大型发电机转子风扇叶断裂分析

郭庆华

哈尔滨电机厂有限责任公司 哈尔滨 150040

2008年至2015年,我国火力发电机组跃进式发展,装机容量及数量达到了空前规模。与此同时,在电厂机组检修过程中,也发现了许多问题[1-3]。笔者对大型发电机转子风扇叶断裂事故进行分析,并在此基础上总结导致大型发电机转子风扇叶断裂的原因,提出防范措施。

1 大型发电机转子风扇叶常规结构

目前,我国大部分大型发电机转子风扇叶安装时采用图1所示结构。根据热胀冷缩原理,将风扇座环加热至规定的温度,并安装至转子本体上。冷却后,风扇座环与转子本体过盈配合为一体。将风扇叶穿入风扇座环安装孔中,用定位销将风扇叶定位在风扇座环的最终位置上。定位销既可以防止汽端与励端风扇叶装反,又可以防止机组运行中风扇叶与风扇座环间产生相对位移。定位销安装完毕后,将锁片、螺母旋在风扇叶螺杆上,并按照所要求的力矩拧紧螺母,由锁片锁紧螺母。

2 断裂原因

基于以往大型发电机转子风扇叶断裂事故的分析,总结风扇叶断裂的主要原因[4-5]。

图1 大型发电机转子风扇叶常规安装结构

(1) 结构设计不当。如风扇叶材质强度不满足使用要求,以及风扇叶结构设计不合理,存在应力集中,不满足正常运行要求等[6-8]。

(2) 制造过程存在缺陷。如风扇叶材质内部存在气孔气泡、风扇叶自身存在裂纹等。

(3) 安装使用不当,具体包括:① 风扇叶松动,由风扇螺母未拧紧、锁片锁固不到位等引起;② 在运行过程中,风扇叶主要承受离心载荷、气动弯矩和热载荷,在转子起动、运转、停机的过程中,载荷发生往复循环变化,载荷较大时,会导致风扇叶疲劳失效,以及导风环或内端盖脱落;③ 风扇叶在运行过程中,导风环存在振动,在重力作用下松动下沉,会造成风扇叶与导风环碰撞磨损;④ 风扇螺母拧紧力矩过大,会导致风扇叶螺纹部分受到的拉力大于风扇叶材质的剪切强度,进而产生裂纹;⑤ 风扇叶与导风环间的间隙不满足图纸要求,会导致风扇叶与导风环产生碰撞磨损。

3 案例分析

3.1 现场情况

随着近年来大型发电机技术的快速发展,设备零件在设计、工艺、材料、加工质量等方面都有了很大提高,风扇叶自身设计及加工不合理等断裂原因基本消除,大部分断裂事故原因为现场安装不当。

某电厂600 MW发电机在2018年9月进行例行检修,检查时发现发电机励端出线盒绝缘板上方存在大量金属碎片。经进一步检查,发现有两片风扇叶从根部断裂并飞出,并且有多片风扇叶损伤。飞出的风扇叶击伤定子端部线圈绝缘处。此外,在导风环静叶片上存在多处断裂,以及严重的碰撞磨损现象。

3.2 风扇叶检查

为了查找风扇叶断裂的具体原因,在现场对该大型发电机转子风扇叶进行全面检查,具体检查项目、结果及结论见表1。

表1 大型发电机转子风扇叶检查情况

由表1可以看出,风扇叶与风扇座环间的锁片没有锁紧,螺母与螺杆间存在松动,不符图纸要求,不合格。

3.3 断裂处检查

风扇叶断裂处形貌如图2所示,可见两片风扇叶断裂的位置相同,均在风扇叶螺杆根部,这是风扇叶受力最大的部位。12号风扇叶螺杆断口为平断口,1号风扇叶螺杆断口为斜断口,12号风扇叶损坏较为严重。经分析判断,12号风扇叶螺杆首先断裂,由高速碰撞等原因造成严重损坏。1号风扇叶与其它风扇叶均有不同程度的碰撞损坏,原因是12号风扇叶螺杆断裂后,与其它风扇叶产生碰撞。由以上分析可以判断,1号风扇叶螺杆是后续发生断裂的。

图2 大型发电机转子风扇叶断裂处形貌

3.4 断口检查

对12号风扇叶的断口进行检查[9],如图3所示。可见整圈断裂沿螺纹根部起源,向螺纹心部发展。12号风扇叶螺纹断裂横截面形貌如图4所示,断裂最先起源区长约10 mm,从螺纹根部向下有一个断裂台阶,深约1.5 mm。

3.5 螺纹检查

将12号风扇叶的螺杆、螺母由中分面纵剖,如图5所示。可见螺母与螺杆的螺纹不匹配,完全咬合的只有两个牙,其余都没有完全咬合。螺杆第一牙距螺纹底部约有2 mm间隙,第二牙距螺纹底部约有1.5 mm间隙,第三牙距螺纹底部约有1 mm间隙。检查发现,断裂最先起源于第二、第三牙的根部,且裂纹与螺杆轴线平行。其中,第二牙根部的裂纹长约1.5 mm,第三牙根部的裂纹长约1 mm。

12号风扇叶的螺杆、螺母安装情况与正常螺杆、螺母安装情况如图6所示,可见与正常安装情况不同,12号风扇叶的螺杆端部高出螺母一个螺纹的距离,而正常安装后螺杆则应与螺母平齐。

图3 12号风扇叶断口形貌

图4 12号风扇叶螺纹断裂横截面形貌

图5 12号风扇叶螺杆、螺母纵剖面形貌

3.6 金相检查

对1号、12号风扇叶的螺杆断口进行金相组织检查[10],分别如图7、图8所示。检查结果显示,金相组织均为铝的α相及铝硅共析相,金相组织正常。

图6 大型发电机转子风扇叶螺杆、螺母安装情况

图7 1号风扇叶螺杆断口金相组织形貌

3.7 螺母检查

12号风扇叶螺母如图9所示,可以看出螺母两个夹角处的螺纹没有加工完全。

3.8 分析小结

12号风扇叶螺母有部分螺纹没有加工完全,存在瑕疵,造成螺母在装配状态下不能顺利旋入风扇叶螺杆根部,导致风扇叶螺杆与螺母无法拧紧,出现锁片松动情况。施工人员为了拧紧螺母,擅自增大螺母紧固力矩,使风扇叶螺杆紧固力矩严重超出材料的屈服极限,导致风扇叶螺杆在受力最大的螺纹根部处产生裂纹。

机组运行过程中,在离心力和力矩等载荷的作用下,风扇叶螺杆螺纹根部的裂纹逐渐延伸,最终导致风扇叶螺杆根部断裂,风扇叶飞出。

断裂的12号风扇叶飞出后,击伤其它风扇叶,导致其它风扇叶产生断裂,受到损伤,以及出现定位销断裂等情况。飞出的风扇叶还击伤了导风环和定子线圈端部。

图9 12号风扇叶螺母

4 防范措施

根据上述案例分析,提出大型发电机转子风扇叶断裂的防范措施。风扇叶在安装过程中,除对风扇叶进行严格检查外,还需要对螺母、锁片等锁紧件进行检查。在安装前进行预装,无任何问题后,按照制造厂图纸要求的紧固力矩对螺母进行紧固,严禁使用大于要求的紧固力矩,并按要求对所有锁片进行有效锁紧。