摘要：以某厂水轮发电机为例，首先介绍转子中心体内侧筋板裂纹发展的过程，然后利用有限元建模分析起吊工况、额定工况和不同筋板结构的转子中心体应力分布，最后采用应力分布最优方案对裂纹筋板进行加强处理。处理后转子中心体内侧筋板再未出现裂纹，成功解决了转子中心体内侧筋板开裂的问题。
关键词：水轮发电机；转子中心体；内侧筋板；裂纹
1 概况
某厂由于未正常蓄水机组在死水位运行，一台200MW半伞式水轮发电机以额定转速带118MW负荷运行时，上机架振动达117μm报警。停机检查发现转子中心体内均布6块筋板中1号筋板（俯视逆时针，以励磁引线安装筋板为1号）上端部焊缝母材开裂，裂纹长730mm。
电厂对1号筋板裂纹进行了修复，同时将1号和4号筋板进行了加强处理。运行约两个月后，发现1号和4号筋板加强板与原筋板R角位置检查再次发现裂纹，如图1所示。由于汛期不便于检修，经电厂和发电机厂家研究采取临时打止裂孔的方式防止裂纹扩展。该机组转子中心体筋板出现裂纹后，上导、水导、推力轴承振摆值明显增大且严重超标。
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图1 筋板加强后出现的裂纹
2 原因分析
首先对1号筋板材质、母材硬度进行了检测，结果满足设计要求；然后对筋板母材进行UT和PT探伤未发现缺陷，再对转子中心体筋板进行变转速、变励磁和变负荷的动态应力测试结果正常；最后对转子支架和下机架进行了轴向振动频响函数测试各项指标正常。为了进一步分析筋板裂纹产生的根本原因，电厂将转子中心体建模，利用有限元分析起吊工况、额定工况和不同筋板结构三种情况各部位受力情况。
2.1 起吊工况
利用ANSYS软件的智能尺寸网格划分功能进行网格划分，建立转子中心体计算模型[1]。圆盘起吊受力分析，如图2所示。
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图2 圆盘起吊应力分布
起吊工况圆盘焊缝位置最大综合应力为105MPa，中心体筋板最大综合应力为256MPa；转子中心体材料为Q345,起吊工况上、下圆盘各部位最大应力均满足设计要求。
2.2 额定运行工况
转子中心体在运行过程中承受电磁力、重力和离心力作用，这些载荷主要由转子中心体支臂承担，传递到中心体筋板的载荷很小，其应力水平较低[2]。额定工况中心体筋板应力分布，如图3所示。
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图3 额定工况中心体筋板应力分布
额定运行工况转子中心体最大综合应力为169MPa,中心体筋板最大综合应力为126MPa,转子中心体材料为Q345,额定运行工况转子中心体各部位最大应力均满足设计要求。
2.3 不同筋板结构
该机组转子中心体内侧筋板中1号和4号两个筋板没有吊装板为短筋板，其余四个筋板有吊装板为长筋板。其中上导摆度数值偏大，初步怀疑上导径向力通过顶轴对转子中心体圆盘产生附加弯曲，使中心体筋板承受交变载荷，导致筋板强度不够出现疲劳裂纹。
下面就转子中心体内侧筋板分全部为短筋板，如图4所示；两个长筋板和四个短筋板如图5所示；全部为长筋板，如图6所示三种情况进行分析。
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图5 两个长筋板和四个短筋板 图6 全部为长筋板
转子中心体内侧筋板全部为短筋板时开裂位置最大应力为46MPa，两个长筋板和四个短筋板时开裂位置最大应力为20.5MPa,全部为长筋板时开裂位置最大应力为7MPa。三种不同筋板结构都满足强度设计要求，其中全部为长筋板时开裂位置应力最小、应力分布最优，处理方案中将1号和4号筋板进行加强处理。
三种不同工况下，转子各部位的最大应力值均满足设计要求。转子中心体内侧筋板裂纹产生的原因可能为：
（1）水库未正常蓄水，机组在死水位下偏离最优工况运行处于强振区，引起机组振摆值超标[3]。
（2）机组上导摆度超标后，上导产生较大的径向力附加弯矩，机组在运行时转子中心体上圆盘产生交变应力，导致筋板母材初始开裂[4]。
（3）1号筋板母材初始开裂修复后，筋板端部又出现了裂纹。可能是由于上、下圆盘的刚度偏大，而筋板的刚度小，导致焊接时上下圆盘的拘束状态过强。1号筋板修复后裂纹轴向收缩受限，焊缝内部应力过大导致裂纹产生。
（4）1号和4号筋板加强后，加强板与原筋板R角位置出现裂纹，可能是由于连接部位过度不平滑导致应力集中。同时焊接工艺可能存在不足，转子中心体上端面发生热应力变形[5]。
3 筋板加强处理
转子中心体筋板裂纹处理经历了首次加强和二次加强两个过程。首次筋板加强是在原筋板上延伸一块加强板，如图7所示。二次加强是在原筋板与首次加强筋板上补焊一块加强板，如图8所示。每次处理时清理补焊区域及其20mm范围内的杂物。加强板与筋板、上圆盘间隙均匀且控制“贴合越严密越好”，必要时通过打磨进行调整，错口不大于1.5mm,垂直度不大于1mm，合格后搭焊固定。首先对加强板立焊缝进行竖向上焊接，每次焊一道；然后转至对面进行立焊，1号和4号加强板两面焊缝对称交替焊接。焊接完成24小时后，对端部焊缝进行打磨圆滑过渡，对所有焊缝进行PT探伤。
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图7 筋板首次加强 图8 筋板二次加强
该机组转子中心体内侧1号和4号筋板裂纹修复和筋板二次加强后，转子中心体再没有出现裂纹，证明裂纹修复方法和筋板加强方法比较有效。
4 结论
通过对转子建模利用有限元分析不同工况和不同筋板结构情况下转子应力分布，最后采用应力分布最优方案对裂纹筋板进行二次加强处理。处理后转子中心体内侧筋板再未出现裂纹，成功解决了转子中心体内侧筋板开裂的问题。
参考文献
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[2]张学玲,唐毅,满佳.基于有限元分析的发电机转子支架结构优化设计[J].工艺与装备,2019(12):103-106.
[3]马云勇.水轮发电机组振动区特性分析[J].贵州电力技术,2013,16(10):61-63.
[4]何庆庆,罗永要,王正伟.水轮发电机转子疲劳寿命预测分析[J].水力发电学报,2010,29(6):223-228.
[5]任维佳,吴爱萍,赵海燕,邹贵生.大型电机转子焊接残余应力的数值分析[J].焊接学报,2002,23(2)：92-96.
作者简介：王健（1986—），男，湖北省咸宁市人，工程师，硕士研究生，从事水电站机械设备维护与管理方面的工作。