軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)子部件的設(shè)計(jì)與安裝技術(shù)

李厚濤

（東芝水電設(shè)備有限公司，杭州 310016）

深溪溝水電站是大渡河干流規(guī)劃的第18級(jí)電站，其主要任務(wù)為發(fā)電，電站設(shè)計(jì)安裝4臺(tái)單機(jī)容量為165MW的SF165-66/13640軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量660MW。該水輪機(jī)組由東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司制造并負(fù)責(zé)安裝，目前1號(hào)機(jī)組和2號(hào)已完成72h試運(yùn)行；3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組正在安裝中。本文主要介紹SF165-66/13640軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)子支架等大型部件的設(shè)計(jì)與安裝技術(shù)。

1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

SF165-66/13640軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)為立軸半傘式、三相凸極同步發(fā)電機(jī)，額定容量為183.34MVA/165MW，額定轉(zhuǎn)速為90.9r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為273 r/min，GD2> 61000 t·m2，冷卻方式為密閉自循環(huán)空氣冷卻。水輪機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極、制動(dòng)環(huán)板等部件以及其他輔助件組成，其中轉(zhuǎn)軸為三段結(jié)構(gòu)，即上端軸+轉(zhuǎn)子中心體+發(fā)電機(jī)主軸。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（剖面）

2 轉(zhuǎn)子部件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的尺寸為 12 804mm×12 804mm×2050mm，飛逸轉(zhuǎn)速為273r/min（是額定轉(zhuǎn)速的3倍）；轉(zhuǎn)子的機(jī)械應(yīng)力是按飛逸轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)轉(zhuǎn)子的飛逸離心力為931 000kN。為保證轉(zhuǎn)子在飛逸工況下各部件能長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，轉(zhuǎn)子磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子支架的材料選擇各項(xiàng)機(jī)械性能好、強(qiáng)度高的優(yōu)質(zhì)鋼材，并保證一定的安全系數(shù)。

2.1 轉(zhuǎn)子支架

轉(zhuǎn)子支架的外徑達(dá)到Φ10 650mm，由于深溪溝水電站道路運(yùn)輸尺寸限制，因此將轉(zhuǎn)子支架設(shè)計(jì)為分體制造、運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接成整體。根據(jù)轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)、剛強(qiáng)度要求和立筋周向布置特點(diǎn)，將轉(zhuǎn)子支架設(shè)計(jì)成圓盤式現(xiàn)場(chǎng)焊接結(jié)構(gòu)，由1個(gè)中心體和4個(gè)外環(huán)件組成，制動(dòng)環(huán)把合在外環(huán)件的下輻板的下側(cè)，共設(shè)計(jì)了16根主立筋與外環(huán)件組焊為一體。轉(zhuǎn)子支架的高度為2050mm，其結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。中心體由上下圓板、上下輻板、中心圓筒和筋板組成，外徑為Φ4800mm，最大高度為2015mm,重量為46t。外環(huán)件由上下輻板、主立筋、立筋和制動(dòng)環(huán)補(bǔ)強(qiáng)板組成，每個(gè)外環(huán)件重量約為15t。轉(zhuǎn)子支架的總重量為106t。

圖2 轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)剖面圖

考慮到轉(zhuǎn)子支架在分體運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)焊接的過程中各部件會(huì)有一定的變形，設(shè)計(jì)時(shí)在副立筋上預(yù)留10mm現(xiàn)場(chǎng)加工余量，根據(jù)轉(zhuǎn)子支架焊接后的主立筋外形尺寸來確定副立筋的尺寸，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)副立筋配刨加工后焊接在主立筋上，以保證達(dá)到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子支架外徑尺寸。

設(shè)計(jì)充分考慮了該水輪機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)，為保證轉(zhuǎn)子支架的強(qiáng)度及剛度，中心體下法蘭面和主軸均采用鍛件，材質(zhì)為20SiMn；中心體與主軸通過聯(lián)軸螺栓把緊，并采用扭矩鍵來傳遞轉(zhuǎn)矩。

2.2 轉(zhuǎn)子磁軛

轉(zhuǎn)子磁軛的外徑達(dá)Φ12 270mm，重量為370t，其飛逸離心力為320 000k N，因此其材料采用高強(qiáng)度鋼板（屈服極限大于650MPa）。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極數(shù)和周向鍵槽個(gè)數(shù)，并考慮運(yùn)輸和安裝的方便性，每周采用5極扇形磁軛片2張和4極扇形磁軛片14張。磁軛整體由磁軛端板、磁軛片、拉緊螺桿、螺母、磁軛擋風(fēng)板、磁軛調(diào)整片和磁極止落塊等構(gòu)成，通過螺栓傳遞磁軛片間的作用力，使磁軛成為一個(gè)剛度和強(qiáng)度都很好的整體；拉緊螺桿采用冷拉高強(qiáng)度螺栓來承受飛逸工況下的剪切應(yīng)力。磁軛與轉(zhuǎn)子支架采用16付徑向、切向組合鍵連接，以保證正常運(yùn)行時(shí)磁軛的圓度和有效傳遞扭矩。

2.3 轉(zhuǎn)子磁極

磁極由磁極鐵心、阻尼繞組及套于鐵心的線圈組成。

磁極鐵心由1.5mm厚的高強(qiáng)度鋼板沖片疊壓而成，屈服極限達(dá)250MPa以上，并用冷拉高強(qiáng)度拉緊螺桿固定。鐵心設(shè)鴿尾掛裝在磁軛上，可滿足強(qiáng)應(yīng)力的需要。

