大型汽轮发电机转子窜动量问题分析

大型汽轮发电机转子窜动量问题分析

吕慧聪 

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

摘要：文章结合具体大型汽轮发电机产品，通过计算分析转子窜动量对结构设计的影响。关键词：大型汽轮发电机；磁中心；转子；热膨胀；窜动量；预位移

中图分类号：TM311   文献标识码：A   文章编号：1671-0711（2019）07（下）-0078-03

在大型汽轮发电机设计中，热态额定负荷转子磁中心需与定子磁中心重合，发电机转子由于本身热膨胀，和汽轮机转子的推力或者拉力的影响，本体结构需预位移相应的位置余量，避免结构件的磕碰，以及密封设备的合理范围，保证发电机设备的正常运行。本文结合运行数量众多且设计成熟的汽轮发电机功率350MW机组（图1），冷却方式水氢氢，即定子线棒水冷、定子铁芯和转子氢气冷却，此机型由于需要氢气密封，端轴油系统复杂，以点带面，深度剖析，希望对大家在转子窜动量和相应预位移问题上有所帮助。

2 各位置窜动量分析计算2.1 汽端端盖轴承油密封装配

此位置主要计算的是挡油盖、轴瓦、油密封座与转轴之间的配合尺寸，设计汽端热态额定负荷运行时挡油盖距离轴台尺寸35.2mm，轴瓦距离轴台尺寸20mm，油密封座距离沟槽尺寸15.6mm，见图2，转子沟槽I外沿距轴台距离11mm，具体计算结果见表1。

图1 功率350MW水氢氢机组电厂照片

1 情况介绍

火力发电厂汽轮发电机类型众多，根据冷却方式的不同可分为空冷、双水内冷、全氢冷、水氢氢机组等，其中水氢氢机组结构尤为复杂，冷却介质包括了水和氢气两种导热介质，具有代表性。广西某电厂功率350MW机组，正是采用此种方式冷却，在设计过程中由于汽轮机采用新机型，向发电机端的膨胀量较大，以此为例说明发电机在极端膨胀量的情况下结构设计应注意哪些问题。此项目汽轮机向发电机侧热膨胀，额定绝对膨胀量为11.46mm，最大值为20.56mm（极端情况下膨胀量），发电机外形安装图中要求为了在额定工况下使定子转子磁中心对齐，安装时须将发电机定子磁中心相对其转子磁中心向非传动端预移△T+3mm，碳刷架中心线相对转子集电环风扇中心线向非传动端预移△T+6mm，△T为汽轮机提供的轴端绝对伸长量。

15.630.06（15.6+14.46）定子预位移14.46励20图2 热态额定负荷汽端端轴油尺寸（mm）

2.2 励端端盖轴承油密封装配

此位置与汽端相似，计算的也是挡油盖、轴瓦、油密封座与转轴之间的配合尺寸，设计励端热态额定负荷运行时油密封座距离沟槽尺寸15.8mm，轴瓦距离轴台尺寸20mm，挡油盖距离轴台尺寸35.2mm，转子沟槽I外沿距轴台距离11mm，考虑到励端与汽端结构镜像对称，具体计算结果见表2。2.3 集电环与电刷装配

集电环与电刷装配见图3。根据查询零件图纸，碳刷

表1 汽端端轴油尺寸计算（mm）

热态，汽端端盖安装状态，预位移后尺寸（汽极限状态，膨胀量最大值时尺寸（汽轴承油密封额定机膨胀量11.46，发电机膨胀机膨胀量20.56，最大值时相对额定运行尺寸量3，△T+3=14.46）运行轴向励端移动20.56-11.46=9.1）24.2（35.2-11，9.74（24.2-14.46）33.3（24.2+9.1）定子预位移14.46轴膨胀移动9.1 挡油盖距离沟槽励尺寸）励34.46（20+14.46）定子预位移14.46励10.9（20-9.1）轴膨胀移动9.1 励6.5（15.6-9.1）轴膨胀移动9.1 励结论9.74>033.3>0挡油盖不会发生脱离34.16>010.9>0轴瓦R5轴颈内R3轴瓦与轴不发生干涉30.06>06.5>0油密封座不会发生脱离78

中国设备工程 2019.07 (下)

