交流發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片斷裂分析與處理

陸增圩，李云應(yīng)，梁雄杰

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

1 汽輪發(fā)電機(jī)組

發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片由高強(qiáng)度鋁合金2A50 鍛成。葉片根部制成螺紋螺桿，配合鋼制螺母將葉片固定在風(fēng)扇座環(huán)的圓孔中，由定位螺栓限制其扭轉(zhuǎn)角度。風(fēng)扇座環(huán)由高強(qiáng)度合金鍛鋼制成，并熱套在轉(zhuǎn)軸上。葉片與風(fēng)扇座環(huán)的裝配形式見(jiàn)圖1，發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片零部件明細(xì)見(jiàn)表1。發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)側(cè)（以下簡(jiǎn)稱“汽端”）和勵(lì)磁機(jī)側(cè)（以下簡(jiǎn)稱“勵(lì)端”）各有一圈風(fēng)扇葉片，單圈共29 片風(fēng)扇葉片。風(fēng)扇葉片與安裝在發(fā)電機(jī)內(nèi)端蓋上的導(dǎo)風(fēng)環(huán)構(gòu)成風(fēng)道流路。導(dǎo)風(fēng)環(huán)材料為鑄鋁。

2 問(wèn)題

2.1 故障概述

2018 年11 月9 日，3 號(hào)機(jī)組大修期間發(fā)現(xiàn)汽端5 號(hào)風(fēng)葉脫落。葉片掉落在內(nèi)端蓋與外端蓋之間的下部。葉片根部與葉根螺母嚙合處斷裂，發(fā)電機(jī)汽端導(dǎo)風(fēng)環(huán)上部12 點(diǎn)鐘方向有長(zhǎng)約20 cm 的擊傷脫落部位。抽出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，在發(fā)電機(jī)定子膛內(nèi)和發(fā)電機(jī)汽端頂部2 個(gè)臥式氫冷器外罩內(nèi)收集到重約5 g的鋁質(zhì)碎屑。經(jīng)過(guò)材料分析，碎屑為鍛鋁和鑄鋁，源于發(fā)電機(jī)葉片和導(dǎo)風(fēng)環(huán)。對(duì)發(fā)電機(jī)定子線圈端部絕緣、定子端部絕緣引水、定子引線、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)等各處目視檢查無(wú)異常。發(fā)電機(jī)定子絕緣電阻、直流電阻、手包絕緣、直流耐壓、水壓試驗(yàn)合格。轉(zhuǎn)子絕緣正常，無(wú)匝間短路。

表1 發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片零部件對(duì)照表

圖1 風(fēng)扇葉片裝配形式

2.2 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)斷裂的汽端5 號(hào)葉片和導(dǎo)風(fēng)環(huán)等部件進(jìn)行目視檢查等無(wú)損檢測(cè)。

2.2.1 葉片宏觀目視檢查

2.2.2 葉片電鏡掃描

使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)葉片斷口和端部螺紋進(jìn)行微觀形貌觀察，使用設(shè)備為TESCAN VEGA TS5136XM 掃描電子顯微鏡，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。電鏡掃描可見(jiàn)整個(gè)斷口區(qū)域均呈現(xiàn)明顯韌窩特征。判斷斷口性質(zhì)為韌性斷口，造成材料韌性斷裂的原因是部件承受的載荷超過(guò)了其承載極限，即為過(guò)載。此外，由于沒(méi)有明顯的扭轉(zhuǎn)切變韌性特征，可以排除螺母和葉片螺紋緊固力矩過(guò)大，導(dǎo)致螺紋出現(xiàn)裂紋的可能。

2.2.3 導(dǎo)風(fēng)環(huán)目視檢查

導(dǎo)風(fēng)環(huán)內(nèi)圓有寬約5 cm 的整圈磨痕，磨損區(qū)域涂層脫落，觸摸有輕微凹凸感。在汽側(cè)往電側(cè)約8 點(diǎn)鐘方位，導(dǎo)風(fēng)環(huán)內(nèi)側(cè)配合面有明顯擠壓和磨損特征。