磁極線圈由異形斷面的半硬紫銅排焊接而成，具有良好的散熱性能。線圈匝間墊以Nomex絕緣紙，與銅排熱壓成一體。線圈對(duì)地絕緣除了極身絕緣外，在極身四周角部設(shè)置角部絕緣。磁極線圈上、下部各設(shè)置整體絕緣法蘭，避免運(yùn)行時(shí)在離心力作用力下絕緣法蘭逃離。線圈靠近磁軛側(cè)用硅膠填充間隙后整個(gè)線圈一起熱壓，以增加對(duì)地絕緣性能。

磁極采用鴿尾掛裝方式，在磁極鐵心鴿尾側(cè)面打入長(zhǎng)楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，楔形鍵用壓板鎖定，這種結(jié)構(gòu)便于磁極拆裝。磁極線圈之間設(shè)置有擋風(fēng)板，采用可拆卸結(jié)構(gòu)，不吊出轉(zhuǎn)子即可進(jìn)行磁極的檢修及更換。

磁極鐵心上設(shè)有縱、橫阻尼繞組。阻尼環(huán)固定于磁極端板上，阻尼環(huán)連接、磁極上部極間連接均采用軟連接，磁極下部極間引出線采用銅排固定座固定在磁軛端板上，可承受離心力的作用。勵(lì)磁引線由銅排制成，使用固定座固定，布置在磁軛、轉(zhuǎn)子支架上端面沿發(fā)電機(jī)上端軸接至集電環(huán)。

3 轉(zhuǎn)子部件的安裝特點(diǎn)

3.1 轉(zhuǎn)子支架的制造及安裝

設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子支架工廠制造流程如圖3所示。通過此制造流程，可以有效地控制各環(huán)節(jié)的加工質(zhì)量，保證中心體、外環(huán)件在現(xiàn)場(chǎng)焊接組裝時(shí)對(duì)平面度、平行度、圓度和垂直度等的精度要求。

圖3 轉(zhuǎn)子支架制造流程

設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)場(chǎng)焊接流程如圖4所示。嚴(yán)格按照此流程操作，通過對(duì)轉(zhuǎn)子支架半徑方向上的焊接收縮量以及中心體水平、外環(huán)件半徑、輻板水平、立筋間弦距、立筋垂直度、制動(dòng)環(huán)水平等的有效控制，并合理確定副立筋的配刨量，可以防止現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中極易產(chǎn)生焊接變形，使焊接組裝后的轉(zhuǎn)子支架尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 轉(zhuǎn)子磁軛的疊裝及熱套

圖4 轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)場(chǎng)焊接流程

轉(zhuǎn)子磁軛總高1840mm，沖片采用4.5mm厚的高強(qiáng)度磁軛鋼板激光切割而成，整周為16張扇形片（4極片14張，5極片2張）組成，根據(jù)磁軛鍵、定位銷、定位鍵夾具等確定磁軛疊裝基準(zhǔn)。每2張沖片為一疊，層間錯(cuò)開一個(gè)磁極搭疊。磁軛預(yù)壓緊分4次進(jìn)行，預(yù)壓緊使用預(yù)緊螺桿，預(yù)壓緊高度分別為500、750、1500mm，最后一次總高度為1840mm。磁軛疊裝過程中，每疊100mm高度，必須對(duì)磁軛的內(nèi)、外徑高度、周向波浪度進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)使用0.5mm厚的墊片進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)，使用磁軛孔調(diào)整工具對(duì)各層磁軛片進(jìn)行調(diào)整。磁軛疊壓合格后更換磁軛拉緊螺桿，然后按照設(shè)計(jì)要求，將各種規(guī)格的螺桿按指定的伸長(zhǎng)量配合適當(dāng)?shù)牧剡M(jìn)行最終把緊和鎖定。

磁軛疊裝完畢后，需進(jìn)行磁軛鍵的熱打。熱打緊量按1.25倍的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計(jì)，使轉(zhuǎn)子中心體與磁軛之間產(chǎn)生必要的緊量，磁軛熱打量的單邊緊量為2.26mm。為保證磁軛熱打后磁軛的同心度、圓度不發(fā)生偏移，在冷態(tài)情況下應(yīng)保持磁軛鍵槽中徑向、切向組合鍵的楔緊度均勻、平衡，然后再進(jìn)行加熱熱打。

根據(jù)轉(zhuǎn)子磁軛體積大等特點(diǎn)，選擇加熱容量大、利用系數(shù)高、加熱均勻的方式才能取得良好的熱打效果。方法是在磁軛片上開加熱孔，磁軛疊裝完成后插入電阻加熱管通電加熱。根據(jù)磁軛沖片特點(diǎn)，加熱孔布置于磁軛片極與極之間的內(nèi)外徑側(cè)，共采用了132根加熱管，單根容量為3k W，總?cè)萘繛?96k W，留有一定的加熱余量。根據(jù)計(jì)算，單邊磁軛熱膨脹2.26mm，加熱溫升為40K，磁軛加熱總?cè)萘繛?94.7k W。當(dāng)磁軛被加熱到所需的膨脹時(shí)，將磁軛鍵槽中各處徑向楔形鍵均勻的打入到指定長(zhǎng)度，關(guān)閉電源，待磁軛自然冷卻后打入兩側(cè)楔形鍵。采用這種組合磁軛鍵具有徑向軸向配合緊密、運(yùn)行中保證轉(zhuǎn)子圓度、抗過速性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

通過這種大型圓盤式水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子磁軛、轉(zhuǎn)子磁極的設(shè)計(jì)、制造、安裝以及機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，為今后大型水輪發(fā)電機(jī)組的研發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為大型水輪發(fā)電機(jī)組安裝提供了借鑒。

[1]白延年, 劉公直, 張殿軍, 等. 水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.

[2]張傳山, 劉元嬌. 三峽ALSTOM機(jī)組轉(zhuǎn)子磁軛熱套工藝改進(jìn)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2007(4).