公伯峽水電站水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及安裝技術(shù)介紹

孫彥龍

【摘 要】 對(duì)于大、中型水電站水輪發(fā)電機(jī)組，不斷降低制造成本、減少安裝費(fèi)用、縮短安裝工期、保證機(jī)組的正常運(yùn)行，是業(yè)主、設(shè)備制造商、施工單位共同的追求。水輪發(fā)電機(jī)組不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響著業(yè)主的投資成本、制造商的生產(chǎn)成本，決定著施工單位安裝工藝的不同。本文將重點(diǎn)介紹在建的公伯峽水電站與已投入運(yùn)行李家峽電站發(fā)電機(jī)組不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及安裝技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】 水輪發(fā)電機(jī)組 ?結(jié)構(gòu)改進(jìn) ?安裝技術(shù)

1 前言

公伯峽水電站位于青海省境內(nèi)化隆縣與循化縣交界處的黃河干流上，電站樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)及泄水系統(tǒng)組成;機(jī)電工程主要分水輪機(jī)組、水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備、勵(lì)磁、調(diào)速、主變壓器等部分。電站主廠房內(nèi)設(shè)計(jì)安裝5臺(tái)容量300MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組及其配套設(shè)備（參見表1）。電站總裝機(jī)容量1500MW，保證出力492MW，年發(fā)電量51.4億KW*h。發(fā)電機(jī)組設(shè)備由東方電機(jī)股份有限公司供貨。1#～5#水輪發(fā)電機(jī)組已于2004年至2006年6月先后實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)。黃河李家峽水電站設(shè)計(jì)安裝5臺(tái)400MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，Ⅰ期工程的1～4#機(jī)組已于1997年至1999年先后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

2 發(fā)電機(jī)定子

發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有以下三個(gè)方面：

（1）分瓣機(jī)座的組合采用了精加工的合縫板，并且環(huán)板的焊接接頭采用了搭接形式，易于控制機(jī)座在焊接過程中的變形。

李家峽水電站定子機(jī)座的組合方式是在環(huán)板接縫處安裝定位組合塊，環(huán)板的焊接接頭通常采用對(duì)接焊的形式。具有這種結(jié)構(gòu)形式的定子機(jī)座，由于其環(huán)板采用對(duì)接焊，要保證機(jī)座焊接后的關(guān)鍵尺寸，施工難度較大，對(duì)焊接工藝要求較高。尤其是機(jī)座下環(huán)板的圓度、半徑及波浪度。這不但增加了控制機(jī)座焊接變形的難度，而且焊后還要求焊縫進(jìn)行無損檢驗(yàn)，增加了成本和施工工期。公伯峽水電站的發(fā)電機(jī)定子機(jī)座分6瓣在工地裝配、焊接而成。機(jī)座組裝后其下環(huán)板的設(shè)計(jì)半徑為6370mm，高度為2165mm。分瓣機(jī)座的組合方式是在機(jī)座連接部位分內(nèi)、外兩側(cè)采用了精加工的合縫板，合縫板用M30的螺栓把合，合縫板的結(jié)構(gòu)形式易于保證機(jī)座組圓后的尺寸更接近設(shè)計(jì)值。機(jī)座環(huán)板的接頭形式采用了搭接形式，在每層環(huán)板的連接處搭接一塊魚尾板，這種搭接形式便于焊接，不需背縫清根，可有效地減小機(jī)座因焊接而發(fā)生的變形。

