株树桥水电站水轮发电机上机架改造

2016-09-08 03:32:50裘迪林罗宇航杭州杭发发电设备有限公司浙江杭州311201

小水电 2016年4期

关键词：水轮机架云图

裘迪林，文虎，罗宇航（杭州杭发发电设备有限公司，浙江杭州 311201）

株树桥水电站水轮发电机上机架改造

裘迪林，文虎，罗宇航
（杭州杭发发电设备有限公司，浙江杭州 311201）

株树桥水电站水轮发电机投运后上机架出现垂直振动偏大、推力瓦温度偏高的缺陷，通过分析出现问题的原因，进行了CAE有限元分析计算、厂内弹性试验可行性论证之后，上机架改造满足运行要求。图16幅，表5个。

水轮发电机；上机架；轴承支撑结构；弹性托盘；有限元分析；弹性试验

1　概述

湖南省浏阳市株树桥水电站原安装3台容量为8 MW的立式水轮发电机组，机型为SF8000—16/ 3300；机组自1992年投运以来，发电机上机架存在两个方面的缺陷：上机架垂直振动偏大，推力瓦温度偏高。业主提出了对上机架进行加强刚度，对推力轴承支撑结构重新设计的改造要求。

该水轮发电机组整体布置为三支点悬式结构，上机架为焊接结构，由机架中心体、上下环板、4条支臂焊接而成。推力轴承置于上机架中心体内，上机架承受水推力、水轮机转轮和主轴、发电机转子等轴向载荷，该轴向载荷最终由定子机座间接传递给混凝土基础。因此，上机架是支撑着整个转动部分的脊梁，其结构设计强度和刚度不容忽视。

原发电机推力轴承结构为支柱螺钉直接支撑推力瓦结构。

2　上机架加强刚度改造可行性分析

整个上机架返厂后对本体实物进行测量和检查，发现上机架运行多年后4条支腿立筋处均未出现严重变形和裂纹，但测量的中心体撑环厚度仅为15mm（常规取30mm左右），中心体上环板厚度30mm，下环板厚度25mm，支撑筋板厚度15mm（常规取25mm左右），中心体下环底面与上机架底面距离为4mm（设计图纸为2mm ，见图1）。

图1　上机架中心体

根据实测数据分析，因中心体撑环和支撑筋板厚度不够，导致运行时在轴向载荷力作用下上机架中心体下沉2mm左右。找到了根本原因，就可确定上机架加固方案：在原上机架中心体的上环与下环间增焊8根30mm厚度的筋板，同时利用有限元分析对比改造前后上机架刚强度的变化情况，为加固改造方案的成功提供理论依据。

2.1对上机架进行建模

由于整个上机架是关于中心轴线旋转对称的，所以可取整个负荷上机架的1/4模型，采用UG软件NX8.5版本对改造前后的上机架进行建模，三维实体几何模型如下所示（见图2），上机架材料为Q235B（见表1）。

图2　上机架三维模型

2.2对上机架进行有限元分析计算

在NX8.5版本建模基础上，使用NXNASTRAN求解器和SESTATIC 101_Single Constraint模块对上机架进行有限元分析。原上机架模型网格采用4节点四面体网格，网格大小20mm，单元总数90 082，节点总数29 700。中心体加筋后模型图网格采用4节点四面体网格，网格大小 20mm，单元总数95 048，节点总数31 197；将上机架的腿固定约束，将切分面采用对称约束。上机架承受的负荷F取总轴向负荷的1/4，即为21 t（见图3、图4）。

图3　上机架应力云图

图4　上机架位移云图

从分析计算结果看，中心体加筋后上机架支腿立筋处的应力由60 MPa减小为35 MPa，加固前后上机架腿筋板应力降低了40%，应力集中处的最大应力为128.18 MPa，远远小于Q235B的屈服强度225 MPa，原模型上机架最大位移为1.141mm，中心体加筋后上机架最大位移为0.873mm，上机架刚度提高了23%。

