大型汽輪發電機轉子新結構的開發

2019-02-27 15:40 來源:《電力設備市場》雜志 打印 掃碼手機看

  張 悅

  (發電設備國家工程研究中心 哈爾濱電機廠有限責任公司, 150040 , 哈爾濱)

  [摘要] : 大型汽輪發電機轉子鍛件已經重達500  t以上,世界上能夠供貨的廠家很少。為了解決這個瓶頸問題,開發了由幾個小型鍛件組焊為整體轉子的新結構工藝。為了實現質量保證,在試驗驗證、無損檢測、模型研究和真機制造等方面,都采取了優化措施。本文介紹了開發經驗。

  [關鍵詞] : 透平發電機;轉子 ;焊接

  The structure of the welding of large turbine generator rotor process  characteristics

  Peng Ling yun

  (Harbin electric co., LTD., 150040, Harbin)

  [abstract] : the large turbine generator rotor forgings have weighed more  than 500 t, very few factory can supply in the world. To solve the bottleneck  problem, developed by several small forging compound for the whole process of  rotor structure. Although the turbine rotor using this method for many years,  but the generator, it must bear the electric, magnetic, and the effect of  hydrogen. In order to achieve the quality assurance, in the test, nondestructive  testing, model research and real machine manufacturing, etc., the optimization  measures. This paper introduces the development experience of 3 years.

  [key words] : turbine generator; The rotor; welding

  當今世界的大型汽輪發電機轉子直徑已經達到1.3 m , 重達100 t ( 2極, 3000 r /min時 ) ; 或2.0 m ,重達 275 t  ( 4極, 1500 r/min時 ) 。對于不斷增加需求的核電站4極 轉子來說,需要重達500  t以上的鍛件毛胚來制作,然而世界上僅有少數幾個廠家能夠提供這種鍛件,從而導致訂貨和交貨的拖延期限。這個問題已經成為發展的瓶頸。

  雖然大型汽輪機或燃氣輪機的轉子多年以前早已實現焊接式結構 ,而且發電機采用焊接式轉子的設計理念就是來源于透平機,但是透平發電機(  多年以前,國際電工委員會IEC已經規定: 將汽輪機或燃氣輪機驅動的發電機統一稱為“透平發電機”  )轉子的焊接,在尺寸、重量、焊縫深度和電磁性能等方面卻有不同的要求:比如鍛件的良好可焊性和磁性能,

  1----由封環; 2---軸封套; 3---葉輪之間對接面; 4---動葉柵; 5---葉輪; 6---平衡槽

  圖 1 汽輪機轉子結構示意圖

  進行焊接試驗,測定關鍵參數,焊接材料的導電性,焊縫的磁性能、力學性能、裂紋擴展和熱處理,焊縫下面(用于儲存、緩解和緩慢疏散焊藥保護氣體的)空腔的設計,最深焊縫時施工工藝的可接近性、可操作性和安全性,焊縫的無損檢測等等,因此,直到最近幾年才實現工業和商業應用。

  在發電設備領域,采用焊接結構工藝來取代鑄造工藝先例早已有之,比如水輪機的轉輪,早期采用鑄造工藝, 后來改用“ 鑄-焊 ”(  轉輪的3組零部件:上冠、葉片和下環都是鑄件,是通過焊接工藝將它們組裝成為整體轉輪 ),或 “ 鑄-鍛-焊 ” ( 上冠和下環都是鑄件,  而葉片為鍛件,采用焊接工藝 ),直到現在,為了保證運行可靠性和壽命,已經取消了鑄件,全部零部件都是鍛件,最后組焊成為整體轉輪(比如三峽水電站)。

圖  2 發電機轉子結構示意圖

  1 工藝流程

  發電機焊接式轉子制造工藝流程如下[1](它與透平機采用的焊接式轉子基本上相同):

  1.1 鍛件進貨驗收;

  1.2 單件加工;

  1.3 裝焊 ;

  它包括以下幾道工序: (1)在轉子垂直狀態下疊裝圓柱形鍛件; (2)進行鎢極氬弧焊(垂直狀態); (3)將垂直狀態的轉子放倒至水平狀態;  (4)進行埋弧焊(水平狀態); (5) 超聲波探傷;(6)在退火爐中進行焊后熱處理;(7)超聲波探傷。

