李興邦

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

福建某電站是福建穆陽溪梯級電站的第二級電站，與上一級芹山水電站相距19.5 km。機(jī)組總體布置采用立軸懸式三導(dǎo)(上、下及水導(dǎo)軸承)結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)型式為全封閉雙路徑自循環(huán)旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板無風(fēng)扇端部回風(fēng)空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電機(jī)。

1 技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下。

容量：138.889 MVA

額定功率：125 MW

額定功率因數(shù)：0．9(滯后)

旋轉(zhuǎn)方向：俯視順時(shí)針

額定電壓：15．75 kV

額定電流：5 091．3 A

額定頻率：50 Hz

效率：98．44%

額定轉(zhuǎn)速：428．6 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：707 r/min

相數(shù)：3

接線方式：2Y

定轉(zhuǎn)子繞組絕緣等級：F

推力負(fù)荷：300 T

冷卻方式：全空冷

飛輪力矩GD2：≥1 800 t·m2

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁軛受到扭矩、磁極以及磁軛本身離心力的作用[1]。轉(zhuǎn)子外徑為φ4 272 mm，轉(zhuǎn)子支架立筋高2 590 mm，轉(zhuǎn)子裝配由轉(zhuǎn)子支架及主軸、轉(zhuǎn)子磁軛、磁極線圈、磁極鐵心、阻尼繞組等組成，為一根軸結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子裝配圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子裝配圖

轉(zhuǎn)子磁軛由3 mm厚的NKHA780鋼板先沖制后疊壓而成，在工地疊壓成整體。為提高磁軛整體性并使拉緊螺桿受力均勻，保持鍵槽垂直，采用了正反向疊片的方法，用工具螺桿分段壓緊，最后用拉緊螺桿緊固以形成一體。磁軛設(shè)置8個(gè)40 mm寬的徑向通風(fēng)溝，并且在沖片接縫處留有通風(fēng)間隙，它們與轉(zhuǎn)子支架聯(lián)合，一起作為發(fā)電機(jī)閉路通風(fēng)系統(tǒng)所需要的風(fēng)道。

磁軛與轉(zhuǎn)子支架采用徑、切向復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)連接。徑向凸鍵與轉(zhuǎn)子支架之間的設(shè)計(jì)緊量為0.7 mm，凸鍵打緊緊量按保證機(jī)組轉(zhuǎn)速1．15倍額定轉(zhuǎn)速時(shí)過速分離計(jì)算，保證了正常運(yùn)行時(shí)傳遞扭矩和過速時(shí)轉(zhuǎn)子支架軸心不變。副鍵在磁軛側(cè)切向打緊，磁軛凸鍵與磁軛之間加墊片。

轉(zhuǎn)子磁軛復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)如圖2所示。該連接結(jié)構(gòu)在任何工況、轉(zhuǎn)速下都能夠保證轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的圓度、同心度和氣隙均勻度，且做到不使轉(zhuǎn)子重心偏移而產(chǎn)生振動(dòng)，并有效地傳遞扭矩。轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量的優(yōu)劣，關(guān)系到機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

圖2 轉(zhuǎn)子磁軛復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子磁極為向心結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)磁極線圈離心力的側(cè)向分量對線圈產(chǎn)生的有害變形，不需設(shè)置極間撐塊，以利于勵(lì)磁繞組通風(fēng)散熱。磁極極靴采用5段圓弧，使定、轉(zhuǎn)子間氣隙均勻，優(yōu)化了氣隙磁場波形，提高極靴強(qiáng)度，減少了勵(lì)磁安匝數(shù)，提高了勵(lì)磁繞組的利用率。

磁極鐵心由2.0 mm厚高強(qiáng)度合金鋼板疊壓而成，兩端壓板為整鍛結(jié)構(gòu)，通過拉桿壓緊。采用可靠的裝壓工藝，可保證片間壓力和整體性。磁極采用兩T尾，每個(gè)T尾兩對磁極長鍵與磁軛固定，這種結(jié)構(gòu)可以保證定轉(zhuǎn)子氣隙的均勻。