2.2.4 其他部件檢查

對(duì)發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)兩端的葉片和風(fēng)扇座環(huán)孔做滲透檢測(cè)（PT），檢測(cè)結(jié)果合格；汽、勵(lì)兩端所有葉片含根部做超聲檢測(cè)（UT），檢測(cè)結(jié)果無(wú)缺陷顯示。

3 原因分析

根據(jù)宏觀目視檢查結(jié)果，5 號(hào)葉片末端的均勻磨損痕跡與導(dǎo)風(fēng)環(huán)內(nèi)圈的磨痕可以對(duì)應(yīng)?？紤]到斷裂的葉片在高速旋轉(zhuǎn)中不可能與導(dǎo)風(fēng)環(huán)配合面形成均勻磨痕，因此可以判斷，5 號(hào)葉片在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，首先與導(dǎo)風(fēng)環(huán)配合面發(fā)生接觸磨損，產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)了葉片材料強(qiáng)度極限，形成過(guò)載，導(dǎo)致葉片在與根部螺母嚙合的螺牙位置發(fā)生斷裂。說(shuō)明葉片斷裂的直接原因是運(yùn)行期間與導(dǎo)風(fēng)環(huán)發(fā)生接觸。根據(jù)廠家出具的安裝手冊(cè)，在檢修期間，導(dǎo)風(fēng)環(huán)和葉片應(yīng)按規(guī)定留有間隙，以避免運(yùn)行期間出現(xiàn)動(dòng)靜碰磨。因此導(dǎo)風(fēng)環(huán)和葉片運(yùn)行期間的間隙過(guò)小，是二者接觸碰磨的原因。結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)和裝配方法，分析導(dǎo)致間隙過(guò)小的原因。

3.1 上次檢修調(diào)整間隙不合格

查閱上次檢修記錄，4 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均滿足廠家安裝說(shuō)明書(shū)要求中圖Q5D310F4875（勵(lì)端）和Q5D310F4875.01（汽端）間隙要求。

3.2 間隙調(diào)整合格，葉片位置和伸長(zhǎng)量變化大

在冷態(tài)下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置固定，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)風(fēng)環(huán)的位置改變導(dǎo)風(fēng)環(huán)和葉片間隙。導(dǎo)風(fēng)環(huán)位置調(diào)整的方法有兩種：一是改變各瓣導(dǎo)風(fēng)環(huán)之間的墊片厚度；二是通過(guò)頂絲，改變導(dǎo)風(fēng)環(huán)的整體位置。導(dǎo)風(fēng)環(huán)安裝在發(fā)電機(jī)端蓋上，可以視為位置恒定，因此在間隙調(diào)整合格的情況下，間隙變化的原因只能是葉片的變化，包括葉片位置和伸長(zhǎng)量2 個(gè)方面。

3.2.1 葉片位置變化

發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片的位置變化，會(huì)影響其與導(dǎo)風(fēng)環(huán)的間隙。由于葉片安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置的徑向變化量就是葉片的徑向變化量。

（1）連對(duì)輪后轉(zhuǎn)子位置變化。在導(dǎo)風(fēng)環(huán)和葉片間隙調(diào)整完成后，進(jìn)行汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)對(duì)輪連接。由于汽輪機(jī)軸系重量遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)，因此對(duì)輪連接后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置會(huì)與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子位置一致。查閱上次大修記錄（表2），其中LP3 表示3 號(hào)低壓缸，GE表示發(fā)電機(jī)。修后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高度上升0.13 mm，安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的葉片在高度方向上也隨之上升0.13 mm。

表2 大修記錄

（2）起頂軸油后轉(zhuǎn)子位置變化。機(jī)組運(yùn)行期間，整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)軸系由于頂軸油的注入而抬升。汽端風(fēng)扇葉片軸向位置與發(fā)電機(jī)9 號(hào)軸承接近，9 號(hào)軸承的抬升高度可以在啟機(jī)前的頂軸油壓力分配試驗(yàn)中測(cè)得。查閱上次大修記錄，起頂軸油后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高度上升0.07 mm，安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的葉片在高度方向上也隨之上升0.07 mm。