  1.4 精加工;

  其中包括:(1) 車削至最終尺寸;(2) 轉子銑槽;

  (3). 主軸端部和接頭精加工; (4)轉子去毛刺。

  1.5 防腐保護;

  主要是進行轉子本體和軸端部刷漆。

  表1 透平機和發電機轉子對比

  轉子 透平機 發電機

  最大長度,m 14 20

  最大重量,t 150 275

  焊縫最大外徑,mm 2600 2000

  軸端焊縫 無 無

  轉子焊縫位置 各排葉片之間 轉子軸向均布

  焊縫數量 1~9 1~6

  焊縫深度 參考 增長量 < 25 %

  焊縫下部空腔 有 有

  空腔形狀 軸向比較長 體積比較大 軸向比較短 體積比較小

焊接式轉子沿軸向分布的5個對接面焊縫

轉子內孔表面

轉子外圓表面

焊縫空腔

焊縫

A

焊縫

A部   放大圖

間隙

  圖3 焊接式轉子對接焊縫的結構示意圖

  與原來發電機整根鍛件轉子相比,發電機的焊接式轉子要求具有更高強度的鍛件。

  與透平機相比:發電機的轉子具有更長的長度和更大的重量,能在貫穿焊縫的情況下銑削繞組線槽;而且具有比較大的焊縫深度和不同的用于緩解和疏散保護氣體的空腔設計(  見表1 )。

  在承受的主要負載方面,比如離心力、彎曲力、熱力和轉矩等方面,透平機和發電機是一樣的。但是,發電機轉子還額外承受電磁場和電場的作用,而透平機卻沒有。

  在運行環境方面,透平機轉子有熱空氣、熱燃氣和熱蒸汽的影響,而發電機沒有。但是,發電機有用來實施冷卻作用的氫氣的作用,透平機卻沒有。

  2 試驗驗證

  發電機焊接式轉子必須進行以下幾項試驗驗證:

  (1)對于長達20 m、 重達275 t的發電機轉子 ,在吊運過程中對公差影響的驗證。

  (2)對于發電機轉子,焊縫通過線槽的制造工藝、無損檢測方法和機械性能的驗證。

  (3)相對于透平機來說,發電機轉子焊縫的增加以后,對轉子動特性的評估。

  (4)發電機轉子焊縫下部空腔體積減小以后,對轉子電磁性能的評估。

  (5)在承受離心力、彎曲力、熱力、轉矩、電磁場和電場等各種主要負載作用下,熱處理以后的強度、電磁和電導性能的驗證。

  (6)在運行條件下,氫氣對材料性能影響的驗證。

  3 計算驗證

  3.1 電氣計算驗證

  3.1.1 評估焊縫對勵磁電流的影響

  此時要考慮到以下幾個因素:(1) 與傳統的整根鍛件相比的材料性能差異; (2) 焊接區域的磁特性;(3) 焊縫數量。

  3.1.2 評估空腔和軸向間隙的影響

  此時要考慮到以下幾個因素:(1) 焊縫的數量 ;(2) 空腔的體積和形狀;(3) 圓盤之間的軸向間隙(它處于焊縫空腔和轉子內孔之間)的寬度( 見圖 3  )。

  3.1.3 驗證的結果

  驗證結果表明:采用焊接式轉子以后:(1) 對勵磁電流的影響可以忽略不計;(2) 對轉子繞組溫度沒有影響;(3) 對發電機效率沒有影響;(4)  沒有因為空腔引起的飽和效應。(5)在運行性能方面,焊接式轉子與傳統的整根式轉子沒有區別。

  3.2 機械計算驗證

  在下述運行情況下,通過不同的機械計算來驗證以下幾個方面:

  (1) 額定轉速為1500 r / min運行情況下的連續啟動 / 停機 周期;(2) 在1.2倍額定轉速條件下運行的自旋轉測試;(3)  在透平機過速( 1.12倍 額定轉速 )條件下的運行情況;(4) 盤車情況;(5) 故障情況( 2相 、3相短路和失步);(6)任何負載下的應力,  都應當在允許值以下;(7)針對高周和低周疲勞裂紋擴展,都具有足夠的安全性;(8) 在焊接式轉子整個使用周期內不再需要探傷檢驗。