磁極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可滿足在拆卸和更換磁極時(shí)不必吊轉(zhuǎn)子。磁極線圈采用4.75 mm×100 mm銅排焊接而成，采用帶有散熱匝的新結(jié)構(gòu)，使散熱條件得到改善，有效降低線圈溫升。匝間采用F級絕緣。

2 2#機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛及磁極沖片斷裂情況介紹

電站檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，2#機(jī)的磁極極間連接被拉直，表明磁極存在松動(dòng)，產(chǎn)生了切向位移。現(xiàn)場拔出磁極進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)有部分磁極鍵點(diǎn)焊處和磁極定位螺栓點(diǎn)焊處存在開裂現(xiàn)象，且?guī)缀趺總€(gè)磁極T尾都存在裂紋。磁極T尾裂紋位置示意如圖3，磁極沖片裂紋如圖4所示。

圖3 磁極T尾裂紋位置示意

圖4 磁極沖片裂紋

現(xiàn)場拆磁極后發(fā)現(xiàn)磁極鍵基本上均未打到位，并存在不緊情況。拔出#11磁極T尾的4組磁極鍵后，發(fā)現(xiàn)第1、3組磁極鍵打入深度比基準(zhǔn)鍵短約500 mm和437 mm。后續(xù)依次拔出#10、#5、#14磁極后，發(fā)現(xiàn)磁極鍵打入深度均比基準(zhǔn)鍵短的現(xiàn)象。

拆出磁極后觀察相對應(yīng)的磁軛T尾部分發(fā)現(xiàn)有幾十毫米到幾百毫米不等的高度存在裂紋。不同位置的磁極及磁軛裂紋程度不同。磁軛沖片裂紋如圖5所示，磁軛通風(fēng)沖片裂紋如圖6所示。

圖5 磁軛沖片裂紋

圖6 磁軛通風(fēng)槽片裂紋

3 分析問題及建議

該發(fā)電機(jī)磁軛所用的熱軋薄板材料屬于首次國產(chǎn)化材料，其材料性能可能會受當(dāng)時(shí)制造工藝局限性的影響。為確定材料性能，拆下部分磁軛材料做相關(guān)拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)。共做三組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 磁軛材料做相關(guān)拉伸力學(xué)性能

從試驗(yàn)結(jié)果看，三組數(shù)據(jù)中，僅第二組試驗(yàn)實(shí)測的抗拉強(qiáng)度略低，其余均滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求?？紤]到電站已運(yùn)行15年了。所以，磁軛材料基本上滿足要求。

磁軛磁極離心力是磁極磁軛T尾應(yīng)力的主要來源。磁極離心力通過磁極鍵作用在T尾上，磁極鍵打鍵深度，T尾與磁極鍵接觸面積大小對T尾應(yīng)力均有影響。根據(jù)現(xiàn)場拆解后磁軛、磁極的實(shí)際情況，對機(jī)組運(yùn)行過程中磁極、磁軛以下兩種可能存在的受力情況進(jìn)行強(qiáng)度分析。

(4)公曰：“然則後世孰將[把]齊國？”對曰：“服牛死，夫婦哭，非骨肉之親也，為其利之大也。欲知[把]齊國者，則其利之者邪？”(戰(zhàn)國《晏子春秋》)

(1) 設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，即磁極鍵打入長度為設(shè)計(jì)長度、T尾與磁極鍵接觸面為100%；磁軛副鍵打入長度為設(shè)計(jì)長度、T尾與磁軛副鍵接觸面為100%。

(2) T尾與磁極鍵、磁軛副鍵總接觸面積過小或局部受力過大時(shí)的磁極、磁軛受力狀態(tài)。即磁極鍵打入長度均為設(shè)計(jì)長度，但T尾與磁極鍵總接觸面積過小或局部受力過大，T尾與磁極鍵接觸面積按總接觸面積的2/3考慮。

福建某電站磁極、磁軛強(qiáng)度分析采用有限元方法。根據(jù)磁極、磁軛的對稱結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，磁極、磁軛應(yīng)力計(jì)算可簡化為周期對稱的平面應(yīng)變問題處理。

