某水电站转子支架裂纹产生原因分析.pdf
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1、某水电站转子支架裂纹产生原因分析2023.6某水电站转子支架裂纹产生原因分析王 佩1,2,胡靖远1,2,李永恒2,3,王泉龙2,3(1.湖南五凌电力科技有限公司,长沙 410004;2.湖南五凌哈电能效科技有限公司,长沙 410004;3.哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040)摘 要 某水电站 3 台机组的转子支架出现不同严重程度的裂纹,本文从应力、固有频率、疲劳、运行小时数、机组运行稳定性、振动等角度进行分析,以查找裂纹出现的原因。通过分析发现是推力瓦产生的频率为 12 倍转频的激振力引起转动部分产生较大的轴向振动,从而引起转子支架裂纹的产生,该频率与转子轴向固有频率接近,提高推力
2、瓦的安装质量可以减缓裂纹的产生。本文为其他水电站转子支架裂纹产生的原因分析提供了一个思路。关键词 转子支架;裂纹;振动;强度中图分类号 TM301.4+2 文献标志码 A 文章编号 1000-3983(2023)06-0054-07Cause Analysis of Cracks in Rotor Frame of a Power StationWANG Pei1,2,HU Jingyuan1,2,LI Yongheng2,3,WANG Quanlong2,3(1.Hunan Wuling Power Technology Co.,Ltd.,Changsha 410004,China;2.Hu
3、nan Wuling HEC Power Technology Co.,Ltd.,Changsha 410004,China;3.Harbin Electrical Machinery Co.,Ltd.,Harbin 150040,China)Abstract:The rotor frame of three units in a hydropower station has cracks of different severity.Thispaper analyzes the causes of the cracks from the aspects of stress,natural fr
4、equency,fatigue,operating hours,unit operation stability,vibration,etc.Through analysis,it is found that the axialvibration of the rotating part causes the crack of the rotor frame,and the exciting force generated bythe thrust pad with a frequency of 12 times the rotation frequency causes large axia
5、l vibration,whichis close to the axial natural frequency of the rotor.Improving the installation quality of the thrust padcan reduce the crack.The analysis in this paper provides a train of thought for the cause analysis ofthe cracks in the rotor frame of other hydropower stations.Key words:rotor fr
6、ame;crack;vibration;strength0 前言水轮发电机转子支架是连接主轴和磁轭的中间部件,起到固定磁轭和传递转矩的作用,转子支架要承担扭矩、磁轭和磁极重力及转子支架本身重力、离心力等载荷,是结构较为复杂的旋转部件,若发生结构破坏将对机组运行造成极大危害1-3。近年来学者们对转子支架裂纹开展了大量研究。李正贵等人对转子支架进行静强度分析,并结合发电机运行中和启停机时气隙的变化及机组轴线的偏移情况判定转子支架在存在裂纹的情况下可以再安全运行一段时间4。罗永要等人通过有限元分析发现一转子支架应力较高,根据分析对其结构进行优化,避免了裂纹的产生5。李正贵等人通过有限元分析得到了转子
7、支架出现裂纹的原因,并对其原始结构进行改进6。王慧通过分析认为应力集中及结构设计不合理是某电站转子支架产生裂纹的原因,通过实施对应力释放孔和焊缝进行修磨及焊接加强筋的方案可避免裂纹的产生7。李兴邦通过分析处理了某电站发电机转子支架翘曲变形的问题8。黎甜等人采用经典算法和有限元法对不同工况下转子支架应力进行分析并对结构进行优化,防止裂纹的产生9。王书枫等人从转子支架在运行时所承受载荷的角度分析了转子支架中心体内侧筋板产生裂纹的原因,并提出了补强方案10。针对某水电站 3 台机组的转子支架出现不同严重程度的裂纹,本文采用有限元分析方法对转子支架进行强度、动态特性及疲劳分析,结合机组运行情况和测试结
