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ZD661-LH-120水轮机组主轴断裂整
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
摘 要：朱家庄水电站ZD661-LH-120水轮机组主轴断裂后，在当地通过更换局部主轴，实现焊接再植，解决了焊接工艺、机加工工艺、加工精度、发电机与主轴整体加工同心度4个技术难题。主轴与转子整体修复，省去了工艺复杂的主轴与转子的拆卸安装工序，比运至厂家更换新轴，节约维修资金，减少工期，增加发电量。关键词：水轮机组；主轴断裂；主轴整体修复中图分类号：TK730.3+21 文献标识码：B山东省费县朱家庄水电站建于1980年，属引水灌溉结合发电。安装ZD661-LH-120型水轮机2台，TSL215/21-14型发电机2台，单机容量800 kW，总装机0.16万kW，设计年发电量320kwh。水轮机与发电机直联，电站并网运行。2002年3月15日，1号发电机组在运行状态处于750kW出力时，因线路故障突然甩负荷，此时机组调速系统失灵，导水叶紧急关闭无效，同时进水闸门关闭系统亦突发故障，致使水轮发电机组飞车超过20min。机组在飞逸转速下，水动力条件发生较大变化，加之水轮机气蚀较严重，其动平衡严重破坏，在飞逸转速下，机组发生剧烈摆动、振荡，造成发电机主轴在推力头环键部位上缘应力过于集中，将该部位剪断。机组事故停机，给电站造成了较大的直接经济损失。1 确定修复方案ZD661-LH-120型水轮发电机组是1965年设计定型的仿苏产品，主轴与发电机转子为热装配过紧配合，两者重量达5.5t。发电机转子直径2100mm，长度1600mm。事故发生后，经过分析论证，认为解决主轴断裂问题有2种方案：方案一：把带有发电机转子的主轴运到厂家更换新轴。如果将转子与主轴整体运至厂家，无论是在结构上还是在重量上都势必增加运输难度、运输费用和处理工期，而且厂家也需在更换主轴时拆卸发电机转子才能完成组合装配工序。更换需要费用15万元，工期至少2个月。此时正值春灌高峰，机组如不能尽快运转发电，水能白白浪费，将造成巨大的经济损失。方案二：在当地更换局部主轴，实现焊接再植。优点是运输距离短，修复速度快，费用少。但需解决相关的4个技术问题：一是焊接工艺问题；二是机加工工艺问题；三是加工精度问题；四是发电机与主轴整体加工同心度问题。发电机与主轴整体加工同心度问题是一项新课题，转子直径2100mm、长度1600mm，这样大的部件整体加工，意味着高工艺、高精度、高难度、高风险，不但在山东省没有先例，而且在全国也十分罕见。经过认真研究，充分论证，认为可以解决相关的技术问题，达到预期效果，最后确定采用方案二，即对主轴局部更换，就地修复。2 修复技术与加工工艺2.1确定主轴修复部位主轴断裂修复的关键是通过一定的技术先将主轴恢复原貌，然后通过加工工艺使主轴符合精度要求。而该轴断裂部位在发电机推力头环键处上缘，长度30mm，直径160mm，难以焊接。该部位是与推力头配合装配的部位，配合方式为静配合，加工精度要求很高，由于焊接点不易车削，其平面度、直线度也难以掌握，更重要的是焊接部位是水力机组的承重受力点，抗剪强度很难达到原轴标准，因此，该断裂处不能作为修复部位。确定解决的办法是从断裂部位开始向下取250mm处截断去掉，利用同型号同规格尺寸的同质材料，按一定的技术工艺焊接，加工至符合精度要求。选取该部位的优点是，该部位截面大，受力情况简单，主要承受轴向拉应力，而此处所承受的扭矩很小，剪应力也很小；焊接简单、易操作，修复完成后对原来的破坏部位没有任何影响。2.2 主轴焊接技术机组拆卸后，将带有转子的主轴整体运到机械厂，在距主轴上端(含断裂部分)250mm处截断弃掉，与转子连接的轴上端切成120°的倒“V”形锥体待接，将在市场上购置的长度250mm、直径等同于原轴直径的35号圆钢下端也切成120°角的“V”形锥体待接。将两者认真对接，并严格掌握同心度符合标准，用506焊条按国标工艺焊接成整体。焊接过程中按照由里向外的顺序，层层进行，焊接要均匀、密实，焊缝要连续，无假焊、漏焊、蜂窝焊等，并保证焊件在保持一定的温度下焊接，以确保焊接质量。焊缝要求达到一级标准，两轴要均匀地焊接为一体待加工。2.3 主轴整体加工工艺带有转子的主轴重量达5.5t，转子直径2100mm，两端各有80mm长轴。