表2 励端端轴油尺寸计算（mm）

热态，励安装状态，预位极限状态，膨胀量最端端盖轴移后尺寸（汽机大值时尺寸（汽机膨承油密封膨胀量11.46，发胀量20.56，最大值结论额定运行电机膨胀量3，时相对额定运行轴尺寸△T+3=14.46）向励端移动20.56-11.46=9.1）15.8（油密封座距1.34（15.8-14.46）24.9（15.8+9.1）1.34>0离沟槽尺定子预位移14.46轴膨胀移动9.1 24.9>0油密封座不寸）励励会发生脱离5.54>05.54（20-14.46）29.1（20+9.1）29.1>020定子预位移14.46轴膨胀移动9.1 轴瓦R5励励轴颈内R3轴瓦与轴不发生干涉24.2（35.2-1138.6638.66>0挡油盖距（24.2+14.46）15.1（24.2-9.1）轴膨胀移动9.1 15.1>0离沟槽尺定子预位移14.46挡油盖不会寸）励励发生脱离总宽112mm，集电环宽153mm，设计热态额定负荷运行时电刷中心线与集电环中心线重合，计算得出碳刷距离励端端面侧尺寸20.5mm。目前图纸资料中，标注碳刷中心线距离轴承中心线1020mm，而转子装配轴承中心线距集电环中心线1022.5mm，即集电环中心线比碳刷中心线向励端偏差2.5mm，则实际额定运行时碳刷距集电环励端侧端面23mm，通过计算碳刷距汽端侧端面18mm，具体计算结果见表3。

图3 热态额定负荷集电环与电刷装配表3 集电环与电刷尺寸计算（mm）

热态，安装状态，预位极限状态，膨胀量最集电环移后尺寸（汽机大值时尺寸（汽机膨与电刷膨胀量11.46，胀量20.56，最大值额定运发电机膨胀量6，时相对额定运行轴结论行尺寸△T+6=17.46）向励端移动20.56-11.46=9.1）23（距5.54（23-17.46）5.54>0集电环刷架预位移32.1（23+9.1）励端侧17.46轴膨胀移动9.1 32.1>0端面）励励电刷不会发生脱离18（距35.46集电环（18+17.46）8.9（18-9.1）35.46>0汽端侧刷架预位移轴膨胀移动9.1 8.9>0端面）17.46励电刷不会发生励脱离ChinaPlant

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Engineering工程

2.4 集电环风扇与风扇罩装配

此结构装配关系为集电环风扇罩将风扇罩住，风扇距风扇罩两侧都应留有距离，设计应保证风扇与风扇罩在各工况

下不会干涉。查询相关图纸，风扇尺寸120mm，风扇罩尺寸188mm，同集电环处相同，集电环与刷架中心线偏差2.5mm，额定运行时风扇距风扇罩励端端面36.5mm，风扇距风扇罩汽端端面31.5mm，具体计算结果见表4。

表4 集电环风扇与风扇罩尺寸计算（mm）

热态，集安装状态，预位极限状态，膨胀量电环风扇移后尺寸（汽机最大值时尺寸（汽和风扇罩膨胀量11.46，发机膨胀量20.56，结论处额定运电机膨胀量6，最大值时相对额定行尺寸△T+6=17.46）运行轴向励端移动20.56-11.46=9.1）36.5（距19.04（36.5-17.46）45.6（36.5+9.1）19.04>045.6>0风扇罩励端端面）刷架预位移17.46轴膨胀移动9.1 风扇与风励励扇罩不会发生干涉31.5（距48.96（31.5+17.46）22.4（31.5-9.1）48.96>022.4>0风扇罩汽端端面）刷架预位移17.46轴膨胀移动9.1 风扇与风励励扇罩不会发生干涉2.5 本体风扇座环与导风环装配

本体风扇座环与导风环在热态和冷态下均不允许干涉，励端装配见图4，汽端与励端结构镜像对称，极限膨胀状态下不存在干涉，励端则需要计算，具体计算果见表5。

图4 热态额定负荷励端本体风扇座环与导风环尺寸（mm）

表5 励端本体风扇座环与导风环计算（mm）

安装状态，预位极限状态，膨胀量励端热态，本体风扇座环移后尺寸（汽机最大值时尺寸（汽与导风环额膨胀量11.46，机膨胀量20.56，结论定运行尺寸发电机膨胀量3，最大值时相对额定△T+3=14.46）运行轴向励端移动20.56-11.46=9.1）27（3527-41.46（27+14.46）17.9（27-9.1）41.46>03500，风扇座17.9>0环距导风环定子预位移尺寸）14.46轴膨胀移动9.1 风扇座环与励励导风环不会发生干涉中国设备工程 2019.07 （下）

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Research and Exploration 研究与探索·监测与诊断

