大型透平發(fā)電機焊接式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)工藝特點

侯 鍵

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

當(dāng)今世界的大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子直徑已經(jīng)達(dá)到1.3 m、重達(dá)100 t(2極、3 000 r/min時)或2.0 m、重達(dá)275 t(4極、1 500 r/min時)，見圖1。對于不斷增加需求的核電站4極轉(zhuǎn)子來說，需要重達(dá)500 t以上的鍛件毛坯來制作，然而世界上僅有少數(shù)幾個廠家能夠提供這種鍛件，從而導(dǎo)致訂貨和交貨期限拖延。這個問題已經(jīng)成為發(fā)展的瓶頸。雖然大型汽輪機或燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)子多年以前早已實現(xiàn)焊接式結(jié)構(gòu)見圖2，而且發(fā)電機采用焊接式轉(zhuǎn)子的設(shè)計理念就是來源于透平機，但是透平發(fā)電機(多年以前，國際電工委員會IEC已經(jīng)規(guī)定：將汽輪機或燃?xì)廨啓C驅(qū)動的發(fā)電機統(tǒng)一稱為“透平發(fā)電機”)轉(zhuǎn)子的焊接，在尺寸、質(zhì)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，進行焊接試驗，測定關(guān)鍵參數(shù)， 焊接材料的導(dǎo)電性， 焊縫的磁性能、力學(xué)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(shè)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都是開發(fā)過程中解決的關(guān)鍵課題。

圖1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

1.油封環(huán)； 2.軸封套； 3.葉輪之間對接面； 4.動葉柵； 5.葉輪； 6.平衡槽圖2 汽輪機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

1 工藝流程

發(fā)電機焊接式轉(zhuǎn)子制造工藝流程如下(它與透平機采用的焊接式轉(zhuǎn)子[1-2]基本上相同)：鍛件進貨驗收、單件加工、裝焊、精加工、防腐保護等工序。

其中的裝焊包括以下幾道工步：由立式狀態(tài)的轉(zhuǎn)子放倒至水平狀態(tài)；進行埋弧焊(水平狀態(tài))；超聲波探傷；在退火爐中進行焊后熱處理；超聲波探傷。

而精加工則包括：車削至最終尺寸；轉(zhuǎn)子銑槽；主軸端部和接頭精加工；轉(zhuǎn)子去毛刺。

防腐保護主要是進行轉(zhuǎn)子本體和軸端部刷漆。

2 試驗驗證

發(fā)電機焊接式轉(zhuǎn)子必須進行以下幾項試驗驗證：

(1)對于長達(dá)20 m、 重達(dá)275 t的發(fā)電機轉(zhuǎn)子，在吊運過程中對公差影響的驗證；(2)對于發(fā)電機轉(zhuǎn)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(fā)電機轉(zhuǎn)子焊縫的增加以后，對轉(zhuǎn)子動特性的評估；(4)發(fā)電機轉(zhuǎn)子焊縫下部空腔體積減小以后，對轉(zhuǎn)子電磁性能的評估；(5)在承受離心力、彎曲力、熱力、轉(zhuǎn)矩、電磁場和電場等各種主要負(fù)載作用下，熱處理以后的強度、電磁和電導(dǎo)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 勵磁電流

在評估焊縫對勵磁電流的影響以后，還要考慮到以下幾個因素：與傳統(tǒng)的整根鍛件相比的材料性能差異；焊接區(qū)域的磁特性；焊縫數(shù)量。

3.1.2 空腔和軸向間隙

在評估空腔和軸向間隙的影響以后，還要考慮到以下幾個因素：焊縫的數(shù)量；空腔的體積和形狀；圓盤之間的軸向間隙(它處于焊縫空腔和轉(zhuǎn)子內(nèi)孔之間)的寬度，見圖3。

圖3 焊接式轉(zhuǎn)子對接焊縫的結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.3 驗證的結(jié)果

