1000MW級汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵路運輸研究總結(jié)

謝玉增，付長虹，鄭龍?zhí)?，梁洪濤，王建忠，?松，陳 斯

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

前言

汽輪發(fā)電機(jī)的容量與定子的重量及橫斷面尺寸密切相關(guān)，伴隨著容量的提高，定子的重量及橫斷面尺寸都要增大，對于1000MW級汽輪發(fā)電機(jī)定子，重量一般要達(dá)到420 t以上，直徑超過4100 mm，超出常規(guī)貨物運輸極限，歸屬長大貨物，運輸難度極大，這里不僅面臨是否有適合的運輸車輛的問題，更大的困難在于道路與橋梁、隧道的承載能力或限界問題；公路、鐵路甚至水路接力運輸，小至道路橋梁臨時加固，臨時拆除沿途建筑設(shè)施，大到需要修建橋梁碼頭甚至開辟新線路，浩繁的工程要地方政府或國家機(jī)關(guān)出面協(xié)調(diào)，涉及規(guī)劃投資等一系列問題。

歐美發(fā)達(dá)國家在開發(fā)1000MW級汽輪發(fā)電機(jī)項目時同樣面臨該問題，并為此付出艱辛的努力，致力于解決超重超限物資的鐵路運輸，在解決了國家重點項目所需的大件運輸?shù)耐瑫r，也促進(jìn)了鐵路超重超限物資車輛技術(shù)水平的長足發(fā)展以及道路橋梁設(shè)施的及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)和更新發(fā)展。該問題在中國境內(nèi)更為嚴(yán)峻，有兩方面原因：一是中國能源策略仍然以火電為主，大規(guī)模的1000MW級汽輪發(fā)電機(jī)項目需求是以往發(fā)達(dá)國家所不及的；其二，國內(nèi)鐵路道橋建設(shè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對大車運行不利，限制了大件貨物運載極限。中國鐵路從80年代初期開始運用鉗夾車運輸600MW汽輪發(fā)電機(jī)定子，運輸車輛不斷完善，自重不斷降低，D38鉗夾車在項目研究實施初期是國內(nèi)鐵路適合汽輪發(fā)電機(jī)定子運輸?shù)淖畲筌囕v，核定最大承載能力為380t，專門為此項目開發(fā)配備的DQ45鉗夾車核定最大承載能力為450 t，但運輸管理部門對超重等級的控制也日漸嚴(yán)格，目前只允許一級超重等級的運輸，DQ45鉗夾車在一級超重等級時的承載能力為408 t，橋梁現(xiàn)狀及運輸管理問題限制了車輛的實際承載能力。

鐵路運輸安全快捷、費用低，解決定子鐵路運輸對制造企業(yè)擴(kuò)大市場范圍、提高經(jīng)濟(jì)效益有積極意義。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司從2006年開始就1000MW級汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵路運輸進(jìn)行專項研究，依托華能沁北 2X1000MW 超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組項目，該專項研究技術(shù)得以實施和驗證，應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計制造的兩臺發(fā)電機(jī)定子分別于2010年10月及2011年2月通過鐵路運輸安全到達(dá)目的地，如圖1所示。裝車及運輸過程實時監(jiān)控數(shù)據(jù)與設(shè)計值對比分析表明，運輸相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到預(yù)期要求。

1 分體運輸方案

解決大容量發(fā)電機(jī)定子運輸問題可以采用內(nèi)外機(jī)座設(shè)計，已有成熟的經(jīng)驗，將發(fā)電機(jī)定子機(jī)座設(shè)計成內(nèi)、外兩部分，在工地進(jìn)行內(nèi)外機(jī)座的插裝等工作，內(nèi)定子的尺寸與重量都較同容量的整體定子小，降低了運輸難度，在本項目研究初始階段，中國鐵路相關(guān)部門已著手進(jìn)行1000MW內(nèi)定子鐵路運輸準(zhǔn)備工作，且已成功實施，鐵路部門為此專門研制配備了 DA37型凹底運輸車。

內(nèi)定子雖有較整體定子運輸尺寸小重量低的優(yōu)點，但在后續(xù)現(xiàn)場施工需專用工藝裝備及搭建臨時廠房，在簡陋工藝裝備條件下的組裝精度控制、絕緣系統(tǒng)的保護(hù)、施工的組織與施工周期控制、現(xiàn)場施工時間較整體定子明顯延長等一系列問題，制造廠和用戶必須對此付出努力和讓步。