（3）轉(zhuǎn)子振幅。查閱汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)（DEH）中3號(hào)機(jī)組9 號(hào)軸承處上個(gè)循環(huán)內(nèi)振動(dòng)情況，出現(xiàn)最大振幅的時(shí)間點(diǎn)為轉(zhuǎn)子停機(jī)期間的二階模態(tài)振型階段，此時(shí)的最大振幅140.66m，即0.141 mm。根據(jù)以上查閱記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算，由于轉(zhuǎn)子位置變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片在與導(dǎo)風(fēng)環(huán)配合的圓周方向，變動(dòng)最大值為0.13+0.07+0.141=0.341 mm，在12 點(diǎn)鐘方向上升。在6 點(diǎn)鐘方向，其變動(dòng)值為0.141-0.07-0.13=-0.059 mm。

3.2.2 葉片伸長(zhǎng)量過(guò)大

計(jì)算葉片運(yùn)行期間的伸長(zhǎng)量，首先核實(shí)5 號(hào)葉片本身力學(xué)性能是否合格，葉片是否出現(xiàn)松脫，葉片安裝后所受預(yù)緊力，運(yùn)行期間與導(dǎo)風(fēng)環(huán)配合方向上離心力的作用。

（1）葉片力學(xué)性能。若發(fā)生斷裂的5 號(hào)葉片本身的力學(xué)性能不合格，在相同的作用力下，會(huì)比力學(xué)性能合格的葉片發(fā)生更大的變形，存在更高的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。在5 號(hào)葉片根部取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，材料成分滿足標(biāo)準(zhǔn)[1]要求；按標(biāo)準(zhǔn)[2]對(duì)5 號(hào)葉片取樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，試驗(yàn)力為62.5 kgf，試驗(yàn)力保持時(shí)間10 s。測(cè)試結(jié)果顯示硬度100 HB，在正常范圍內(nèi)；在送檢葉片中取3 個(gè)矩形試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果顯示抗拉強(qiáng)度值滿足標(biāo)準(zhǔn)[3]的要求。

綜上，發(fā)生斷裂的5 號(hào)葉片材料、強(qiáng)度和拉伸性能均無(wú)異常。

（2）葉片松脫。對(duì)比葉根螺紋露出螺母的扣數(shù)，斷裂的5號(hào)葉片與其他葉片一致，均露出1 扣?？梢耘袛?，5 號(hào)葉片未發(fā)生葉根螺母松動(dòng)。

（3）離心力作用下伸長(zhǎng)。設(shè)備運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)子以3000 r/min 的速度高速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片重量0.73 kg，葉片重心旋轉(zhuǎn)半徑0.544 m，由此計(jì)算葉片根部旋轉(zhuǎn)時(shí)承受的離心力F=39 154 N；在離心力作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)受力伸長(zhǎng)。根據(jù)“伸長(zhǎng)量法”[4]：F=（lE）/（l1/A0+（l2+l3）/A1），即l=F（l1/A0+（l2+l3）/A1）/E；其中，l 為伸長(zhǎng)量，E 為彈性模量，取72103MPa。測(cè)得螺紋光桿長(zhǎng)度l1=14.36 mm，螺紋全長(zhǎng)l2=37.4 mm，螺母厚度l3=28 mm，螺紋光桿最小截面積A0=1134.0518 mm2，螺紋小徑截面積A1=712.503 509 4 mm2，螺紋小徑d1=30.12 mm；計(jì)算得出伸長(zhǎng)量l0.057 mm。

（4）預(yù)緊力作用下伸長(zhǎng)。令施加力矩T=550 N·m；T=（kFD）/n，其中n 為螺栓數(shù)，n=1，k 為摩擦因數(shù)，取0.2，則F=（5T）/D；根據(jù)伸長(zhǎng)量折算公式計(jì)算得伸長(zhǎng)量l=F（l1/A0+（l2+l3）/A1）/E0.111 mm。

（5）小結(jié)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，在葉片與導(dǎo)風(fēng)環(huán)間隙調(diào)整完成后，由于位置和離心力的作用，葉片與導(dǎo)風(fēng)環(huán)間隙的變化量最大0.509 mm，方向?yàn)?2 點(diǎn)鐘方向，6 點(diǎn)鐘方向變動(dòng)值為0.109 mm。

