摘要：制动环是水电厂水轮发电机实现制动效果的关键部位，当制动环产生裂纹后，会给水电厂水轮发电机的正常运行带来较大隐患。文章对水电厂水轮发电机制动环裂纹处理的必要性进行了论述，对水电厂水轮发电机制动环裂纹产生的原因进行了分析，进而探讨了水电厂水轮发电机制动环裂纹的处理措施，以供相关人员参考。
关键词：水轮发电机；制动环；裂纹；热应力；电制动
进入二十一世纪以来，我国社会经济的快速发展以及百姓生活水平的不断提升，促使社会用电量也在持续增长。为了满足实际用电需求，充分发挥地区水资源优势，不少地区相继建设了多个水电厂项目。水电厂的投入使用固然给电力企业带来较大的经济效益，但在水电厂运行中常常会出现各种问题，给水电厂发电系统的持续运行造成很大影响。其中水轮发电机制动环裂纹问题的产生，若不及时有效处理，将会对水轮发电机组的制动方面有严重影响。
1.水电厂水轮发电机制动环裂纹处理的必要性
很多水电厂的水轮发动机采用的是不可拆卸式制动环，此类制动环出现裂纹后，如果不及时处理，裂纹将会持续扩大，最终会贯穿内外环而出现断裂，从而给发电机组的正常运营带来极大的安全威胁。通常情况下，当水轮发电机制动环完全断裂时，可采用重叠发电机转子的方式来更换新的制动环。在此过程中，需要补充部分磁轭铁片，更换绝大多数拉紧螺栓，再加上新制动环以及叠装施工成本等，需要投入大量资金。
但若水轮发电机制动环磨损较为轻微，更换制动环就会显得不够经济，所以大多数情况下，水电厂会拖延处理时间，从而给水轮发电机的持续运行埋下隐患。因此，很有必要研究出一种不重叠发电机转子，还能有效处理制动环开裂问题方法。
2.水电厂水轮发电机制动环裂纹成因分析
2.1水轮发电机制动块材质不佳
从相关研究结果得知，造成水电厂水轮发电机制动环温度快速升高的因素非常多，同时影响力矩增加的因素也很多，并且制动环升温与相应的力矩增加二者之间的具有一定的关联性。从相关实验研究得知，制动环温度较高的情况发生在制动过程的中间阶段，此时不同材质的制动块，其温度上升情况也存在一定的差异。同时使用时间较长的制动块的摩擦系数比新制动块明显高出很多，其制动力矩与升温幅度也相对较大。
2.2热应力作用
实质来讲，水电厂水轮发电机的制动过程是一个能量转化的过程，发电机制动系统将动能转化为热能，之后全部发散。若要将水轮发电机制动中的剩余能量计算出来，还应有效确定发电机组的转动惯量以及转动角速度两个指标。
从实际情况来看，水电厂水轮发电机的制动系统具有较高的安全性和稳定性，同时其制动操作也较为便捷。但从整个水轮发电机组的角度来看，其在运行过程中的转速与惯量都非常大，并产生了较大的力矩，在很大程度上减少了制动停机时间。同时，如果水轮发电机出现漏水情况，将会大幅度增加发电机制动环的摩擦热能，摩擦面会有鱼鳞状斑块产生，并且这些斑块大都是红色的，可见此时的摩擦温度非常高[1]。
若想有效确定制动环的摩擦温度，就一定要进行制动环温升实验。根据大量实验结果可以得知，当水轮发电机组停机后的制动过程中，其制动环温度会大幅度提升，通常达到一千多度高温。在此过程中，制动环温度急剧上升的原因，主要在于其自身发生膨胀，促使产生热应力而造成的后果。
2.3水轮发电机制动环结构不合理
水电厂水轮发电机制动时，受摩擦力影响，不仅会促使制动环的温度大幅度升高，还会对制动环造成一定程度的磨损。水轮发电机制动环由八个制动块组成，并且相邻两个制动块的间距是固定不变的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从诸多制动环开裂事故现场的情况来看，制动环的裂纹先出现在制动环表面，然后逐步向更深层延伸，特别在制动环核心沟槽部位，所产生的裂纹最为严重。