8、果,得到了裂纹产生的原因,并给出解决方案。452023.6大 电 机 技 术1 转子支架结构及裂纹情况1.1 基本情况某电站共安装三台单机容量 50MW 的立轴轴流转桨式水轮发电机组,于 2008 年全部投产发电。机组发电机采用伞式结构布置,发电机转子由转子支架、磁轭和磁极等组成,转子中心体下部通过螺栓与主轴及推力头连接。发电机机组参数见表 1。表 1 发电机机组参数参数数值额定转速/(r/min)115.4飞逸转速/(r/min)315额定扭矩/(kNm)4137.5额定磁拉力/kN221.2磁极质量/kg865磁极数52转动部件质量/t365推力瓦个数12 转子支架结构型式采用传统的二分瓣
9、把合式圆盘结构2,由中心体、上圆盘、下圆盘及立筋等组成。转子支架材料为 Q345、Q235A,其中上下圆板、上下环 板、锥 形 板 的 材 料 为 Q345,强 度 极 限 为470MPa,屈服极限为 305MPa,正常工况许用应力为203.3MPa(2YS/3),飞逸工况许用应力为 305MPa(YS);其余材料为 Q235A,强度极限为 370MPa,屈服极限为 225MPa,正常工况许用应力为 150MPa(2YS/3),飞逸工况许用应力为 225MPa(YS)。1.2 裂纹情况三台机组的转子支架均存在数量不等的裂纹,以前未对裂纹处进行过检查。裂纹的位置在转子中心体上圆盘与中心体轮毂上法
10、兰盘焊接的焊缝处(部位 1)、转子支架下圆盘与立筋相交部位(部位 2),裂纹位置如图 1 所示,部分裂纹照片如图 2 所示。转子支架分瓣把合螺栓止动焊缝处也存在裂纹。三台机组转子支架裂纹数量见表 2。图 1 转子支架裂纹的位置图 2 转子支架裂纹图片55某水电站转子支架裂纹产生原因分析2023.6表 2 转子支架裂纹统计表机组部位数量焊缝处(部位 1)2 处(各 50mm 长)1 号机转子支架下环板与立筋(部位 2)3 处(各 20mm 长)分瓣把合螺栓止动点焊2 处螺母焊缝处(部位 1)、上环板本体32 处(最长 300mm)2 号机转子支架下环板与立筋(部位 2)6 处(最长 80mm)分
11、瓣把合螺栓止动点焊63 处螺母2300,焊缝处(部位 1)13 处(最长 50mm)3 号机转子支架下环板与立筋(部位 2)4 处(最长 80mm)分瓣把合螺栓止动点焊11 处螺母2 转子支架刚强度分析2.1 有限元模型建立根据转子支架的结构尺寸建立三维模型,然后用有限元分析软件划分网格进行刚强度分析,全部采用实体单元划分网格,磁极质量等效为质量单元分布在磁轭外围,磁轭和打紧键之间采用接触单元,打紧键和主立筋之间采用接触单元,磁轭打紧量通过磁轭和打紧键之间的过盈接触模拟,网格划分如图 3 所示,边界条件为:约束转子中心体与主轴把合面的轴向和切向自由度11-15。2.2 计算工况与计算结果分析鉴
12、于电站机组参与 AGC 运行考核,结合转子支架的运行和受力情况,分析了静止、额定运行、机械制动、空转 4 个工况的强度,其中静止工况和额定运行工况是转子支架长期处于的状态,机械制动工况是为了分析在投入机械制动时转子支架应力是否有明显增大,空转工况是为了对比分析哪些载荷对转子支架的应力有较大影响。4 个工况分别考虑的载荷及计算结果见表 3。图 3 有限元分析模型表 3 计算工况分别考虑的载荷及计算结果工况载荷部位 1部位 2产生裂纹处应力/MPa许用应力/MPa产生裂纹处应力/MPa许用应力/MPa静止工况结构自重和磁轭打紧量31.6203.3109.6150.0额定工况离心力、结构自重、额定扭
13、矩和磁轭打紧量18.2203.379.8150.0机械制动工况结构自重、制动器向上顶的力、制动器和制动环之间的摩擦力、转动部分离心力(30%额定转速时投入机械制动)32.2203.3103.7150.0空转结构自重、磁轭打紧量及转动部件离心力10.9203.383.3150.0 重点关注部位 1 和部位 2 产生裂纹位置的应力,额定工况应力云图如图 4 所示。部位 1 产生裂纹处在静止工况、额定工况、制动工况的应力分别为 31.6MPa、18.2MPa 和 32.2MPa,远小于许用应力 203.3MPa,满足要求。部位 2 产生裂纹的位置,位于下环板与导焊孔相交处。静止工况、额定工况、制动工
14、况部位 2 产生裂纹 的 位 置 应 力 分 别 为 109.6MPa、79.8MPa 和103.7MPa,小于许用应力 150MPa。由强度分析可知,转子支架产生裂纹的位置应力水平不高,裂纹的产生不是结构设计时应力水平高引起的。转子支架在运行中承受多种载荷,其中对应力影响较大的载荷是离心力和磁轭与转子支架之间的打紧量。机械制动投入时转速已下降至额定转速的 30%,离心力较小,从计算结果看制动器向上顶起的力和摩擦力对应力影响不大,机械制动工况转子支架的应力水平和静止工况接近。652023.6大 电 机 技 术图 4 额定工况转子支架应力计算结果3 转子支架疲劳强度分析转子支架疲劳强度采用工程设
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