凌津滩电厂水轮发电机主轴裂纹分析及改造研究.pdf
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1、22第 46 卷 第 08 期2023 年 08 月Vol.46No.08Aug.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 引言凌津滩电厂位于湖南省常德市桃源县夷望溪镇,安装 9 台灯泡贯流式水轮发电机组,单机容量30 MW,总装机容量 270 MW,保证出力 5.66 万 kW,设计年发电量 12.15 亿 kW h,通过两回 220 kV 线路并入湖南电网,工程于 1995 年 12 月正式开工,1998 年 12 月首台机组并网发电,2000 年 12 月全部机组投运。电厂水轮发电机组设计额定水
2、头 8.5 m,最小水头 2.2 m,最大水头 13.2 m。水轮机型号 HK-IRP,转轮直径 6 900 mm,1 号 3 号机为日本日立公司设计制造,4 号 5 号机为日立、哈电联合设计制造,6 号 9 号机为哈电制造。自 2017 年 7 号机组 C 级检修中发现主轴水轮机侧法兰根部出现裂纹以来,在后续的检查中发现其他机组主轴相同部位均存在不同程度的裂纹。主轴是灯泡贯流式水轮发电机组的核心部件,主轴通过两端的法兰连接水轮机与发电机转子,将水轮机的转矩传递给发电机转子,带动发电机旋转输出电能。主轴水轮机侧法兰根部裂纹给机组的安全稳定运行带来了极大的隐患:主轴裂纹贯穿将引起机组调速系统漏油
3、,造成环境污染;主轴裂纹进一步扩展、失控甚至引起主轴断裂、转轮脱落、转轮室破裂,造成水淹厂房的严重事故,带来严重的经济损失和社会影响。本课题就电厂机组主轴轴颈裂纹开展研究,旨在找出主轴裂纹产生的根本原因,提出针对性的改造方案,以期彻底消除该重大隐患,提高机组的安全可靠性。2 主轴结构机组主轴为双法兰空心轴,上、下游侧法兰通过螺栓和销钉分别与发电机转子和水轮机转轮相连接,主轴中空部分安装桨叶操作油管、桨叶反馈杆。主轴两侧分别安装发导轴承、水导轴承,承受发电机转子、转轮及主轴的重力,主轴中部安装正反推力轴承,承受机组旋转中水流对转轮的正、反推力。主轴材质为 20SiMn,主轴结构示意如图 1 所示
4、。图 1 机组原主轴结构示意图主轴水轮机端设置主轴密封装置,主轴轴颈浸泡于水中,主轴密封装置结构示意如图 2 所示。收稿日期:2023-05-06作者简介:杨 彤(1968-),男,高级工程师,从事水电生产运营管理工作。凌津滩电厂水轮发电机主轴裂纹分析及改造研究杨 彤,黄星德(五凌电力有限公司凌津滩电厂,湖南 常德 415720)摘 要:本文就凌津滩电厂水轮发电机主轴裂纹问题开展研究,采用解析法对主轴应力、疲劳强度进行分析,找出了主轴裂纹产生的根本原因。根据主轴裂纹产生的原因,开展了主轴改造研究,提出了提高主轴疲劳强度的措施,明确了主轴改造思路。关键词:水轮发电机;主轴裂纹;强度分析;改造中图
5、分类号:TV734.1文献标识码:B文章编号:1672-5387(2023)08-0022-04D O I:10.13599/ki.11-5130.2023.08.00623第 08 期杨 彤,等:凌津滩电厂水轮发电机主轴裂纹分析及改造研究图 2 主轴密封结构示意图3 主轴强度计算分析采用解析法对主轴载荷、应力进行计算,对其静强度进行分析;对主轴失效的法兰根部疲劳强度进行计算,同步对主轴未失效的轴身部位疲劳强度进行计算,以分析主轴失效的根本原因。主轴及其相关参数见表 1,主轴材料 20 SiMn 力学性能见表 2。表 1 基本参数序号名称符号数值单位1机组额定出力 P30MW2机组额定转速 n
6、r78.9r/min3水轮机转轮重量 GL78t4水轮机转轮浮力 GF19t5主轴重量 GZ44.4t6机组轴向水推力 Fh450t7主轴根部外径D1930mm8主轴轴身过渡处外径 D2910mm9主轴内径 d 260mm10水轮机转轮质量不平衡力 Fu4 063N11水轮机水力不平衡力 Fr55 843N12水轮机转轮重心到主轴 A-A 截面距离L1990mm13水轮机转轮中心到主轴 A-A 截面距离L2955mm14水轮机转轮重心到主轴 B-B 截面距离L31 690mm15水轮机转轮中心到主轴 B-B 截面距离L4 1 655mm表 2 材料特性及许用应力单位:MPa序号名称符号数值1抗
7、拉强度b4702屈服强度s2553综合应力63.84剪切应力42.55考虑应力集中系数的综合应力102.03.1 主轴载荷应力计算计算机组额定出力工况下,主轴的载荷及应力:机组额定出力工况下:主轴所受扭矩 M:M=30Pnr主轴所受轴向拉力 F:F=Fh主轴截面最大剪切应力 max:max=MWt Wt=D316(1-4)=dD主轴截面最大拉伸应力 max:max=FA A=4(D2-d2)主轴截面弯曲应力 w:w=MBW,MB=(Fu+(GL-GF)1 0009.8)Ll+Fr L2,W=D332(1-4)主轴截面最大综合应力 emax:emax=(max+w)2+3max2主轴应力计算结果
8、如表 3 所示。表 3 解析法应力计算结果单位:MPa截面 A-A截面 B-B许用标准最大剪切应力23.925.542.5最大拉伸应力7.07.4-最大弯曲应力8.014.7-最大综合应力44.049.363.8计算结论:主轴 A-A 截面和 B-B 截面的最大剪切应力、最大综合应力均小于材料的许用标准,主轴静强度符合设计。3.2 主轴轴颈根部疲劳强度计算3.2.1 弯曲疲劳计算按照机组设计工作 50 年,运行系数为 0.85,因主轴轴颈浸在水中,根据材料在水中的 S-N 曲线方程 SmN=c,则弯曲交变次数 N=1.762109次,则条件疲劳极限-1=29.1 MPa。弯曲有效应力集中系数K
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