運行工況下葉片葉片水輪發(fā)電機組活塞桿斷裂分析

運行工況下葉片葉片水輪發(fā)電機組活塞桿斷裂分析

進水口水庫位于福建省晉江市的運河上。這是中國“七五”計劃的主要建設項目。有7臺發(fā)動機，配備200噸軸轉速度的發(fā)電系統(tǒng)。這是世界上最大的發(fā)動機斗式應急機器，具有最大的蓮軸旋轉速度，靠近世界標準。其他五臺機組由14個國家和國內外制造商聯(lián)合供應。哈爾濱電機廠是唯一一家獨自供應的電氣表演機廠。1993年8月，最初的一臺機組與電網(wǎng)相連。1活塞桿斷裂改造水口水電站水輪機轉輪(圖1)直徑8m、葉片數(shù)6個、輪轂比為0.5,1、2號水輪機轉輪由日立制作所設計制造、3至7號機轉輪由哈爾濱電機廠采用聯(lián)合設計方案制造,機組運行至2000年時,6號水輪機轉輪活塞桿發(fā)生斷裂,經(jīng)過對斷裂面詳細分析和有限元計算分析,活塞桿發(fā)生斷裂是疲勞破壞,產(chǎn)生的原因為制造精度不夠導致活塞桿受力不均從而產(chǎn)生疲勞破壞,改造方案把原來操作架與活塞桿的大螺栓固定方式改為卡環(huán)固定方式以期解決制造精度不夠帶來的疲勞破壞問題,改造后6號水輪機運行至2008年再次發(fā)生活塞桿斷裂事故。2改造方案2.1疲勞分析計算水口水輪機轉輪活塞桿和操作架的連接原始設計方案為大螺母連接方式,6號機1995年投入運行后在2000年發(fā)生了活塞桿斷裂事故,經(jīng)過對斷裂面和化學成份的詳細分析,活塞桿發(fā)生斷裂是疲勞破壞,經(jīng)過有限元分析計算:(1)在實際操作油壓p0=2.8MPa工況下,結構最大應力為103MPa,滿足強度條件。(2)在最大操作油壓4.0MPa工況下,結構最大應力為148MPa,滿足強度條件。(3)疲勞計算按實際操作油壓工況計算,疲勞安全系數(shù)為1.1,小于許用安全系數(shù)1.3~1.5,設計安全余量較小。結論:疲勞安全系數(shù)為1.1,疲勞強度安全裕度不夠,大螺母連接結構無法滿足機組長期安全運行的要求,需要優(yōu)化設計以滿足使用要求。2.2卡環(huán)連接方案符合實際操作油壓總疲勞性能由于大螺母連接方案的疲勞安全系數(shù)為1.1,小于許用安全系數(shù),設計安全余量較小,導致6號機運行5年活塞桿發(fā)生斷裂事故,為提高活塞桿的疲勞強度經(jīng)過方案對比采用了卡環(huán)連接結構,其強度分析結果如下:(1)在實際操作油壓2.8MPa工況下,結構最大應力為94MPa,滿足強度條件。(2)在最大操作油壓4.0MPa工況下,結構最大應力為135MPa,滿足強度條件。(3)疲勞計算按實際操作油壓工況計算,疲勞安全系數(shù)為1.4,有一定的安全余量?？ōh(huán)連接方案于2001年投入使用7年后于2008年再次發(fā)生了活塞桿斷裂事故,經(jīng)過對斷裂面和化學成份的詳細分析,活塞桿發(fā)生斷裂還是疲勞破壞。結論:疲勞安全系數(shù)為1.4,疲勞強度安全裕度還不足以滿足水口機組長期安全運行的要求,需要進行顛覆性的優(yōu)化設計,徹底摒棄原設計方案的束縛,進行創(chuàng)新設計以滿足使用要求。2.3活塞桿斷裂問題的解決方法根據(jù)6號水輪機轉輪活塞桿兩次發(fā)生斷裂的分析,提高活塞桿抗疲勞強度是解決活塞桿斷裂問題的唯一途徑,改造在活塞桿材料和連接結構兩方面采取措施。(1)法蘭連接結構改造提高疲勞強度的有效途徑之一就是提高結構件的機械強度,采用綜合性能優(yōu)良的高強度等級的材料,水口機組原設計方案活塞盤和活塞桿為一體結構,其中活塞盤采用20SiMn鑄造,活塞桿采用20SiMn鍛造,然后把活塞盤和活塞桿焊接成一體,為了采用優(yōu)良的高強度等級的材料,改造方案把活塞盤和活塞桿改為法蘭連接結構,其中活塞盤采用20SiMn鑄造(采用原活塞盤加工掉活塞桿,再加工出連接法蘭和連接螺栓孔),活塞桿采用35CrMo鍛造(帶連接法蘭),然后用連接螺栓把合成整體。鍛鋼35CrMo機械強度比鍛鋼20SiMn機械強度高一個等級,綜合性能與鍛鋼20SiMn相當,因此活塞桿的疲勞強度有一定提升。(2)最大操作油壓a工況(1)在實際操作油壓2.8MPa工況下,結構最大應力為164MPa,滿足強度條件。(2)在最大操作油壓4.0MPa工況下,結構最大應力為177MPa,滿足強度條件。(3)疲勞計算按實際操作油壓工況計算,疲勞安全系數(shù)為2.4,具有足夠的安全余量。3哈電公司的超級螺釘巨型超級螺母連接方案于2008年在水口機組6號上安裝使用,超級螺母連接方案的研制,把疲勞設計方法應用于水電機組的設計中,提高了水電機組的設計水平,世界上最大的M580超級螺母的成功制造使哈電具備制造超級螺母的制造技術。哈電公司成功地開發(fā)研制出巨型超級螺母連接方案,此結構在大型水電機組上首次采用,水口機組采用的超級螺母螺紋尺寸達M580,是世界上最大的超級螺母,它在以下幾方面改善了轉輪活塞桿的抗疲勞能