高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子磁軛熱打鍵工藝剖析

何少潤

（水利部珠江水利委員會(huì),廣東 廣州 510640）

高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子磁軛熱打鍵工藝剖析

何少潤

（水利部珠江水利委員會(huì),廣東 廣州 510640）

通過高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子磁軛熱打鍵工藝的應(yīng)用、分析和改進(jìn),深入探析采用徑向鍵機(jī)組磁軛熱打鍵工藝的合理性,并提出了一整套能夠解決相關(guān)技術(shù)疑難的新工藝,為類似機(jī)組的安裝提供了有益的借鑒和參考。

磁軛；瓶形軸；熱打鍵；預(yù)緊量；彈性變形

我國南方某電站（以下簡稱“H”電站）水輪發(fā)電機(jī)的磁軛外圓直徑為1920.3mm，高度3136mm，是一個(gè)較大長徑比的回轉(zhuǎn)體，如圖1所示。在額定轉(zhuǎn)速500r/min時(shí)轉(zhuǎn)子磁極最外點(diǎn)（Φ4584mm）的線速度為119.5m／s,每個(gè)磁極所受離心力達(dá)46t，在飛逸轉(zhuǎn)速nZ=725r/min時(shí)近100t。機(jī)組在現(xiàn)場裝配時(shí)采用熱打徑向磁軛鍵工藝，使瓶形軸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子中心體與磁軛之間產(chǎn)生足夠的機(jī)械壓緊量，確保運(yùn)行狀態(tài)下磁軛的變形與瓶形軸不產(chǎn)生徑向分離。熱打鍵是根據(jù)選定的分離轉(zhuǎn)速，計(jì)算磁軛徑向變形相對(duì)瓶形軸的增量，并按所計(jì)算磁軛與瓶形軸溫差加熱，在熱狀態(tài)下打入磁軛鍵達(dá)到與徑向變形增量相等的預(yù)緊量。分離轉(zhuǎn)速一般按設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)保證計(jì)算中機(jī)組可能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速略增一定裕量來確定，而電站主機(jī)設(shè)備制造廠（以下簡稱A廠）所選用的是105%機(jī)組額定轉(zhuǎn)速。

1 轉(zhuǎn)子磁軛結(jié)構(gòu)及其熱打鍵工藝

“H”電站轉(zhuǎn)子重達(dá)166t的磁軛落靠在瓶形軸下部的掛鉤上，內(nèi)圓周用12組由主鍵與上下副鍵組成的徑向鍵結(jié)構(gòu)固定，徑向鍵的配合面斜度為1/200，裝配形式及具體尺寸如圖2所示。A廠原設(shè)計(jì)的磁軛熱打鍵預(yù)緊量為0.8mm，即上下副鍵各打入長度為0.8÷（1／200）=160mm，未明確要求冷打鍵。磁軛片與瓶形軸之間間隙值（圖2之F視圖所示2.3mm值）的變化量測量值即為磁軛熱打鍵的緊量。

從圖2可以看出，當(dāng)下副鍵按設(shè)計(jì)工況其小頭打到磁芯軸線時(shí)主副鍵的組合厚度為“a+b”，其中：

1）a為主鍵下端部厚度：50.475mm；

2）b為當(dāng)下副鍵打入鍵槽1350mm長度達(dá)到磁芯軸線高程時(shí)副鍵下端部厚度：

則：磁軛鍵徑向緊量為：72.1-71.3=0.8mm（見圖2之F視圖）。

而上部鍵可根據(jù)鍵槽內(nèi)的剩余長度切除其下端部長度，使副鍵打入1568mm長度至磁芯軸線高程時(shí)達(dá)到預(yù)期的徑向緊量。據(jù)此，制造廠制訂的原磁軛熱打鍵程序?yàn)椋?/p>