（2）定位筋采用了活筋結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的定子定位筋大都直接與托塊焊接，托塊又與機(jī)座環(huán)板直接焊接。具有這種定位筋固定形式的定子機(jī)座，主要有兩大不利因素存在：其一，定位筋直接與托塊焊接，焊后定位筋易發(fā)生扭曲或彎曲變形，施工難度較大，工作程序較為煩瑣。其二，定位筋與定子機(jī)座直接焊接后，鐵芯在徑向受定位筋的拘束力較大，不利于鐵芯在不同環(huán)境溫度下和不同工作狀態(tài)下沿徑向浮動(dòng);另外，由于定位筋在各環(huán)板處分別與機(jī)座焊接，整個(gè)定位筋不能隨環(huán)境溫度的變化在自身全長范圍內(nèi)作相應(yīng)的變化，相當(dāng)于把定位筋分為幾個(gè)小段，在每個(gè)小段內(nèi)由于環(huán)境溫度的不同，各小段將發(fā)生不同的變形，主要表現(xiàn)在變形的趨勢(shì)及變形的程度上，影響鐵芯的圓度及同軸度，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)空氣氣隙的均勻程度、發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況。公伯峽水電站發(fā)電機(jī)定子的定位筋共90根，長度2100mm，材料型號(hào)：st52-3k，機(jī)械性能：Qs≥400Mpa，Qs=521 Mpa，δ=12%。其定位筋的安裝方式采用活筋結(jié)構(gòu)，固定定位筋的托塊在機(jī)座出廠前已全部焊接在機(jī)座上，定位筋與托塊不直接焊接，定位筋與托塊沿徑向有2mm的伸縮量。定位筋調(diào)整、焊接前先用小楔子與托塊臨時(shí)固定，待鐵芯疊裝后，熱壓試驗(yàn)及鐵損試驗(yàn)結(jié)束后拆除小楔子。這樣，定位筋沿徑向和軸向都有足夠的伸縮量，定位筋的這種固定形式，不但降低了安裝難度，而且還可隨鐵芯的變化趨勢(shì)做相應(yīng)的伸縮，實(shí)際上減少了機(jī)座對(duì)鐵芯的徑向拘束力。

（3）鐵芯設(shè)計(jì)為徑向浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)。以往的定子鐵芯多數(shù)因定位筋與機(jī)座焊接，鐵芯與機(jī)座連接的剛性較大，難以實(shí)現(xiàn)鐵芯在不同工況下沿徑向浮動(dòng)。而公伯峽發(fā)電機(jī)定子因定位筋采用活筋結(jié)構(gòu)，定位筋與托塊之間沿徑向有2mm的伸縮間隙，這就有效地解決了這一難題。

3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的突破點(diǎn)包括以下三個(gè)方面：

（1）轉(zhuǎn)子支架與中心體腹板的焊接接頭采用了塔接形式。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子支架與中心體腹板的焊接接頭較多采用對(duì)接接頭，這種接頭焊接后的主要缺點(diǎn)是焊縫收縮量較大，公伯峽1#機(jī)轉(zhuǎn)子由4人對(duì)稱施焊，由于各個(gè)焊工所在焊接過程中焊接工藝參數(shù)不完全相同，加上焊縫間隙不是完全均勻，難免會(huì)產(chǎn)生焊縫收縮量不均勻的情況。這些不良情況的出現(xiàn)將直接影響轉(zhuǎn)子焊后主力筋的半徑的偏小和不均勻，還會(huì)直接影響轉(zhuǎn)子制動(dòng)環(huán)板的徑向水平、圓度以及制動(dòng)環(huán)板工作面與中心體下法蘭面的設(shè)計(jì)高度差。而公伯峽水電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架與中心體腹板的焊接接頭采用了搭接的形式，減少了焊縫收縮量較大或不均勻的弊病，有效的控制了轉(zhuǎn)子焊后的主要加工面的相對(duì)幾何尺寸。

（2）轉(zhuǎn)子支架與中心體翼板環(huán)縫與縱縫的交叉處采用了分散式的焊接接頭。李家峽水電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架與中心體翼板環(huán)縫與縱縫的交叉處一般采用T型接頭，這種接頭的最大缺點(diǎn)是，整個(gè)轉(zhuǎn)子焊接后的應(yīng)力在T型處過于集中，不利于焊接應(yīng)力的釋放，轉(zhuǎn)子在高速、長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，T型處的焊縫最為薄弱，容易產(chǎn)生裂紋、甚至開裂等事故。而公伯峽轉(zhuǎn)子在此部位結(jié)構(gòu)做了重大改進(jìn)，預(yù)留了一塊“三角形”空擋，待其他焊縫都結(jié)束后最后焊接該部位，這種接頭相當(dāng)于將一個(gè)T型接頭轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)T型接頭，有效地分散了焊接應(yīng)力過分集中。