3.3 間隙標(biāo)準(zhǔn)不可靠

根據(jù)廠家安裝說(shuō)明書(shū)要求，導(dǎo)風(fēng)環(huán)和風(fēng)扇葉片在檢修期間按照4 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位（圖2a）。大修期間，廠家根據(jù)葉片編號(hào)按原葉片尺寸重新加工了汽端整圈葉片（其中5 號(hào)葉片按照所有葉片長(zhǎng)度均值進(jìn)行加工）。導(dǎo)風(fēng)環(huán)也一并更換?，F(xiàn)場(chǎng)第一次安裝后，實(shí)測(cè)整圈間隙如圖2b 所示。發(fā)現(xiàn)在滿足4 個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖2b 圓圈位置）間隙的情況下，其他位置存在間隙極小的情況，出現(xiàn)間隙為1.1 mm 的情況（圖2b 方框位置25 號(hào)葉片）。

3.3.1 理論間隙計(jì)算

25 號(hào)葉片理論間隙計(jì)算結(jié)果為2.23 mm，與實(shí)測(cè)值相差2.23-1.1=1.13 mm。說(shuō)明25 號(hào)葉片比理論長(zhǎng)度偏長(zhǎng)1.13 mm。

3.3.2 計(jì)算25 號(hào)葉片在機(jī)組運(yùn)行期間的間隙

以12 點(diǎn)鐘和6 點(diǎn)鐘方向?yàn)槔?。首先?jì)算25 號(hào)葉片在12 點(diǎn)鐘和6 點(diǎn)鐘的理論間隙分別為2.72 mm 和1.6 mm。代入葉片偏長(zhǎng)值1.13 mm 及12 點(diǎn)鐘變化值0.398 mm 和6 點(diǎn)鐘方向變化值0.258 mm?？傻眠\(yùn)行期間，12 點(diǎn)鐘方向間隙為2.72-1.13-0.509=1.081 mm，6 點(diǎn)鐘方向間隙為1.6-1.13-0.109=0.361 mm。

3.3.3 葉片長(zhǎng)度測(cè)量

圖2 導(dǎo)風(fēng)環(huán)和風(fēng)扇葉片測(cè)點(diǎn)位置

根據(jù)理論間隙計(jì)算，實(shí)際葉片長(zhǎng)度并不均勻，因此測(cè)量葉片長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)葉片長(zhǎng)度存在最大0.6 mm 的偏差。最長(zhǎng)的葉片為25號(hào)葉片。

3.3.4 小結(jié)

根據(jù)25 號(hào)葉片在機(jī)組運(yùn)行期間的間隙計(jì)算，運(yùn)行期間6 點(diǎn)鐘方向間隙為0.361 mm。但在計(jì)算過(guò)程中，尚未考慮原導(dǎo)風(fēng)環(huán)內(nèi)圓的表面粗糙和不規(guī)則情況。因此實(shí)際間隙肯定更小。此外，由于葉片長(zhǎng)度最大偏差0.6 mm，大于0.361 mm，雖然斷裂的5號(hào)葉片長(zhǎng)度已無(wú)記錄，但5 號(hào)葉片長(zhǎng)度最大偏差很可能大于0.361 mm。

綜上得出，原有的調(diào)整導(dǎo)風(fēng)環(huán)與葉片間隙的4 點(diǎn)調(diào)整法，無(wú)法確保所有葉片與導(dǎo)風(fēng)環(huán)的間隙滿足要求。

4 處理方法及標(biāo)準(zhǔn)

葉片存在長(zhǎng)度差，是出現(xiàn)間隙異常的促成原因。因此需要明確整圈葉片與導(dǎo)風(fēng)環(huán)的最小間隙要求。限于篇幅，以12 點(diǎn)鐘方向最小間隙為例，其他各點(diǎn)計(jì)算方法類推。

5 結(jié)論

造成發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片斷裂的直接原因是葉片與導(dǎo)風(fēng)環(huán)內(nèi)圓發(fā)生了碰磨；發(fā)生碰磨的根本原因是原有的4 點(diǎn)調(diào)整法無(wú)法確保所有葉片與導(dǎo)風(fēng)環(huán)的間隙滿足要求；促成原因是風(fēng)扇葉片長(zhǎng)度之間存在一定的偏差。在進(jìn)行葉片安裝時(shí)，若測(cè)得間隙超差，可以對(duì)葉片葉頂進(jìn)行打磨。