运行工况下叶片叶片水轮发电机组活塞杆断裂分析

运行工况下叶片叶片水轮发电机组活塞杆断裂分析

进水口水库位于福建省晋江市的运河上。这是中国“七五”计划的主要建设项目。有7台发动机，配备200吨轴转速度的发电系统。这是世界上最大的发动机斗式应急机器，具有最大的莲轴旋转速度，靠近世界标准。其他五台机组由14个国家和国内外制造商联合供应。哈尔滨电机厂是唯一一家独自供应的电气表演机厂。1993年8月，最初的一台机组与电网相连。1活塞杆断裂改造水口水电站水轮机转轮(图1)直径8m、叶片数6个、轮毂比为0.5,1、2号水轮机转轮由日立制作所设计制造、3至7号机转轮由哈尔滨电机厂采用联合设计方案制造,机组运行至2000年时,6号水轮机转轮活塞杆发生断裂,经过对断裂面详细分析和有限元计算分析,活塞杆发生断裂是疲劳破坏,产生的原因为制造精度不够导致活塞杆受力不均从而产生疲劳破坏,改造方案把原来操作架与活塞杆的大螺栓固定方式改为卡环固定方式以期解决制造精度不够带来的疲劳破坏问题,改造后6号水轮机运行至2008年再次发生活塞杆断裂事故。2改造方案2.1疲劳分析计算水口水轮机转轮活塞杆和操作架的连接原始设计方案为大螺母连接方式,6号机1995年投入运行后在2000年发生了活塞杆断裂事故,经过对断裂面和化学成份的详细分析,活塞杆发生断裂是疲劳破坏,经过有限元分析计算:(1)在实际操作油压p0=2.8MPa工况下,结构最大应力为103MPa,满足强度条件。(2)在最大操作油压4.0MPa工况下,结构最大应力为148MPa,满足强度条件。(3)疲劳计算按实际操作油压工况计算,疲劳安全系数为1.1,小于许用安全系数1.3~1.5,设计安全余量较小。结论:疲劳安全系数为1.1,疲劳强度安全裕度不够,大螺母连接结构无法满足机组长期安全运行的要求,需要优化设计以满足使用要求。2.2卡环连接方案符合实际操作油压总疲劳性能由于大螺母连接方案的疲劳安全系数为1.1,小于许用安全系数,设计安全余量较小,导致6号机运行5年活塞杆发生断裂事故,为提高活塞杆的疲劳强度经过方案对比采用了卡环连接结构,其强度分析结果如下:(1)在实际操作油压2.8MPa工况下,结构最大应力为94MPa,满足强度条件。(2)在最大操作油压4.0MPa工况下,结构最大应力为135MPa,满足强度条件。(3)疲劳计算按实际操作油压工况计算,疲劳安全系数为1.4,有一定的安全余量。卡环连接方案于2001年投入使用7年后于2008年再次发生了活塞杆断裂事故,经过对断裂面和化学成份的详细分析,活塞杆发生断裂还是疲劳破坏。结论:疲劳安全系数为1.4,疲劳强度安全裕度还不足以满足水口机组长期安全运行的要求,需要进行颠覆性的优化设计,彻底摒弃原设计方案的束缚,进行创新设计以满足使用要求。2.3活塞杆断裂问题的解决方法根据6号水轮机转轮活塞杆两次发生断裂的分析,提高活塞杆抗疲劳强度是解决活塞杆断裂问题的唯一途径,改造在活塞杆材料和连接结构两方面采取措施。(1)法兰连接结构改造提高疲劳强度的有效途径之一就是提高结构件的机械强度,采用综合性能优良的高强度等级的材料,水口机组原设计方案活塞盘和活塞杆为一体结构,其中活塞盘采用20SiMn铸造,活塞杆采用20SiMn锻造,然后把活塞盘和活塞杆焊接成一体,为了采用优良的高强度等级的材料,改造方案把活塞盘和活塞杆改为法兰连接结构,其中活塞盘采用20SiMn铸造(采用原活塞盘加工掉活塞杆,再加工出连接法兰和连接螺栓孔),活塞杆采用35CrMo锻造(带连接法兰),然后用连接螺栓把合成整体。锻钢35CrMo机械强度比锻钢20SiMn机械强度高一个等级,综合性能与锻钢20SiMn相当,因此活塞杆的疲劳强度有一定提升。(2)最大操作油压a工况(1)在实际操作油压2.8MPa工况下,结构最大应力为164MPa,满足强度条件。(2)在最大操作油压4.0MPa工况下,结构最大应力为177MPa,满足强度条件。(3)疲劳计算按实际操作油压工况计算,疲劳安全系数为2.4,具有足够的安全余量。3哈电公司的超级螺钉巨型超级螺母连接方案于2008年在水口机组6号上安装使用,超级螺母连接方案的研制,把疲劳设计方法应用于水电机组的设计中,提高了水电机组的设计水平,世界上最大的M580超级螺母的成功制造使哈电具备制造超级螺母的制造技术。哈电公司成功地开发研制出巨型超级螺母连接方案,此结构在大型水电机组上首次采用,水口机组采用的超级螺母螺纹尺寸达M580,是世界上最大的超级螺母,它在以下几方面改善了转轮活塞杆的抗疲劳能