運(yùn)行工況下葉片葉片水輪發(fā)電機(jī)組活塞桿斷裂分析

運(yùn)行工況下葉片葉片水輪發(fā)電機(jī)組活塞桿斷裂分析

進(jìn)水口水庫(kù)位于福建省晉江市的運(yùn)河上。這是中國(guó)“七五”計(jì)劃的主要建設(shè)項(xiàng)目。有7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，配備200噸軸轉(zhuǎn)速度的發(fā)電系統(tǒng)。這是世界上最大的發(fā)動(dòng)機(jī)斗式應(yīng)急機(jī)器，具有最大的蓮軸旋轉(zhuǎn)速度，靠近世界標(biāo)準(zhǔn)。其他五臺(tái)機(jī)組由14個(gè)國(guó)家和國(guó)內(nèi)外制造商聯(lián)合供應(yīng)。哈爾濱電機(jī)廠是唯一一家獨(dú)自供應(yīng)的電氣表演機(jī)廠。1993年8月，最初的一臺(tái)機(jī)組與電網(wǎng)相連。1活塞桿斷裂改造水口水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(圖1)直徑8m、葉片數(shù)6個(gè)、輪轂比為0.5,1、2號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由日立制作所設(shè)計(jì)制造、3至7號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪由哈爾濱電機(jī)廠采用聯(lián)合設(shè)計(jì)方案制造,機(jī)組運(yùn)行至2000年時(shí),6號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪活塞桿發(fā)生斷裂,經(jīng)過(guò)對(duì)斷裂面詳細(xì)分析和有限元計(jì)算分析,活塞桿發(fā)生斷裂是疲勞破壞,產(chǎn)生的原因?yàn)橹圃炀炔粔驅(qū)е禄钊麠U受力不均從而產(chǎn)生疲勞破壞,改造方案把原來(lái)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(lái)的疲勞破壞問(wèn)題,改造后6號(hào)水輪機(jī)運(yùn)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(jì)算水口水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪活塞桿和操作架的連接原始設(shè)計(jì)方案為大螺母連接方式,6號(hào)機(jī)1995年投入運(yùn)行后在2000年發(fā)生了活塞桿斷裂事故,經(jīng)過(guò)對(duì)斷裂面和化學(xué)成份的詳細(xì)分析,活塞桿發(fā)生斷裂是疲勞破壞,經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算:(1)在實(shí)際操作油壓p0=2.8MPa工況下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為103MPa,滿足強(qiáng)度條件。(2)在最大操作油壓4.0MPa工況下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為148MPa,滿足強(qiáng)度條件。(3)疲勞計(jì)算按實(shí)際操作油壓工況計(jì)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(shè)計(jì)安全余量較小。結(jié)論:疲勞安全系數(shù)為1.1,疲勞強(qiáng)度安全裕度不夠,大螺母連接結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求,需要優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足使用要求。2.2卡環(huán)連接方案符合實(shí)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(shè)計(jì)安全余量較小,導(dǎo)致6號(hào)機(jī)運(yùn)行5年活塞桿發(fā)生斷裂事故,為提高活塞桿的疲勞強(qiáng)度經(jīng)過(guò)方案對(duì)比采用了卡環(huán)連接結(jié)構(gòu),其強(qiáng)度分析結(jié)果如下:(1)在實(shí)際操作油壓2.8MPa工況下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為94MPa,滿足強(qiáng)度條件。(2)在最大操作油壓4.0MPa工況下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為135MPa,滿足強(qiáng)度條件。(3)疲勞計(jì)算按實(shí)際操作油壓工況計(jì)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(guò)對(duì)斷裂面和化學(xué)成份的詳細(xì)分析,活塞桿發(fā)生斷裂還是疲勞破壞。結(jié)論:疲勞安全系數(shù)為1.4,疲勞強(qiáng)度安全裕度還不足以滿足水口機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求,需要進(jìn)行顛覆性的優(yōu)化設(shè)計(jì),徹底摒棄原設(shè)計(jì)方案的束縛,進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)以滿足使用要求。2.3活塞桿斷裂問(wèn)題的解決方法根據(jù)6號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪活塞桿兩次發(fā)生斷裂的分析,提高活塞桿抗疲勞強(qiáng)度是解決活塞桿斷裂問(wèn)題的唯一途徑,改造在活塞桿材料和連接結(jié)構(gòu)兩方面采取措施。(1)法蘭連接結(jié)構(gòu)改造提高疲勞強(qiáng)度的有效途徑之一就是提高結(jié)構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度,采用綜合性能優(yōu)良的高強(qiáng)度等級(jí)的材料,水口機(jī)組原設(shè)計(jì)方案活塞盤(pán)和活塞桿為一體結(jié)構(gòu),其中活塞盤(pán)采用20SiMn鑄造,活塞桿采用20SiMn鍛造,然后把活塞盤(pán)和活塞桿焊接成一體,為了采用優(yōu)良的高強(qiáng)度等級(jí)的材料,改造方案把活塞盤(pán)和活塞桿改為法蘭連接結(jié)構(gòu),其中活塞盤(pán)采用20SiMn鑄造(采用原活塞盤(pán)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(jī)械強(qiáng)度比鍛鋼20SiMn機(jī)械強(qiáng)度高一個(gè)等級(jí),綜合性能與鍛鋼20SiMn相當(dāng),因此活塞桿的疲勞強(qiáng)度有一定提升。(2)最大操作油壓a工況(1)在實(shí)際操作油壓2.8MPa工況下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為164MPa,滿足強(qiáng)度條件。(2)在最大操作油壓4.0MPa工況下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為177MPa,滿足強(qiáng)度條件。(3)疲勞計(jì)算按實(shí)際操作油壓工況計(jì)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(jí)螺釘巨型超級(jí)螺母連接方案于2008年在水口機(jī)組6號(hào)上安裝使用,超級(jí)螺母連接方案的研制,把疲勞設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于水電機(jī)組的設(shè)計(jì)中,提高了水電機(jī)組的設(shè)計(jì)水平,世界上最大的M580超級(jí)螺母的成功制造使哈電具備制造超級(jí)螺母的制造技術(shù)。哈電公司成功地開(kāi)發(fā)研制出巨型超級(jí)螺母連接方案,此結(jié)構(gòu)在大型水電機(jī)組上首次采用,水口機(jī)組采用的超級(jí)螺母螺紋尺寸達(dá)M580,是世界上最大的超級(jí)螺母,它在以下幾方面改善了轉(zhuǎn)輪活塞桿的抗疲勞能