这么重的大直径物品，当地现有车床无法进行车削加工处理，而使用镗床加工则解决了这一问题。加工处理的顺序为：将带有转子的主轴处置于镗床的工作平台上，用夹板将转子固定于平台上，但不要过紧，以便于调整位置。主轴两端分别用可调型三角支架支撑待固定，将百分表(千分表亦可)置于镗床主轴上(放置刀具的轴)，以原轴上端面为基准面。用百分表从转子右端的主轴上端缓慢作纵向往复运动，根据百分表测量读数调整主轴两端高度，当百分表测量值小于等于0.1mm时，则主轴上下面即为水平面。用同样的方法校正主轴两侧面与镗床主轴平行，然后把转子夹板、三角支架固牢，调整镗床刀具对轴的车削深度至标准值，启动镗床开始工作。车削过程中，其工艺要严格掌握主轴同心度，其误差控制在±0.02mm。最后按工艺要求，车削出安装推力头环键部位，其长度30mm，直径160mm。3 安全可靠性分析核算该焊接部位位于发电机转子上方，推力头下方，此处主要承受发电机转动部分的重量和水推力，而且轴直径(180mm)大于安装推力头环键处的轴直径(160mm)，机组运转时该处主要荷载为发电机转子、转轮、轴及水推力等轴向负荷，扭矩很小，只要焊接可靠，机组运转就会安全可靠。焊接点所受的轴向力N为：N=转轮水推力+转轮重量+发电机转子重量+主轴重量水推力F为：式中：D为转轮直径；H为水头；y为水的密度；k为系数。查图纸设备部件重量为：转轮重量1t，主轴重量0.6t，发电机转子4.8t，则：N=14+1+4.8+0.6=200(kN)焊接部位最大拉应力Q为：Q=N/S′=200/0.0254 34=7.86(MPa)<225MPa式中：S′为主轴截面积。根据国标，35号圆钢和506焊条的抗拉强度：1，2级焊缝为265 MPa，3级焊缝为225MPa。规程规定，焊缝达到1，2级标准，不用验算。4 焊接探伤检测为确保焊接质量，对焊接部位进行了超声波探伤检测。结果表明：焊接接头质量符合2级要求，焊接合格。通过对主轴焊接部位的可靠性分析和焊接工艺检测、检查、计算，焊接强度符合国标要求，满足水轮机组自重和水压力的要求，安全有保障。5 运行试验该轴加工处理后投入运行，是否符合原轴技术要求，重要的一点是看其运行摆度是否小于允许值(0.3 mm)。为此，我们于2002年4月1日开始安装试验：第一步，按照正常的安装规程和标准，单独将发电机转子与主轴安装完毕，进行人工盘车，用人工旋转发电机主轴并用百分表测量摆度，发电机主轴靠背轮的双幅振摆值为0.07mm，小于厂家规定的0.08mm的允许值。第二步，将发电机主轴与水轮机主轴用螺丝紧固起来，开始进行人工总盘车，用同样的方法测量水轮机导轴承处的摆度，测量值为0.1mm，小于规定的0.3mm的允许值。第三步，按照正常的操作规程，启动水轮发电机组，空载运行1h，测其主轴摆度0.1 mm，然后带负荷20%、50%、75%、100%、125%分别在水轮机水导轴承处测其主轴摆度为0.10、0.12、0.14、0.15mm，最大摆度小于允许值，整机无振动，无摩擦现象，推力轴承、导轴承温度在允许值范围内。后投入运行发电至今已1.5年，各项指标均正常，说明该技术方案正确。6 效益分析主轴断裂后更换原厂家原型号主轴需要连同转子运至厂家，包括运输费在内每条轴需资金15万元。而在当地加工修复，每条轴实际费用仅为0.75万元(其中：材料费300元，加工费0.35万元，运输安装等费用0.37万元)，每条轴节约资金14.25万元。同时，由于节省了维修时间，提前发电，也增加了发电收入，降低了损失。该站1号发电机主轴断裂时间为2002年3月15日，春灌开始即发生事故，如更换原厂家原型号主轴，工期至少2个月。而在当地加工处理，工期10d，减少工期50d，即提前50d发电，每天发电1.2万kwh，共增加发电量60万kwh，按0.32元/kWh计算，可增加发电收入19.2万元。上述2项合计创经济效益33.15万元，效益非常可观。7 结 语该站ZD661-LH-120水轮机组主轴断裂整体修复技术方案，重点是掌握好主轴焊接及车削过程中的同心度、直线度、表面粗糙率。使用镗床车削，解决了大直径笨重物品在当地五条件使用车床车削的问题。该方案投资少、工期短、简便易行、技术可靠，是解决电站发电机主轴及水轮机主轴断裂问题的有效途径。上一篇：滚动轴承词汇
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