經(jīng)計(jì)算，磁軛、磁極最大應(yīng)力均位于T尾圓角處。平均應(yīng)力、許用應(yīng)力和最大應(yīng)力見表2，磁極磁軛的最大應(yīng)力點(diǎn)疲勞損耗計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 磁軛磁極應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總表 單位：MPa

表3 磁極磁軛最大應(yīng)力點(diǎn)疲勞損耗計(jì)算結(jié)果匯總表 單位：%

從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，當(dāng)機(jī)組進(jìn)行甩50%以上負(fù)荷時(shí)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速已超過了徑向緊量的機(jī)組轉(zhuǎn)速(1．15倍額定轉(zhuǎn)速)，轉(zhuǎn)子支架和磁軛會發(fā)生分離。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分振動(dòng)，磁軛沿切向方向發(fā)生微量移動(dòng)，造成磁軛鍵和磁極鍵松動(dòng)。

從計(jì)算結(jié)果來看，福建某電站磁軛磁極T尾斷裂是由于磁軛、磁極T尾與磁極鍵總接觸面積過小或局部受力過大導(dǎo)致。在磁極鍵深度不足的磁極上這種情況可能更加嚴(yán)重，從現(xiàn)場拆解的情況也可以驗(yàn)證這一點(diǎn)?，F(xiàn)場對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，磁軛副鍵也有松動(dòng)現(xiàn)象。

(1) 對磁軛材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，材料力學(xué)性能基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 從計(jì)算結(jié)果看，兩種受力狀態(tài)下，磁軛、磁極T尾危險(xiǎn)截面平均應(yīng)力均小于許用值，滿足靜強(qiáng)度要求。采用經(jīng)典計(jì)算公式，磁極和磁軛危險(xiǎn)截面計(jì)算應(yīng)力均大于1．5的安全系數(shù)，滿足使用要求。

(3) 正常受力狀態(tài)磁軛、磁極最大應(yīng)力點(diǎn)疲勞損耗小于1，滿足疲勞強(qiáng)度要求。T尾與磁極鍵總接觸面積過小或局部受力過大時(shí)磁軛、磁極最大應(yīng)力點(diǎn)疲勞損耗均大于1，存在疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)IEC 63132-2：2020Guidance for installation procedures and tolerances of hydroelectric machines-Part 2：Vertical generators要求，轉(zhuǎn)子支架和磁軛間應(yīng)有緊量。

轉(zhuǎn)子磁軛和磁極沖片斷裂的根本原因是磁軛疊裝及磁極掛裝質(zhì)量不好導(dǎo)致。轉(zhuǎn)子磁軛裝配質(zhì)量不佳，進(jìn)而引起的磁軛熱加墊的厚度未能滿足設(shè)計(jì)緊量要求。致使機(jī)組轉(zhuǎn)速未達(dá)到分離轉(zhuǎn)速時(shí)磁軛就與轉(zhuǎn)子支架分離了。

磁軛疊裝及熱打鍵后，磁軛副鍵切向打鍵未按要求打緊，磁軛副鍵與磁軛鍵槽接觸面未能全部貼緊。磁極鍵研磨不到位，虛接觸面積偏大。磁軛和磁極沖片斷裂事故的教訓(xùn)極為深刻，相對于40年的機(jī)組設(shè)計(jì)壽命，電站僅運(yùn)行了15年時(shí)間就達(dá)到了生命周期末年。

建議：

(1) 機(jī)組安裝時(shí)根據(jù)DL/T 5230—2009《水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場裝配工藝導(dǎo)則》7．12．7 3中要求磁軛熱打緊鍵后，打緊磁軛副鍵。等磁軛自然冷卻后，再拔出副鍵，檢查、修理其接觸面應(yīng)達(dá)70%以上；在其各工作面涂二硫化鉬潤滑脂后，再用大錘在凸鍵兩側(cè)對稱打緊。

(2) 根據(jù)DL/T 507—2014《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》要求：6．5．5過速試驗(yàn)停機(jī)后應(yīng)進(jìn)行如下檢查：a)全面檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，如轉(zhuǎn)子磁軛鍵、磁極鍵、阻尼環(huán)及磁極引線、磁軛壓緊螺桿等有無松動(dòng)或移位。