圖2 磁軛鍵裝配圖

（1）磁軛疊片前裝配磁軛主鍵和下副鍵，調(diào)整主鍵外徑達(dá)到磁軛疊壓的設(shè)計(jì)圓度要求。

（2）所有主鍵均用項(xiàng)“B”（臨時(shí)板條，見圖 2）點(diǎn)焊固定在瓶軸上端面，以防止主鍵下落并在磁軛疊片完成后鏟除。

（3）從下部打緊下副鍵，自頂部測量鍵槽內(nèi)的剩余高度“X”，理論上應(yīng)等于“1568+160”。

（4）測量并切割上副鍵下端部（“A”）使其尺寸滿足“Y=X-320”。

（5）加熱磁軛，使之膨脹量達(dá)到0.9mm。

（6）上下副鍵各打入鍵槽160mm，并使之兩端頭接觸（可以有10mm以內(nèi)的間隙）。

（7）磁軛冷卻后測量磁軛相對(duì)瓶形軸的脹量應(yīng)達(dá)到2.3+0.8≈3.1mm（見圖2之F視圖）。

2 1號(hào)～3號(hào)機(jī)磁軛熱打鍵工藝的實(shí)施

按照上述工藝流程，先后進(jìn)行的1號(hào)～3號(hào)機(jī)磁軛熱打鍵實(shí)測結(jié)果見表1。

表1 1號(hào)、3號(hào)機(jī)熱打鍵脹量記錄

其中：

（1）1號(hào)機(jī)按原設(shè)計(jì)要求不進(jìn)行冷打鍵，盡管上下副鍵打入長度均按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格進(jìn)行，但磁軛的脹量卻遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期值。

（2）3號(hào)機(jī)熱打鍵之前進(jìn)行了冷打鍵，但冷打上、下副鍵進(jìn)槽長度較?。ㄗ畲蟮膬H約25mm），也未產(chǎn)生脹量；3號(hào)機(jī)采取了提高磁軛加熱溫升、增大副鍵進(jìn)槽長度等措施，但所測量磁軛熱打鍵緊量仍與設(shè)計(jì)要求存在不同程度的差距。

3 影響磁軛相對(duì)瓶形軸預(yù)緊量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的因素：

（1）由于φ42h10（φ41.94～φ41.96mm）拉緊螺栓與φ42.20+0.2疊片沖孔之間的間隙及磁軛疊壓實(shí)際操作中的多種因素，磁軛疊片不可避免存在參差不平整的現(xiàn)象，如圖3所示。

因此，在熱打鍵的初始階段，副鍵一定數(shù)值的軸向位移（即入槽長度，設(shè)為“a”）只是推動(dòng)主鍵并通過主鍵克服疊片間的摩阻使參差不平的磁軛疊片達(dá)到一定程度的平整，該入槽長度是不能使測量緊量部位的測值發(fā)生變化的。而繼之打入鍵槽的副鍵長度使主鍵產(chǎn)生徑向位移才得以產(chǎn)生磁軛的徑向緊量，這就是實(shí)際緊量測值小于理論緊量（副鍵打入總長度值與其斜度的乘積）的主要原因。

（2）我們還注意到：根據(jù)現(xiàn)場測量，在副鍵進(jìn)入鍵槽之前，磁軛與主鍵之間存在間隙“δ”，這也是副鍵打入而不產(chǎn)生磁軛徑向位移的因素之一，表2即為4號(hào)機(jī)在熱打鍵之前的“δ”測量記錄。

表2 4號(hào)機(jī)冷打鍵前磁軛與主鍵間隙“δ”測量值

實(shí)踐證明，間隙“δ”可采取冷打鍵的方式予以消除，因此，冷打鍵是一項(xiàng)不可忽視的準(zhǔn)備性措施。當(dāng)然，采取冷打鍵方式是不足以克服疊片間的摩阻達(dá)到預(yù)期平整度的。

（3）由于制造廠設(shè)計(jì)計(jì)算瓶形軸在熱打鍵時(shí)鍵槽處高應(yīng)力區(qū)的最大值達(dá)到314.0MPa，根據(jù)虎克定律：

式中：E——為彈性模量為2.10×104kgf/mm2

FN——熱打鍵緊量冷卻后產(chǎn)生的壓力

A——受壓截面積

?——受壓件長度， ?=71.3mm（見圖2之F視圖）

σ——熱打鍵緊量冷卻后產(chǎn)生的壓應(yīng)力

即轉(zhuǎn)子磁軛、磁軛鍵和瓶形軸鍵槽接觸面產(chǎn)生的彈性變形為0.10mm，而磁軛鍵打入鍵槽長度所產(chǎn)生的預(yù)緊量應(yīng)是包含了該彈性變形量的。

在4號(hào)機(jī)熱打鍵過程中，由于磁軛疊片上平面略低于磁軛主鍵上端部，當(dāng)測量未嵌入磁軛的外露部位主鍵至瓶形軸的徑向變形量時(shí)，由于該部位未產(chǎn)生彈性變形，自磁軛主鍵外側(cè)平面至瓶形軸（見圖2之F視圖“C”）的膨脹量平均值為0.84mm，而磁軛→瓶形軸間隙平均值僅為0.74mm，亦即：0.84mm-0.74mm=0.10mm，這也證實(shí)了磁軛鍵彈性變形量的存在。因此，有必要將磁軛鍵打入長度修正為180mm，其對(duì)應(yīng)的徑向緊量由0.8mm改為0.9mm。

