（1983-），2006年毕业于河海大学水利水电学院热能与动力工程专业，主要从事水轮发电机组安装管理工作，工程师。