圖1 1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵路運輸

2 1000MW汽輪發(fā)電機(jī)定子整體運輸方案

從保證發(fā)電機(jī)性能以及施工周期等全方位考慮，采用定子整體運輸仍是最佳選擇，絕緣性能是影響發(fā)電機(jī)可靠性的關(guān)鍵問題，在制造廠內(nèi)完成定子全部裝配過程能更好的保證發(fā)電機(jī)性能，也方便在運輸和儲存過程的防護(hù)工作，能夠最大限度保證產(chǎn)品質(zhì)量并縮短現(xiàn)場施工周期，充分滿足戶利益需求；對于制造廠也有利于降低生產(chǎn)成本和運輸成本。

鐵路的建筑接近限界、曲線半徑、軸載荷、道橋活載荷、車輛設(shè)計規(guī)范等技術(shù)條件制約了大車的設(shè)計，使車輛的承載能力不能無限制的提高，一些特定長度的橋涵成為過橋限制門限，使車輛與貨物的總重最大允許值被限定，在此條件約束下，減重成為發(fā)電機(jī)定子及車輛的共同問題，這是1000MW汽輪發(fā)電機(jī)定子實現(xiàn)整體鐵路運輸?shù)年P(guān)鍵所在。

長大貨物運輸車輛結(jié)構(gòu)形式有較強(qiáng)的針對性，汽輪發(fā)電機(jī)定子斷面闊大，自身剛強(qiáng)度高，適合采用鉗夾車運輸。鑒于車輛與發(fā)電機(jī)定子的接口參數(shù)的合理性關(guān)系到車輛和發(fā)電機(jī)定子能否重量最小，更關(guān)系到運輸安全，技術(shù)協(xié)調(diào)工作貫穿車輛及發(fā)電機(jī)整個設(shè)計過程，發(fā)電機(jī)機(jī)座與運輸工具在運輸工況應(yīng)力計算分析比照車輛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)考核，這對設(shè)計的進(jìn)行及保障運輸安全都是至關(guān)重要的。

1000MW發(fā)電機(jī)定子鐵路運輸方案確定為采用整體定子運輸方案，發(fā)電機(jī)定子運輸工具（與鉗夾車的連接接口）采用運輸端蓋形式，針對運輸端蓋存在耳板根部應(yīng)力集中問題和定子機(jī)座大幅度減重引起剛強(qiáng)度降低問題，采用承載頂部蓋板和底部預(yù)應(yīng)力直聯(lián)拉桿結(jié)構(gòu)。接口關(guān)鍵數(shù)據(jù)經(jīng)與車輛設(shè)計部門協(xié)調(diào)研究，鉗夾寬度為2000mm，高度為3150mm，車輛重量205t，發(fā)電機(jī)定子連同運輸工具總重不超過 408t，在此條件下過橋超重指標(biāo)為一級超重，既有線路上過橋不需要進(jìn)行臨時加固。

在保證發(fā)電機(jī)性能的基礎(chǔ)上，控制斷面尺寸和重量是先決條件，這里還涉及到新結(jié)構(gòu)對發(fā)電機(jī)長期運行振動的影響、通風(fēng)問題、制造工藝問題的研究與權(quán)衡，這些問題不在本文論述范圍。

2.1 定子相關(guān)結(jié)構(gòu)

為最大限度降低重量、縮小斷面尺寸，并兼顧通風(fēng)結(jié)構(gòu)的要求，定子機(jī)座斷面形狀非同以往結(jié)構(gòu)，設(shè)置在機(jī)座底部的外附軸向通風(fēng)道以及冷卻器罩內(nèi)的軸向通風(fēng)道夾層替代了以往結(jié)構(gòu)鐵心背部的軸向通風(fēng)道，這種斷面結(jié)構(gòu)形式可以使1000MW機(jī)座最大寬度控制在3840mm，（600MW機(jī)座為4000mm），有利于通過性能，降低了運輸過程技術(shù)操作難度，如圖2所示。新結(jié)構(gòu)相關(guān)的制造工藝也是制約因素，最終方案折中權(quán)衡了所有相關(guān)要求及條件。

圖2 1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座

根據(jù)發(fā)電機(jī)運行及定子鐵路運輸受力工況分析，定子機(jī)座采用345 MPa等級鋼板，機(jī)座底部的外附軸向通風(fēng)道加強(qiáng)了機(jī)座底部的剛強(qiáng)度，降低定子鐵路運輸工況平均應(yīng)力，頂部有保護(hù)蓋板結(jié)構(gòu)輔助加強(qiáng)，除去局部大應(yīng)力位置，1000MW 機(jī)座整體應(yīng)力符合鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范中關(guān)于金屬零件許用應(yīng)力的規(guī)定。