（4）由于瓶形軸鍵槽加工精度及磁軛內(nèi)圓圓度偏差等因素，使得熱打鍵前磁軛與瓶形軸間隙實(shí)際測量值與設(shè)計(jì)值（見圖2之F視圖“2.3mm”）產(chǎn)生差異，相互之間的差異也較大，如表3所示，其最大值與最小值相差達(dá)0.40mm之多。

表3 4號(hào)機(jī)疊片完成后測量主鍵與瓶形軸之間的間隙值

對(duì)于上表中間隙實(shí)際值偏大的槽位，其下副鍵打入長度必然偏大，因此在4號(hào)機(jī)實(shí)施過程中，這些槽位的下副鍵伸進(jìn)鍵槽長度超過了其設(shè)計(jì)允許高度，不得不重新吊起轉(zhuǎn)子切割下副鍵。這就要求在磁軛疊壓前調(diào)整基準(zhǔn)圓度時(shí)，根據(jù)下副鍵的進(jìn)入鍵槽的實(shí)際情況適當(dāng)切割其上端部，以滿足熱打鍵時(shí)基本接近磁芯軸線位置的設(shè)計(jì)要求。

4 修正后的施工工藝

針對(duì)1號(hào)～3號(hào)施工中出現(xiàn)的問題，經(jīng)與A廠設(shè)計(jì)人員多次協(xié)商，在重新確定轉(zhuǎn)子磁軛與瓶形軸之間應(yīng)有0.9mm的預(yù)緊量的同時(shí)，審議、制訂了磁軛最終疊壓完成后分三次加熱磁軛的熱打鍵新工藝：

（1）第一次預(yù)熱打鍵：在轉(zhuǎn)子磁軛和瓶形軸之間產(chǎn)生0.4mm的預(yù)緊量，達(dá)到消除磁軛與主鍵接觸面表面不平整度的目的。

1）對(duì)下副鍵采取冷打鍵方式，確保下副鍵良好就位并使主鍵和磁軛疊片接觸間隙“δ”（見圖3，下同）小于0.05mm。

2）在下副鍵低于瓶形軸下法蘭面80mm處作標(biāo)記（這是第一次熱打鍵的進(jìn)槽長度）。

3）自磁軛頂部測量鍵槽內(nèi)的剩余高度“X”。

4）對(duì)上副鍵采取冷打鍵，確保上副鍵良好就位并使主鍵和磁軛疊片接觸間隙“δ”小于0.05mm，同樣在上副鍵高于瓶形軸鍵槽上平面80mm處作標(biāo)記。

5）根據(jù)鍵槽內(nèi)剩余高度“X”及上副鍵的進(jìn)槽長度，適當(dāng)切割上副鍵端部，使得上下副鍵在鍵槽內(nèi)的距離不小于160mm。

6）按照40K溫升加熱磁軛，使其達(dá)到約0.5mm的徑向脹量。

7）將上下副鍵各打入80mm，然后自下而上冷卻轉(zhuǎn)子磁軛。

（2）第二次加熱磁軛：拔除上下副鍵，然后冷卻轉(zhuǎn)子磁軛。

（3）第三次是最終進(jìn)行的磁軛熱打鍵工序：

1）對(duì)下副鍵采取冷打鍵方式，確保下副鍵良好就位并使主鍵和磁軛疊片接觸間隙“δ”小于0.05mm。

2）在下副鍵低于瓶形軸下法蘭面180mm處作標(biāo)記（這是最終熱打鍵產(chǎn)生0.9mm緊量的進(jìn)槽長度）。

3）自磁軛頂部測量鍵槽內(nèi)的剩余高度“X”。

4）對(duì)上副鍵采取冷打鍵方式，確保上副鍵良好就位并使主鍵和磁軛疊片接觸間隙“δ”小于0.05mm，在上副鍵高于瓶形軸鍵槽上平面180mm處作標(biāo)記。