(3) 機(jī)組檢修時(shí)，按照DL/T 817—2014《立式水輪發(fā)電機(jī)檢修技術(shù)規(guī)程》7．2．1中要求轉(zhuǎn)子在機(jī)坑內(nèi)的檢查，應(yīng)符合以下要求：磁極鍵和磁軛鍵無松動(dòng)，點(diǎn)焊無開裂。7．2．2機(jī)坑內(nèi)磁極的拆裝，應(yīng)符合以下要求：磁極鍵打入后其配合面接觸良好，用手搖晃不動(dòng)，磁極鍵打入深度不小于磁極鐵心高度的90%。

磁極鍵打入完成后，其上端留出200 mm左右的長度，下端鍵頭應(yīng)割至與磁極鐵心底面平齊。7．2．3轉(zhuǎn)子吊出檢修后應(yīng)達(dá)到以下要求：磁極鍵和磁軛鍵無松動(dòng)，點(diǎn)焊無開裂。C修的轉(zhuǎn)子檢修項(xiàng)目：轉(zhuǎn)子機(jī)械部分清掃、檢查、消缺(含緊固件、銷釘、焊縫及風(fēng)扇等部件)。

B修的轉(zhuǎn)子檢修標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目：轉(zhuǎn)子磁軛鍵、磁軛卡鍵檢查、處理；磁極固定件檢查、處理；特殊項(xiàng)目磁軛鍵修復(fù)。A修的轉(zhuǎn)子檢修標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目：轉(zhuǎn)子圓度及磁極標(biāo)高測定、調(diào)整；特殊項(xiàng)目磁軛重疊。

4 解決問題

由于發(fā)電機(jī)磁極鐵心T尾部位存在不同程度的裂紋，從已經(jīng)拆出的磁極發(fā)現(xiàn)磁極鐵心都有10層以上沖片存在裂紋問題，機(jī)組運(yùn)行存在安全隱患。所以，磁極鐵心必須全部更換，以徹底解決磁極鐵心存在的裂紋問題。

可以保留原機(jī)磁極線圈，更換所有極身絕緣和絕緣托板。原機(jī)磁極需返廠，拆卸磁極線圈，并檢查磁極線圈狀態(tài)，看是否存在開匝或絕緣損傷情況，檢查磁極線圈引出線是否有裂紋。如果存在問題，需對線圈進(jìn)行處理后才能使用。

磁極鐵心進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，增加磁極加強(qiáng)鍵，以增加磁極剛度，并優(yōu)化磁極受力較大點(diǎn)，提高材料強(qiáng)度等級。

由于發(fā)電機(jī)磁軛下端T尾部位存在不同程度的裂紋，機(jī)組運(yùn)行存在安全隱患，在2#機(jī)檢修過程中必須徹底處理進(jìn)行更換，以確保機(jī)組安全可靠運(yùn)行。轉(zhuǎn)子裝配時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照國標(biāo)GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》及電力標(biāo)準(zhǔn)的要求對質(zhì)量進(jìn)行可靠控制。

5 結(jié)論

福建某電站轉(zhuǎn)子磁軛和磁極沖片發(fā)生斷裂的主要原因是轉(zhuǎn)子磁軛裝配質(zhì)量不佳、磁軛副鍵松動(dòng)、磁極鍵不緊造成的。情況與巴基斯坦某電站4#機(jī)甩負(fù)荷后振擺不能恢復(fù)[3]和廣東某抽蓄電站轉(zhuǎn)子相位不穩(wěn)[4]類似。轉(zhuǎn)子裝配的安裝質(zhì)量直接影響到機(jī)組的實(shí)際生命周期。

本文通過對福建某電站2#機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛和磁極沖片斷裂問題的處理，對原因進(jìn)行分析，并提出解決方案。轉(zhuǎn)子的裝配與機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行密切相關(guān)。對其它常規(guī)高轉(zhuǎn)速電站及抽蓄電站轉(zhuǎn)子裝配的安裝與檢修工作，具有一定的參考和借鑒作用。