2.2 運輸端蓋

運輸過程中，發(fā)電機(jī)定子、運輸端蓋以及連接結(jié)構(gòu)與鉗夾車的鉗夾梁共同形成承載結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到運輸安全，分析論證必需嚴(yán)謹(jǐn)可靠，研究過程采用有限元輔助分析（靜力分析）優(yōu)化結(jié)構(gòu)方法，高強(qiáng)鋼的選用充分權(quán)衡焊接性能，在焊料選材、焊接工藝過程嚴(yán)格控制，采用超聲波沖擊強(qiáng)化工藝提高關(guān)鍵焊縫耐疲勞性能，確保運輸安全。

運輸端蓋的重量也必須嚴(yán)格控制，為此端板沒有采用大面積的厚鋼板，取而代之的是井字加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)，耳板是關(guān)鍵受力部位，根據(jù)應(yīng)力分布規(guī)律在不同位置采用不同厚度，雖然承擔(dān)的運輸重量比以往更大，但運輸端蓋自身重量卻較以往結(jié)構(gòu)更輕，抗彎剛度更高，也使連接螺栓受力分布較以往結(jié)構(gòu)更均勻；連接螺栓大部分利用發(fā)電機(jī)端蓋把合孔，在受力集中的區(qū)域布置了運輸端蓋專用螺栓孔，這些螺栓孔的分布由有限元輔助分析優(yōu)化，連接整體性、總體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理以及實際操作便利性都得到權(quán)衡。

運輸端蓋的耳板銷孔部位是與鉗夾車鉸接的關(guān)鍵受力部位，此處承擔(dān)傳遞機(jī)座重力以及鉸接附加力，在該運輸方案下每側(cè)耳板分別達(dá)到120t和 448t， 該處的材料許用應(yīng)力有嚴(yán)格的要求，經(jīng)有限元分析表明，最終結(jié)構(gòu)耳板R150圓弧部位最大Von.Mises應(yīng)力值為212.2MPa，如圖 3所示，采用高強(qiáng)度可焊接鋼板, 許用應(yīng)力參考鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范中關(guān)于金屬零件的有關(guān)規(guī)定。

圖3 運輸端蓋耳板R150圓弧部位Von.Mises應(yīng)力分布

2.3 連接螺栓及拉桿

采用貫穿拉桿連接汽、勵兩端運輸端蓋，在裝車前施加預(yù)緊力，由捶頭式凹球面拉桿座直接與耳板底部延伸結(jié)構(gòu)接觸，形成母材鉸接傳力結(jié)構(gòu)，避免焊接結(jié)構(gòu)承受高應(yīng)力，該結(jié)構(gòu)也避免了無拉桿結(jié)構(gòu)在耳板與端板焊接區(qū)域的高應(yīng)力區(qū)現(xiàn)象。凹球面拉桿座與凸球面墊圈形成自調(diào)心結(jié)構(gòu)，使貫穿拉桿受力狀態(tài)簡化為二力桿，避免承受彎矩附加應(yīng)力，提高使用強(qiáng)度。

上述做法可以有效降低運輸端蓋和機(jī)座危險部位的應(yīng)力和連接螺栓應(yīng)力，有利于保證運輸安全，部分拉力通過貫穿拉桿直接傳輸，降低定子與運輸端蓋連接螺栓的受力，保證連接壓力和整體性。貫穿拉桿和螺母的材料為鍛造高強(qiáng)鋼，許用應(yīng)力及要求按鉗夾車的鉗夾梁相關(guān)要求執(zhí)行。

貫穿拉桿以及螺母、連接螺母、球面墊圈組的結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣圍繞減輕自重及降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中進(jìn)行，拉桿兩端采用的螺紋小徑大于拉桿母體直徑，降低螺紋部位的危險應(yīng)力。出于制造以及運輸完成后工具回送便利考慮，貫穿拉桿采用分段結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及總體布置同樣要顧及裝拆操作工藝性，包括裝車前以及到達(dá)現(xiàn)場條件下的拆卸操作，貫穿拉桿裝車前的預(yù)緊力數(shù)值較大，專門設(shè)計的液力拉伸器在操作便利性和預(yù)緊力數(shù)值控制準(zhǔn)確性方面同樣優(yōu)秀。

3 分析驗證結(jié)果及存在問題

兩次運輸運行途徑相同，全程約2378公里，跨及哈爾濱、沈陽、北京、濟(jì)南、鄭州五個鐵路局，時間皆處于對材料性能不利的嚴(yán)寒季節(jié)，特別是在哈局管內(nèi)，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的耐低溫性能得到驗證，根據(jù)兩次裝車及運輸過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到預(yù)期要求，定子機(jī)座、運輸端蓋、貫穿拉桿等形成的運輸狀態(tài)承載主體結(jié)構(gòu)具有足夠的安全裕度，能夠滿足安全要求，操作實施方便合理。