  與整根鍛件轉子相比,分段焊接式轉子在動態特性方面的驗證結果表明, 焊接式轉子對彎曲、彎曲狀態下的臨界轉速和扭矩固有頻率都沒有重大影響。

  3.3 模型試驗驗證

  為了針對焊接式轉子進行制造工藝規程、處理性能和結構設計等方面的試驗驗證, 曾經進行了3年之久的全尺寸模型試驗驗證。 模型的外徑為2000 mm  ,總長為3150 mm  ,一條焊縫。模型的試驗驗證項目如下:焊縫外形加工,焊接工藝(包括焊后熱處理),超聲波探傷,焊縫修復工藝,精加工,焊縫的切割與剖切,材料測試。

  其中的材料測試的項目包括:鍛件母材化學分析,焊縫截面金相分析,焊縫和熱影響區的顯微硬度分析,  抗拉試驗,凹口沖擊試驗,磁特性,電導性,熱膨脹系數,疲勞試驗,斷裂裂紋擴展,應力腐蝕裂痕等

  測試結果表明,材料完全滿足性能要求。

  4 加工工藝的優化

  對于焊接式轉子( 圖3 )  ,除了端部帶有法蘭的兩個軸頭而外,轉子本體還有4個圓柱形狀的區段,它們相互之間有待焊接成為整體的對接面共有5個。為了保證這種焊接式轉子與傳統上采用的單根整鍛式轉子之間的兼容性和互換性,在全尺寸模型上進行了下述工藝過程的優化:(1)  優化轉子圓盤的疊裝工藝,保證達到焊后要求的浮動值;(2) 優化焊接空腔的清理,充分保證焊縫背部的氣體保護;(3)優化焊接順序,確保達到最優焊縫質量;

  (4)優化焊后熱處理,確保轉子內部溫度緩慢而且均勻的分布。(5)通過故障類型及其影響的分析,嚴格檢查吊運工藝過程和設計的相關特殊設備,確保吊運和放倒工藝的安全性[2]。

  5 無損探傷

  在制造工藝過程中,要求進行下述無損探傷檢驗:(1)用于檢測鍛件內部缺陷的超聲波探傷檢驗主要集中在焊接區域;(2)用于鎢極氬弧焊焊縫(根部及其延續部分)的磁粉探傷檢驗主要針對表面缺陷、未焊透和焊接缺陷的檢驗;(3)埋弧焊以后、在退火爐中熱處理以前以及熱處理以后,進行超聲波探傷。

  最后,針對發電機焊接式轉子編制了專項“無損檢驗規程”,其中包括:供貨鍛件在疊裝時實施的鎢極氬弧焊的X光檢驗,鍛件的無損檢驗,用于無損檢驗的預(車削)加工和所有焊縫的預檢等。

  6 結論

  (1)對于大型透平發電機,可以像透平機那樣采用焊接式轉子來取代原來的整根鍛件的轉子,從而緩解大型鍛件訂貨困難問題。

(2)與透平機相比,在發電機焊接式轉子的結構工藝方面,應當特別注意來自電、磁和冷卻氫氣中的氫對焊接結構工藝的影響,確保質量[3]。

(3)焊縫空腔和與其相鄰的間隙(兩個圓柱形對接面之間的間隙,見圖3)的設計很重要,必須進行優化選擇。

  (4)由于采用了開發的焊接式轉子結構工藝,并達到了質量保證要求,從而實現了與原來整根鍛件轉子的取代和互換。

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  [參考文獻]

  1 戴國征,汽輪發電機轉子鍛件技術要求(J),大電機技術,1981(1),21-24

  2 龍卉,大型汽輪發電機轉子鍛件技術要求(J),東方電機,2006(3),17-19

  3 大型核電站發電機轉子鍛件技術條件(M),JB—T 11026 --- 2010

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  [作者簡介]

  張悅,女,1985,12.黑大,信息系統專業本科畢業,現在從事發電設備開發應用研究工作,高級工程師

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