3　推力轴承支撑结构改造可行性分析

目前，笔者所在单位采用的推力轴承支撑结构有2种型式：一是推力瓦直接由支柱螺钉球面支撑的无托盘结构，该轴承支撑结构广泛应用于推力负荷较小的、容量在10 MW以下的发电机中；该支撑结构简单、运行可靠、价格低廉，运用较广泛。二是推力瓦借助于托盘放置于支撑球面上的结构，该轴承支撑结构应用于容量在10 MW及以上、推力负荷在100 t以上的水轮发电机，称为有托盘结构。3.1 无托盘结构和有托盘结构的推力瓦变形分析对比

无托盘结构的推力瓦承载后，推力瓦支柱螺钉偏心支承点A处受力最大，推力瓦的机械变形呈凸面（见图5中曲线1）；轴承在运行过程中，推力瓦的热变形呈凸面（见图5曲线2）。两种变形都呈凸面，叠加后是瓦的总变形，适合推力负荷较小的机组。

图5　无托盘推力瓦受力变形示意

有托盘结构的推力瓦承载后，推力瓦的机械变形呈凹面（见图6中曲线1）；推力瓦的热变形与无托盘结构的推力瓦热变形情况相同，呈凸面（见图6中曲线2）；推力瓦自身的机械变形和热变形两者方向相反，其变形可相互抵消一部分。托盘上平面加工出的凹平面对推力瓦形成环面支承，推力瓦承载后直接传到托盘的外缘环面B处，故托盘的机械变形呈凸面（见图6中曲线3）。

有托盘结构的托盘和支撑材料有两种情况：一种是采用合金钢材料，另一种是采用弹簧钢材料。当托盘和支撑采用弹簧钢材料时，具有在负荷不均匀时能够自动平衡各瓦负荷的显著优点，使发电机轴承运行更加安全可靠，但制造成本相对高。

从上述分析可看出：有托盘结构可改变推力瓦的变形状态和改善推力瓦的变形，且在托盘应力允许状况下，托盘变形越大，对轴承性能越佳，适合推力负荷较大的机组。

株树桥水电站发电机推力轴承负荷较大，通过对上述两种不同支撑结构的推力瓦变形分析，确定该电站推力轴承支撑结构重新设计为有弹性托盘结构（见图7）。

图6　有托盘推力瓦受力变形示意

图7　推力轴承有托盘支撑结构

3.2对弹性托盘和轴承垫进行建模

由于是改造机组，高度和径向尺寸受限制，根据原电站推力轴承装配图建立弹性托盘和支柱螺钉模型（见图8、表2、表3）。

图8　弹性托盘和轴承垫三维模型

表2　设计主要参数

表3　机械性能

3.3 对弹性托盘和轴承垫进行有限元分析计算

在NX8.5版本建模基础上，使用NXNASTRAN求解器和SESTATIC 101_Single Constraint模块进行有限元分析。托盘网格采用10节点四面体网格，网格大小1.5mm，单元总数 229 245，节点总数336 801，材料采用60Si2MnA。轴承垫网格采用20节点六面体网格，网格大小为0.8mm，单元数39 128，节点数173 542，材料采用60Si2MnA。轴承垫底面采用固定约束，托盘和轴承垫之间采用面与面接触约束。

机组运行时，弹性托盘承受的总轴向负荷为84 t，每个托盘承受的轴向负荷为14 t。施加5个不同轴向载荷F分别为60、90、114、126、137 kN在弹性托盘上（见图9～图13）。

图9　载荷60 kN 时位移云图和应力云图

图10　载荷90 kN 时位移云图和应力云图

图11　载荷114 kN 时位移云图和应力云图

图12　载荷126 kN 时位移云图和应力云图

图13　载荷137 kN时位移云图和应力云图

对上述不同轴向载荷下弹性托盘的位移云图和应力云图进行统计，最大位移、最大应力、平均应力值统计结果如下所示（见表4）。

表4　弹性托盘的最大位移、最大应力、平均应力值

3.4传统Excel变形计算，厂内试验位移数据与UG分析数据对比

在弹性托盘应力允许状况下，托盘变形越大，对轴承性能越佳。准确了解在推力负荷下推力瓦的变形趋势，正确计算弹性托盘和轴承垫变形数据至关重要；故设计时进行了传统Excel变形计算，并对弹性托盘和轴承垫在厂内进行压力变形试验。传统Excel变形计算、试验位移数据与UG分析数据与对比如下所示（见表5），试验装置如下所示（见图14）。