5）再次根據(jù)剩余高度“X”及上副鍵的進(jìn)槽長度，拔出上副鍵進(jìn)行最終切割（理論值Y=X-360）。

6）落下下副鍵使其不接觸瓶形軸和主鍵。

7）加熱轉(zhuǎn)子磁軛，使磁軛達(dá)到約1.0mm的徑向漲量，按2）、4）所作標(biāo)記打入上下副鍵。

8）自下而上冷卻轉(zhuǎn)子磁軛。

9）檢查轉(zhuǎn)子磁軛和瓶形軸間隙、磁軛外圓直徑并裝配附件。

需要補(bǔ)充說明的是，由于采取了預(yù)熱打鍵工藝，在最終熱打鍵前進(jìn)行冷打鍵時(shí)下副鍵進(jìn)槽長度均在60～80mm范圍內(nèi)，因此我們采取了在磁軛疊片前將下部副鍵上端部預(yù)切除70～80mm長度的措施。這是一項(xiàng)已在4號(hào)機(jī)及其后各臺(tái)機(jī)組安裝實(shí)踐中得以證實(shí)是行之有效的措施，同時(shí)也為A廠設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步修改完善原設(shè)計(jì)提供了有益的參考依據(jù)。

5 新工藝的實(shí)施情況

在4號(hào)機(jī)熱打鍵時(shí)開始具體實(shí)施新工藝，經(jīng)實(shí)測磁軛預(yù)緊量參見表4：

表4 實(shí)測磁軛預(yù)緊量

以上磁軛實(shí)際脹量應(yīng)加上主副鍵的彈性變形，即：

1）轉(zhuǎn)子上部平均值0.71mm（平均值）+0.10mm=0.81mm；

2）轉(zhuǎn)子下部平均值 0.78mm（平均值）+0.10mm=0.88mm；

這是與上下副鍵進(jìn)槽深度180×1/200=0.90mm的緊量理論值基本相符的。

6 結(jié)語

GB/T8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》及相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)“磁軛熱打鍵”的規(guī)定在強(qiáng)調(diào)應(yīng)滿足制造廠的設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，僅在“9.4.9”對(duì)“徑向磁軛鍵安裝”作了一般性規(guī)定。對(duì)此，施工、監(jiān)理及建設(shè)單位均理解為：按選定分離轉(zhuǎn)速計(jì)算磁軛相對(duì)轉(zhuǎn)子中心體的徑向變形增量，經(jīng)冷打鍵后在磁軛熱狀態(tài)下將磁軛鍵打入按變形增量計(jì)算的相應(yīng)長度，即可達(dá)到抵消運(yùn)行中轉(zhuǎn)動(dòng)部件變形增量的目的。而根據(jù)我們?cè)凇癏”電站及類似高轉(zhuǎn)速、大長徑比轉(zhuǎn)子磁軛熱打徑向鍵工序的實(shí)踐，證明在磁軛熱狀態(tài)下將磁軛鍵打入與實(shí)際計(jì)算或制造廠規(guī)定徑向變形增量相對(duì)應(yīng)的長度時(shí)，往往并不能使磁軛產(chǎn)生預(yù)期的緊量。這就可能在離心力作用下磁軛的徑向變形將與瓶形軸產(chǎn)生徑向分離，從而增大機(jī)組的擺度與振動(dòng)，甚至釀成事故。因此，有必要在制訂施工工藝時(shí)強(qiáng)調(diào)：

1）應(yīng)以實(shí)測的磁軛緊量為準(zhǔn)，而不能按磁軛斜鍵打人深度計(jì)算所得的“理論緊量”作為磁軛緊量的衡量標(biāo)準(zhǔn)；而采取上述“二次熱打鍵”或其他類似工藝，則能有效消除磁軛疊片不平整度等因素的影響，確保磁軛鍵打入相應(yīng)長度時(shí)能達(dá)到預(yù)期緊量。

2）在按選定分離轉(zhuǎn)速計(jì)算磁軛相對(duì)轉(zhuǎn)子中心體的徑向變形增量時(shí)應(yīng)考慮磁軛鍵在相應(yīng)應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的彈性變形。

綜上所述，我們建議適時(shí)對(duì)GB/T8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》及相關(guān)文獻(xiàn)的相關(guān)條款進(jìn)行必要的補(bǔ)充完善，以資諸多高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組高質(zhì)量安裝工作參照、借鑒。

Analysis of thermal keying procedures for high-speed generator rotor yoke

HE Shao-run

（Pearl River Water Resources Commission, Ministry of Water Resources, Guangzhou 510640, China）

With application, analysis and improvement of the thermal keying procedures for high-speed generator rotor yoke, the paper explores the reasonableness of the thermal keying procedures used in unit with radial keys, puts forward some new technology for solving correlative technical problems. This offers reference for installation of the similar units.

magnetic yoke; bottle-shaped shaft; thermal keying; pre-compact capacity; elastic deformation

TM303.3

B

1672-5387（2010）02-0008-04

2010-02-26

何少潤，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水利水電工程建設(shè)管理工作。