浅谈抽油机曲柄销子断裂原因及防治措施

赵明明 

（大庆油田第一采油厂机采设备维修大队，黑龙江 大庆 163000）

摘要：曲柄销子断裂容易引起安全事故，本文对抽油机曲柄销断裂位置、受力情况和影响因素进行了分析，并提出有效地防范措施。

关键词：抽油机；曲柄销；疲劳分析；断裂

中图分类号：TE933.1   文献标识码：A   文章编号：1671-0711（2019）07（下）-0080-02

曲柄销是抽油机采油设备的关键零部件，主要是由曲柄销、锥套和紧固元件等构成。销体一侧应用螺纹紧固的办法来与曲柄体实现连接，另一侧采用滚动轴承实现与连杆机构的连接，中间部位应用圆锥面构件和曲柄锥套进行紧固连接，锥套元件再与柄体实现有效的连接。曲柄销采用螺纹连接的方式主要为销体和锥套之间的过盈配合形成足够的过盈力，并保证该种状态处于稳定状态。把曲柄的圆围运转变成游梁的上下往复运动，实现了动力的传送作用。但是，曲柄销部件非常脆弱，而抽油机装置工作环境十分恶劣，一般情况下只有几年的寿命，曲柄销断裂问题比较突出，会使抽油机装置无法正常运转，连刊过载或拉断、抽油机装置侧翻，会给油田企业造成较大的经济损失，需要对曲柄销子断裂问题进行深入的分析，并制定出有效地防治措施。1 抽油机曲柄销断裂位置分析

为了更好地对曲柄销疲劳寿命进行估测，需要对曲柄销做好受力分析来对载荷状态进行深入了解。曲柄销主要会受到如下几种力：（1）连杆施加的拉力。（2）曲柄销与柄锥套形成的过盈接连力。（3）连接螺纹施加的预紧力。（4）每个零件间的作用力，使每个零部位形成滑移趋势，或由产生滑动而形成的摩阻。（5）连杆和曲柄销之间轴承在运转过程中对曲柄销施加的摩阻。因为曲柄销和承轴相互间的摩阻非常小，受力分析可以忽略。

一般情况下，连杆拉力以及连接螺纹施加的预紧力共同作用之下，曲柄销以及轴套部位会发生一定程度的形变，连杆施加的拉力会传递给销锥面最小的一侧，在交变载荷影响之下，销锥较小的一侧、螺纹根部最容易由于疲劳而产生断裂问题。某采油厂对在2018年更换了三口抽油机的曲柄销子，经过检查发现是在图1中的2位置形成了裂纹。引起该现象的原因主要是在加工过程中，退刀槽位置直径变细，截面形状会形成突变，在该部位中的应力比较集中，同时，该部位是剪切应力主要的施加作用点，极易产生断裂问题。2 曲柄销受力分析

三相异步电机高速旋转的动能输送到减装箱，经过减速处理之后通过输出轴拖动曲柄实现较低转速的运行，曲柄装置通过销子把力矩施加给连杆机构，通过抽油机横梁带动游梁后臂完成摆动，在游梁前部装有驴头构件，活塞上侧的液柱和抽油杆等负载，都经过悬绳器施加在驴头上面，当驴头和游梁共同实现上下摆动时，使活塞完成上下往复运动，把油液从油井中抽取出来。

图1 抽油机曲柄销

从上述的抽油机工作原理中可以看出，曲柄销子承受应力的方向和大小呈现出周期性变大，受到外部交变载荷施加的影响，曲柄销子部位形成的断裂主要是因为金属疲劳而出需要经过精密的设计，从而保证转子磁中心与定子磁中心相吻合，才能保证大型汽轮发电机在电厂中安全、可靠、稳定的运行。

如图1所示，1、2位置是抽油机曲柄销容易断裂的部位，3 结语 

当预位移、额定运行和最大膨胀量时，此台功率350MW水氢氢汽轮发电机在汽、励端盖轴承油密封、集电环与电刷、集电环风扇与风扇罩、本体风扇座环与导风环处涉及窜动量问题的结构不存在磕碰干涉和脱离现象，现有设计满足汽轮机公司提供的膨胀量要求。

在大型汽轮发电机设计中，要充分考虑到膨胀量对发电机的影响，采取冷态预位移安装。无论是汽轮机向发电机侧膨胀还是反向拉发电机，相关有可能磕碰干涉和密封位置都

参考文献：

[1]汪耕，李希明．大型汽轮发电机设计、制造与运行[M]．上海科学技术出版社：上海，2000．

[2]陈世坤．电机设计[M]（第2版）.机械工业出版社：北京，2000.

[3]汤蕴璆，史乃．电机学[M]．机械工业出版社，北京2005.

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