運輸實時監(jiān)控數(shù)據(jù)分析表明，通過道岔有害空間以及曲線的外軌大超高產(chǎn)生側(cè)傾引起的附加載荷對連接螺栓、貫穿拉桿以及運輸端蓋的動載荷都有不同程度的影響，是運輸安全的不利因素。

兩次運輸關(guān)鍵部位監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)（見表1和表2）比較結(jié)果證明，不同結(jié)構(gòu)部位的動載荷系數(shù)是不同的，連接螺栓和貫穿拉桿有較大預(yù)緊力的部件受動載荷影響相對較小，按分析計算中統(tǒng)一的動載荷系數(shù)1.3進(jìn)行勢必造成安全裕度冗余，1000MW 級汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵路運輸是在現(xiàn)有運輸條件下的極限設(shè)計，所有結(jié)構(gòu)的設(shè)計都囿于自重的控制，動載荷系數(shù)細(xì)微的變化都可能導(dǎo)致總重量超過極限，合理的動載荷系數(shù)的選取對設(shè)計工作至關(guān)重要。

計算機(jī)運算速度的提高使有限元輔助分析網(wǎng)格更加細(xì)化，可以顯現(xiàn)細(xì)微結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力狀態(tài)，相關(guān)規(guī)范在材料許用應(yīng)力方面要求應(yīng)進(jìn)行修正。大車的運用條件不同于常規(guī)車輛，運行時間短，不存在疲勞問題，用常規(guī)車輛標(biāo)準(zhǔn)考核大車的設(shè)計勢必嚴(yán)重制約其發(fā)展，借鑒德國等發(fā)達(dá)國家在這方面的經(jīng)驗制訂切合實際的考核標(biāo)準(zhǔn)對提高中國鐵路大件貨物最大運載極限是關(guān)鍵問題，這同樣關(guān)系到運輸端蓋的合理設(shè)計。

表1 第一次運輸關(guān)鍵部位監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

表2 第二次運輸關(guān)鍵部位監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

4 總結(jié)及展望

定子運輸是1000MW級汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計必須關(guān)注的問題，忽視該問題將給后續(xù)工作帶來一系列棘手的問題，沁北項目1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)定子整體鐵路運輸是發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠、車輛制造廠、鐵路運輸執(zhí)行部門聯(lián)手協(xié)作，從方案設(shè)計階段開始進(jìn)行技術(shù)交流、探索創(chuàng)新的成功嘗試，刷新了中國鐵路發(fā)電機(jī)定子運輸能力的極限值，為此項目設(shè)計制造的鉗夾車的自重系數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，發(fā)電機(jī)定子也是同容量最輕的（378t），是唯一可以在中國鐵路實施整體運輸?shù)?000MW級發(fā)電機(jī)定子。

如此偏重于運輸?shù)募s束條件研究設(shè)計發(fā)電機(jī)定子在發(fā)電機(jī)制造業(yè)是首次，諸多創(chuàng)新結(jié)構(gòu)獲得多項國家發(fā)明專利及實用新型專利，這些創(chuàng)新結(jié)構(gòu)都是圍繞降低機(jī)座總重、斷面尺寸，適應(yīng)鐵路道橋建設(shè)現(xiàn)狀，滿足運輸安全系數(shù)這個基本要求進(jìn)行的。 以目前國內(nèi)車輛、道路橋梁的實際情況以及超限等級計算方法、運輸超限等級的控制允許情況分析，1000MW 汽輪發(fā)電機(jī)的內(nèi)定子、整體定子都已達(dá)到或接近現(xiàn)有運輸車的實際能力極限，即使鐵路相關(guān)部門允許二級甚至超級超重運行，目前的車輛也無法滿足更大容量定子的運輸重量需求；車輛進(jìn)一步降低自重，運輸操作及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許門限、新的活載標(biāo)準(zhǔn)的實施以及開發(fā)新的運輸承載方式是解決足更大容量汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵路運輸?shù)年P(guān)鍵。

大件運輸支持國民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵項目的實施，運輸工作對大件運輸?shù)哪芰凹夹g(shù)發(fā)展又有巨大的促進(jìn)作用，跨行業(yè)的技術(shù)交流與進(jìn)一步探討溝通至關(guān)重要。

[1] 梁洪濤.1000MW 級汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵路整體運輸方案研究 [J].大電機(jī)技術(shù), 2008, (3).

[2] 張進(jìn)德等.中國鐵路長大貨物運輸[M].中國鐵道出版社, 2001.

[3] 田葆栓等.中國鐵路長大貨物車使用手冊[M].中國鐵道出版社, 2005.