采用焊接式轉(zhuǎn)子以后，經(jīng)過電氣計算驗證的結(jié)果表明：(1)對勵磁電流的影響可以忽略不計；(2)對轉(zhuǎn)子繞組溫度沒有影響；(3)對發(fā)電機效率沒有影響；(4)沒有因為空腔引起的飽和效應(yīng)。(5)在運行性能方面，焊接式轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)的整根式轉(zhuǎn)子沒有區(qū)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(zhuǎn)速為1 500 r/min運行情況下的連續(xù)“啟動/停機”周期；(2)在1.2倍額定轉(zhuǎn)速條件下運行的自旋轉(zhuǎn)測試；(3)在透平機過速為1.12倍額定轉(zhuǎn)速的條件下運行情況；(4)盤車情況；(5)在2相、3相短路和失步的故障情況；(6)高周和低周疲勞裂紋擴展情況等。

在動態(tài)特性方面和所有機械計算驗證結(jié)果表明，都具有足夠的安全性，而且對彎曲狀態(tài)下的臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子進行制造工藝規(guī)程、處理性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的試驗驗證，曾經(jīng)進行了3年之久的全尺寸模型試驗驗證。模型的外徑為2 000 mm，總長為3 150 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(fù)工藝，精加工，焊縫的切割與剖切，材料測試。

在材料測試的項目中包括：鍛件母材化學(xué)分析，焊縫截面金相分析，焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度分析，抗拉試驗，凹口沖擊試驗，磁特性，電導(dǎo)性，熱膨脹系數(shù)，疲勞試驗，斷裂裂紋擴展，應(yīng)力腐蝕裂痕等。測試結(jié)果表明，材料完全滿足性能要求。

4 加工工藝的優(yōu)化

對于發(fā)電機焊接式轉(zhuǎn)子，除了端部帶有法蘭的兩個軸頭而外，轉(zhuǎn)子本體還有4個圓柱形狀的區(qū)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(zhuǎn)子與傳統(tǒng)上采用的單根整鍛式轉(zhuǎn)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(yōu)化：(1)轉(zhuǎn)子圓盤疊裝工藝，保證達(dá)到焊后要求的浮動值；(2)焊接空腔的清理，充分保證焊縫背部的氣體保護；(3)焊接順序，確保達(dá)到最優(yōu)焊縫質(zhì)量；(4)焊后熱處理，確保轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度緩慢而且均勻的分布[2]。而最重要的優(yōu)化就是V形焊縫改為窄間隙的U形(基本上與透平機一樣)。

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(nèi)部缺陷的超聲波探傷檢驗主要集中在焊接區(qū)域；(2)用于鎢極氬弧焊焊縫(根部及其延續(xù)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(fā)電機焊接式轉(zhuǎn)子編制了專項“無損檢驗規(guī)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(yù)(車削)加工和所有焊縫的預(yù)檢[3]。

6 結(jié)論

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

(2) 在發(fā)電機焊接式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)工藝方面，應(yīng)當(dāng)特別注意來自電、磁和冷卻氫氣中的氫對焊接結(jié)構(gòu)工藝的影響，確保質(zhì)量。

(3) 焊縫空腔和與兩個圓柱形對接面之間的間隙的設(shè)計很重要，必須進行優(yōu)化選擇。

(4) 由于采用了焊接式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝，并達(dá)到了質(zhì)量保證要求，從而實現(xiàn)了與原來整根鍛件轉(zhuǎn)子的取代和互換。但是其應(yīng)用范圍當(dāng)前還只限于4極發(fā)電機。

[1] 王朋,霍鑫，丁玉明.核電汽輪機焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)發(fā)展綜述[J].熱力透平，2015(4)：296-299.

[2] 龐慶，彭建強，孫秀萍.高參數(shù)大容量汽輪機焊接轉(zhuǎn)子[J].2014(6)：478-480.

[3] 戴國征.汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子與護環(huán)鍛件材料的技術(shù)要求[J].大電機技術(shù)，1981(1)：11-16.