大型水轮发电机转子极间支撑结构可靠性分析

王艳武,王建刚

(哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨　150040)



大型水轮发电机转子极间支撑结构可靠性分析

王艳武,王建刚

(哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨150040)

摘要：介绍了小湾水电站1号发电机转子极间支架支撑结构的故障情况。对拆下的部分螺杆进行了材料化学分析及材料力学性能试验，结果表明均符合要求。对结构进行了详尽的应力计算，表明在正常工况及飞逸工况下均有足够的安全系数，即设计是合理的。这意味着1号发电机转子支撑结构故障很可能是多种因素综合产生的偶然事件。

关键词：水轮发电机；转子；极间支撑

0引言

小湾水电站单机容量为700 MW水轮发电机组。经过几年的安全稳定运行后，一些问题也暴露出来。2012年11月20日，小湾1号发电机检修拆卸下挡风板时发现下挡风板上有若干金属块，初步怀疑转子上有零件甩出。经对转子上零件的全面排查，发现有一个极间撑块位置在两极之间的2个短拉杆的其中一个的端部消失，所以判定挡风板上的若干金属块为该螺杆的断裂物。此次事故造成部分定子线棒端部被断裂甩出物破坏，定子铁心局部损坏，严重影响了机组的安全稳定运行。小湾极间支撑结构(见图1)由支撑块、短拉杆和长拉杆组成。从照片看，短拉杆外露部分已经完全断裂(见图2)。

1. 支撑块; 2. 短拉杆; 3. 长拉杆图1　小湾极间支撑结构图

图2　小湾极间支撑短拉杆断裂照片图

1极间撑块拉杆断裂问题初步分析

经初步分析，拉杆断裂的原因可能为以下几个方面：

1) 螺杆材质本身不合格，导致螺杆在力的作用下强度不够，最终断裂；

2) 加工过程中螺杆的螺纹可能有加工缺陷，导致缺陷处断裂；

3) 安装过程中对该螺杆的螺母把紧力过大，导致安装时该螺纹断面已存在缺陷，在运行过程中在各种力的综合作用下最终导致断裂；

4) 安装顺序不合理导致撑块安装时位置与螺杆产生偏斜力的作用，在运行过程中，在各种力的综合作用下最终导致断裂；

5) 撑块结构设计不合理。

针对以上的可能性，我们先将拆下的部分螺杆进行了材料化学成分分析和材料力学性能试验，证实材料化学成分和材料力学性能均满足要求。另外，如断裂面图显示，断裂处为短拉杆与固定块的连接根部，但加工缺陷正好在此位置的可能性不大，但也不排除加工缺陷在此位置的偶然性的存在。安装问题对该撑块结构的影响是存在的，但无法确定。最后，我们对该结构进行了详尽的应力计算分析。

2极间撑块拉杆断裂问题应力计算分析

从撑块部件所受的离心力、偏心力以及温度对结构的影响等多个方面对该结构进行了详尽的计算分析，并得出了最终的结论。

2.1螺杆承受离心力分析

考虑撑块离心力、垫块离心力和螺杆自身离心力的作用，对螺杆产生的应力还包括额定工况和飞逸工况的离心力。

2.2磁极线圈温升膨胀引起的应力

磁极线圈温升会产生线圈的径向和切向变形。径向变形会导致出现附加径向力。磁极上、下两侧直线段热膨胀引起的附加切向力。

2.3磁极线圈与极间撑块单侧存在间隙

假设磁极撑块与磁极铜线在额定运行时出现间隙，一侧磁极线圈热膨胀后使拉杆受到侧向推力，强制产生位移向另外一侧弯曲。恶劣工况下磁极撑块拉杆孔和拉杆在磁极铜线挤压侧贴住，拉杆将会承受另一侧向推力。

2.4磁极线圈离心力产生的侧向力

小湾发电机磁极线圈结构不是向心结构，在额定转速和飞逸转速时磁极线圈的离心力大部分由磁极极靴承担，但仍会产生一部分侧向力，撑块将承担这些侧向力。

2.5计算结果

各种可能引起拉杆受力变化的情况及计算结果见表1:

表1　螺杆应力结果汇总　MPa

最危险工况组合：

额定工况：Fr+Fp1+Fp2+Fjx+Fced=61+15+4.4+61.7+40=182.1(MPa)；

飞逸工况：Ffy+Fp1+Fp2+Fjx+Fcfy=228+15+4.4+61.7+150=459.1(MPa)。

所以额定工况最大可能应力为182.1MPa；飞逸工况最大可能应力为459.1MPa，材料屈服极限735MPa，满足强度条件。

3结语

从拉杆断裂的应力计算分析来看，小湾发电机极间支撑结构满足强度要求，结构本身合理。那么拉杆断裂的原因可能不是一个简单的因素导致的，很可能是各种原因综合在一起而产生的一个偶然事件。这次问题的产生，给机组的设计、制造和安装提供了一个很好的警示作用。告诉我们，任何一个细节的不注意，都可能产生严重的后果。

王艳武，男，1980年生，工程师，长期从事水轮发电机的设计工作。

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