发电机轴颈缺陷对运行的影响分析

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

发电机为QFSN2-200-2水氢氢200 MW 汽轮发电机。1997年4月19日，哈尔滨电机有限责任公司在转子精加工时，将发电机转子汽侧轴颈误切了深4.5 mm、宽18 mm的环形缺陷，见图1。该缺陷对发电机运行的影响是多方面的，经过计算和多方论证，最终按次品回用安装在电厂，自1998年10月17日首次并网，运行至今。?1、转子回用方案该转子的缺陷致使其成为不合格品，或称为次品。根据哈电机企业标准中“不合格项目在不影响产品性能及安全使用的情况下，经采取措施和一定审批手续，允许回用”的条文，经过次品回用的方案计算、论证，可以回用。回用的轴颈修改方案是，将汽端密封瓦处的轴颈由原设计的φ420mm加工为φ411mm，修配区轴向长145mm,见图2，并配制了相应的密封瓦。制造厂出具了有受约条件的保证使用期承诺文件。2、对密封瓦的影响该缺陷位于密封瓦部位，距密封瓦边缘约62 mm。密封瓦按φ411mm轴颈配做，瓦的外缘至轴颈修配区的台肩相距10mm,汽?发联轴器处转子向励磁端的热膨胀量为7 mm，膨胀后不干扰密封瓦。实际运行中未发生密封瓦漏油和异常膨胀现象，2000年5月机组首次大修时，对密封瓦进行了仔细检查，也未发现异常现象。3、对临界转速的影响美国西屋公司标准要求汽轮发电机轴系的各阶临界转速应按±10%避开额定运行转速。国内于1994年由上海电站成套设计研究所牵头制定了汽轮发电机轴系临界转速和稳定性标准，标准规定轴系的各阶临界转速应按±10%避开额定运行转速。轴系临界转速对比见表1。?计算时使用的轴承座刚度和油膜刚度与以前计算时使用的数据相同。从表1可以看到，修改后一阶临界转速计算值比原设计减小0.3 r/min，实际值偏高于原设计值。二阶临界转速计算值比设计减小9 r/min，实际值未测，原因是超速保护定值比临界转速值低，未冒险进行测试。但轴系在3 240 r/min时，#6、#7轴承出现了振峰值，在2 850～3 100 r/min区间，存在振动敏感区。?4、对静挠度的影响计算方法和程序同3。原设计静挠度0.668 0mm，修改后为0.668 7 mm，增加了0.000 7 mm。?5、对轴系扭转振动固有频率的影响哈尔滨大电机研究所使用西屋公司计算机程序PH0975对轴系扭转振动固有频率进行计算，对转子模型化处理采用的也是西屋公司方法。轴系扭振固有频率对比见表2。从计算数据看，各阶扭振频率的变化不超过1 Hz。西屋公司标准规定，对于50 Hz的汽轮发电机组，轴系各阶扭振固有频率不能位于93～108 Hz之间。6、对轴颈扭剪应力的影响发电机并网运行中，各种非正常的运行工况都将使轴系发生扭转振动并引起较大的扭转剪应力。机端单相短路、两相短路、三相短路以及不同相角差下的非同期并列，轴颈承受的机械扭矩是不一样的。短路故障和非同期并列是2类不同的电机瞬变现象，应分别进行分析。需要说明的是，机械扭矩是由发电机运行方式决定的，与轴的直径无关，只是在计算转轴的剪应力时，才涉及到轴的直径，轴颈越细，所受的剪应力越大。该型发电机设计计算时，转子材料的拉伸屈服极限为539 MPa,剪切屈服极限为311 MPa。该发电机转子材料的金属试样实际拉伸屈服极限为610 MPa,剪切屈服极限为352 MPa,均比原设计值提高了13%。计算时，把金属试样的力学性能值作为转子的实际力学性能值，前提是转子材料的金属试样能够代表转子轴颈处的实际值。根据制造厂的说明，试棒取样位置执行了JB/T 1267-1993《50～200 MW汽轮发电机转子锻件技术条件》的有关规定，具体情况如下：a. 径向试样。在与轴线平行且圆周上相隔180°的2条基线上，沿径向共套φ30mm、深140　mm料棒4根。每条基线上取2个样，取样位置离轴身最短距离为1 500 mm。b. 纵向试样。在锻件两端、壁厚1/2处取样，拉力试样与冲击试样各2个。c. 切向试样。在轴身两端、离轴身表面1/3半径处切取。锻件承制厂在钢锭上端切环，电机厂在另一端切环。?d. 中心孔试样。在相当于轴身两端与中部的芯棒上各取1个拉力试样。6.1发电机短路时的扭剪应力?6.1.1并网运行机端单相短路机端单相短路扭剪应力计算结果见表3。?6.1.2并网运行机端两相短路各种机端短路故障中，一般规律是两相短路产生的扭矩最大［1］。计算结果见表4。?由表4可知，两相短路状态下，轴颈的扭转剪应力比原设计增加了6.5% ，由于轴材料的剪切屈服极限高于设计值，为352 MPa，因此实际安全系数为1.386，不低于设计值1.30，满足发电机安全性要求。6.1.3并网运行机端三相短路机端三相短路扭剪计算值见表5。 三相短路时，原设计的安全系数为1.42，车细轴颈后实际为1.51。6.2不同角差非同期并列根据河北省电力公司提供的邯郸200 MW发电机组外电网模型，哈尔滨电机有限责任公司用国际通用软件ATP计算了各种非同期合闸情况下作用在该发电机轴上的机械扭矩，并分别计算了直径420 mm及411 mm时，发电机汽端密封瓦处轴的扭转剪应力和安全系数，结果见表6。?从计算结果看，轴上最大机械扭矩和扭转剪应力发生在120°非同期合闸工况下，此时，扭转剪应力的安全系数略大于1。由于计算时对电网和发电机均进行了简化，考虑到模型简化可能引起误差，因此，若发生110°～130°的非同期并列，轴颈将受到较大损伤。?7、汽端联轴器与汽端轴颈的抗剪切能力对比汽轮机低压转子与发电机转子之间的联轴器上共有12个螺栓，螺栓直径为60 mm,起传递扭矩的作用。螺栓材料是35CrMoA,剪切屈服极限为392 MPa，由于联轴器螺栓本身的直径远小于其节圆直径，因此剪应力沿其断面分布较均匀，螺栓全面屈服所需扭矩为4.93 GN?mm。发电机转子材料为26Cr2Ni4MoV,剪切屈服极限为352 MPa。对于转轴，其扭转剪应力沿半径方向呈线性分布，直径411 mm的轴颈全面屈服所需的扭矩为6.24 GN?mm。比较上述数据，联轴器螺栓的抗剪切能力小于发电机轴的抗剪切能力。因此，在极端故障状态下，联轴器螺栓将首先破坏。 ?8、结论a. 该发电机的轴颈制造缺陷对发电机的正常运行几乎无影响，但是密封瓦为非通用部件。b. 轴颈修改后，降低了承受非正常运行方式扭转剪应力的能力，只是由于转子材料机械性能比原设计值高，才使发电机的轴系扭振、疲劳等方面的性能不比原设计差。c. 防止非同期并列和油系统故障造成烧瓦尤为重要。d. 轴系3 000 r/min附近存在的振动敏感区是该机组的隐患，是否与非标密封瓦和修改轴颈有关，有待进一步研究。