（3）轉(zhuǎn)子主力筋上設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)鍵。對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)子支架在工地組焊后發(fā)生的變形是再所難免的，如何消除轉(zhuǎn)子支架焊后變形對(duì)磁軛疊裝的影響，是我們探討問題的關(guān)鍵。李家峽電站轉(zhuǎn)子采用的是焊后在主力筋表面焊接腹立筋，腹立筋按等弦長焊接后，在工地利用立式銑床加工腹立筋表面，加工后腹立筋的垂直度、分布半徑及相對(duì)弦長可以滿足轉(zhuǎn)子磁軛的疊裝要求。但這種方法增加了一道銑立筋的工序，不僅需要一臺(tái)大型立式銑床，增加了成本，而且銑立筋前對(duì)銑床的調(diào)整要求非常高，以免腹立筋加工后，出現(xiàn)半徑、扭斜、及垂直度不合適而影響磁軛疊裝的問題。而在公伯峽水電站，彌補(bǔ)轉(zhuǎn)子焊后主力筋半徑、垂直度的變化的方法是，在每個(gè)主力筋上橫向加工了各加工7個(gè)鍵槽，每個(gè)鍵槽都配加工了1對(duì)調(diào)節(jié)鍵。在磁軛疊裝過程中，利用調(diào)節(jié)鍵調(diào)整所對(duì)應(yīng)的主力筋的半徑及垂直度，來消除轉(zhuǎn)子因焊接其主力筋半徑及垂直度等所發(fā)生的變化。采用調(diào)節(jié)鍵來調(diào)整磁軛主鍵，可以有效地保證磁軛的疊裝的質(zhì)量。

4 發(fā)電機(jī)下機(jī)架及推力軸承

公伯峽水電站與李家峽水電站發(fā)電機(jī)下機(jī)架的結(jié)構(gòu)基本相同，推力軸承均設(shè)計(jì)為彈簧油箱結(jié)構(gòu)。主要不同之處是公伯峽采用的是推力內(nèi)循環(huán)冷卻方式，而李家峽采用的是推力外循環(huán)的形式。

5 發(fā)電機(jī)上機(jī)架

發(fā)電機(jī)上機(jī)架結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)分為三個(gè)方面：

（1）支臂間采用了三角支撐的結(jié)構(gòu)。李家峽水電站上機(jī)架采用螺旋式彈性支撐直接將支臂所承受的徑向作用力沿同一方向傳遞到基礎(chǔ)，但基礎(chǔ)給機(jī)架會(huì)施加同樣大小的反作用力，且力的方向正好相反，不利于機(jī)架所受徑向力的分解。公伯峽水電站上機(jī)架采用的三角支撐結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是將上機(jī)架所承受的一部分徑向作用力分散到切向，可有效地減少機(jī)架的振動(dòng)。

（2）上機(jī)架支墩采用法蘭-套管式結(jié)構(gòu)。李家峽上機(jī)架支墩采用的是鋼支墩，利用這種鋼支墩調(diào)整上機(jī)架的方法一般是加墊片或配刨，若加墊片使機(jī)架抬高，不能保證機(jī)架與支墩緊密結(jié)合，難免會(huì)增加機(jī)架的振動(dòng)和擺度。若配刨支墩使機(jī)架降低，這將增加了安裝費(fèi)用、延長了工期。公伯峽解決這一問題的辦法是，上機(jī)架支墩采用的是法蘭-套管式結(jié)構(gòu)，上機(jī)架調(diào)整合格后，根據(jù)各個(gè)支臂與定子機(jī)座的實(shí)際距離，確定套管的高度，這種方式簡(jiǎn)便易行。

（3）上蓋板直接鋪設(shè)在上機(jī)架支臂上，拆裝簡(jiǎn)單。李家峽水電站機(jī)組的上蓋板在工地現(xiàn)場(chǎng)拼裝，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔、攻絲，施工工序煩瑣，而且檢修時(shí)上蓋板的拆裝比較麻煩。公伯峽水電站發(fā)電機(jī)上蓋板設(shè)計(jì)為正8邊形，內(nèi)、外2圈各有8塊厚度為70mm的梯形板直接拼裝而成，無需螺栓連接，施工工藝簡(jiǎn)單，并且拆裝方便。

6 結(jié)語

黃河公伯峽水電站與李家峽水電站這兩個(gè)大型水電站，其水輪發(fā)電機(jī)組在結(jié)構(gòu)上都屬混流式水輪發(fā)電機(jī)組，但通過實(shí)際對(duì)比可以看出公伯峽水電站水輪發(fā)電機(jī)組在結(jié)構(gòu)上有了明顯的改進(jìn)，特別是定子、轉(zhuǎn)子等主要部件。這種改進(jìn)降低了施工難度、縮短了安裝工期、并增加了機(jī)組的運(yùn)行效率。