同时，在制动环设计环节中，如果制动环清灰槽底部设计制造不达标，就产生尖角应力集中化现象。一旦这个应力大于制动环最大承受值，就会造成制动环裂纹的产生，严重时会出现断裂问题，若螺孔与清灰槽距离较近，同时还会造成螺孔出现裂纹。所以，水轮发电机制动环结构设计不科学不合理，也会使其受到全面损坏，从而产生下挠变形问题。
3.水电厂水轮发电机制动环裂纹的处理措施
3.1有效改善水轮发电机制动环结构
在不受温度以及摩擦应用的情况下，制动环能够充分满足水电上水轮发电机制动环的运行需要，但若制动环发生热疲劳或磨损问题后，将会加大制动环修复难度。此时，水电厂要加大对制动环修复的各方面投入，在必要情况下，甚至要进行解体修复。
对于具体的修复过程，可通过下压板制动环分离方式以及下压板拼焊方式来进行修复作业，以充分保证水轮发电机制动环结构的合理性，大幅度减少其所承受的机械约束力，从而有效降低摩擦热应力。此外，采用此种修复方式，能够为制动环受损后相关设备的更换提供极大的便利。
3.2合理控制水轮发电机制动起始转速
水电厂水轮发电机制动环所对应的转子功能，与其角速度具有一定的关联性，在角速度逐渐减小的过程中，制动能量也随之相应减少，从而促使制动环温度的上升幅度有效减小。若水轮发电机制动环其实速度较慢，会在很大程度上降低轴承的润滑性，严重情况下会造成轴承发生烧瓦或确有现象，大大提高了制动环的受损几率。所以，为了有效防止水轮发电机制动环裂纹的产生，一定要加强控制制动环的起始速度。具体来讲，就是在充分把握轴瓦和发电机转速的前提下，有效调整制动环的转速。
3.3增强水轮发电机机组电制动性能
在机械制动量不断增加的过程中，机械制动相关问题也相继产生。为有效解决这类问题，就一定要加装电制动设备装置，并加装具有较强电制动功能的发电机。对于加装电制动后的水轮发电机机组，当机组转速下降一定幅度时，就必须实施定子三相短路操作，并通过专业励磁电流对定子短路电流进行合理控制[2]。当机组转速下降七成后，就必须增加其励磁电流，以充分保证定子短路需要的电流量，从而促使制动力矩得以提升。水电厂水轮发电机组采用的电制动方式，具有非常高的安全性能以及稳定性能，并且操作起来十分方便，还能大大减少水轮发电机组的停机时间。同时，电制动方式在水电厂水轮发电机组中的应用，能够进一步提高水电厂水轮发电机组的自动化水平，有效提升水轮发电机制动环的运行效率，从而促使制动环受损率的有效降低。
3.4适当降低水轮发电机制动块硬度
从诸多试验研究结果来看，若要实现对制动环温度的有效控制，就一定要选用合理材质的制动块，同时修复存在制动环裂纹后，要适当降低制动块的硬度，以有效解决制动环在制动过程中的大幅度升温问题。不过制动块硬度的降低，会加速制动块的磨损，同时加大制动块更换难度，并且还会导致空气中粉尘量的不断增加，从而对周围环境造成一定程度的污染。
4.结语
总之，制动环对水电厂水轮发电机组的运行有关键性影响，制动环裂纹是水轮发电机组的巨大隐患，必须采取合理措施进行及时有效地处理。因此，水电厂一定要对水轮发电机制动环裂纹处理的必要性有深刻认知，同时充分了解水电厂水轮发电机制动环裂纹产生的原因，合理控制制动起始速度，有效改善制动环结构，适当降低制动块硬度，并不断加强水轮发电机的电制动功能，从而有效处理制动环裂纹，保证水轮发电机的正常运行。
参考文献:
[1]孟凯. 水轮发电机机械制动装置存在的问题及改进[J]. 工程技术:全文版, 2016(12):00233-00234.
[2]牟玉雷. 水轮发电机组高转速制动的危害及防范措施[J]. 科技创新与应用, 2014(33):65-65.
论文作者:高英磊
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/17
标签：水轮发电机论文; 水电厂论文; 裂纹论文; 机组论文; 水轮论文; 温度论文; 力矩论文; 《电力设备》2018年第26期论文;