碗米坡水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析及故障處理

梁鵬唐林

（五凌電力有限公司碗米坡水電廠，湖南湘西416500）

0 引言

碗米坡水輪發(fā)電機(jī)為三相立軸凸極同步發(fā)電機(jī)，采用立軸全傘式、密閉循環(huán)、自通風(fēng)、空氣冷卻的形式。

1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 轉(zhuǎn)子

（1）轉(zhuǎn)子保證有足夠的剛度和強(qiáng)度，強(qiáng)度安全系數(shù)不小于1.5，在飛逸轉(zhuǎn)速下安全運(yùn)行5 min不發(fā)生有害變形，并能在任何工況下穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)結(jié)構(gòu)合理、緊湊，有良好的電磁性能和通風(fēng)性能。轉(zhuǎn)子中心體由中心體、上下圓盤(pán)及立筋等組成，中心體外緣下側(cè)還裝有可拆卸的、分塊的制動(dòng)環(huán)。制動(dòng)環(huán)在廠內(nèi)與中心體一起加工，加工精度高，其與設(shè)在磁軛下側(cè)的制動(dòng)環(huán)相比，能防止自身過(guò)熱。磁極線圈表面有凸出的散熱匝，可成倍增加其散熱面積，從而降低線圈的溫升，且線圈形狀規(guī)整。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，還在極身四周角部采用特殊的角絕緣，以增加絕緣的可靠性。下絕緣法蘭內(nèi)側(cè)用玻璃繩纏在磁極鐵芯上并澆環(huán)氧樹(shù)脂，再用鐵法蘭與鐵芯焊接固定。這種結(jié)構(gòu)絕緣可靠，鐵芯絕緣不會(huì)遭到污染。同時(shí)，采取措施以適應(yīng)絕緣法蘭與線圈間由于線圈熱膨脹產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)。

（2）勵(lì)磁引線由銅排制成，按廠家特有的絕緣和固定方式方便可靠地固定在轉(zhuǎn)子支架平面上，沿著上端軸接至集電環(huán)。

1.2 定子

（1）定子鐵芯采用50W270、低損耗、無(wú)時(shí)效、優(yōu)質(zhì)冷軋高磁導(dǎo)率硅鋼片整體沖制成，鐵芯段兩端的端板和通風(fēng)槽板采用鐵損小、點(diǎn)焊性能優(yōu)良的0.7 mm厚DWK2硅鋼片。沖片嚴(yán)格去毛刺后，兩面涂F級(jí)絕緣漆，它與國(guó)內(nèi)原有絕緣漆相比具有固化時(shí)間短、收縮率小、硬度高等優(yōu)點(diǎn)。由于絕緣漆固有的特性，發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后漆膜的固化和揮發(fā)物的揮發(fā)會(huì)產(chǎn)生一定的收縮，為防止鐵芯長(zhǎng)期運(yùn)行后的松動(dòng)，在鐵芯拉緊螺桿的上端設(shè)一組高強(qiáng)度碟形彈簧，使漆膜收縮后鐵芯仍保持一定的安全面壓。采用新型絕緣漆和碟簧壓緊結(jié)構(gòu)，可保證發(fā)電機(jī)長(zhǎng)久運(yùn)行鐵芯不產(chǎn)生松動(dòng)。

（2）定子鐵芯的定位壓緊采用特殊的定位筋與拉緊螺桿合為一體的定位拉緊螺桿。該定位拉緊螺桿在鐵芯的一側(cè)為圓形，在機(jī)座的一側(cè)為倒鴿尾形，兩頭有壓緊用螺紋。定子鐵芯沖片外側(cè)開(kāi)有定位槽及圓槽，疊片時(shí)以裝于定位槽的工藝導(dǎo)向鍵定位。鐵芯壓緊后用定位板將螺桿向外楔緊，再將定位板焊在機(jī)座的環(huán)板上。這種結(jié)構(gòu)裝鍵定位簡(jiǎn)單、疊片精度高，且鐵芯在徑向可自由膨脹（疊片時(shí)無(wú)需加臨時(shí)的間隙墊片），徹底解決了鐵芯熱變形引起的鐵芯與機(jī)座間熱應(yīng)力問(wèn)題。因壓緊螺桿設(shè)在鐵芯軛部，不需另設(shè)穿心螺桿，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。

1.3 主軸

（1）主軸由推力頭和軸身構(gòu)成，軸身為20SiMn鍛鋼，符合JB/T 1270—2014《水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)大軸鍛件技術(shù)條件》的規(guī)定，滿足發(fā)電機(jī)提高功率因數(shù)cos φ=1時(shí)的最大傳遞扭矩要求，并且可在最大飛逸轉(zhuǎn)速在內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不產(chǎn)生有害的振動(dòng)和擺度；推力頭為20SiMn鑄鋼。推力頭與軸身采用焊接方式連接。

（2）鏡板采用55#鍛鋼，鏡面硬度大于HB200，鏡面硬度差值不大于HB30，平面平行度為0.02 mm，鏡面平面度為0.02 mm，鏡面粗糙度為0.2 μm。機(jī)組軸線在出廠前經(jīng)過(guò)預(yù)裝，并保證在安裝時(shí)不需盤(pán)車校正。

1.4 發(fā)電機(jī)軸承

（1）推力軸承裝于下機(jī)架中心體上的油槽內(nèi)，承受水輪發(fā)電機(jī)組所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量和水推力構(gòu)成的組合載荷。推力軸承采用彈性圓盤(pán)支承結(jié)構(gòu)，彈性圓盤(pán)日本進(jìn)口，它具有性能可靠、瓦間受力均勻、形狀尺寸小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。推力軸承由12塊扇形瓦組成，采用俄羅斯進(jìn)口彈性金屬塑料瓦。推力瓦與彈性圓盤(pán)為面接觸，可有效減小瓦面受力后變形。彈性圓盤(pán)和各塑料瓦由工廠加工保證精度，現(xiàn)場(chǎng)不需做推力瓦受力調(diào)整及刮瓦。

（2）推力軸承檢修時(shí)必須考慮上移油槽，可將推力瓦單獨(dú)取出，對(duì)推力軸承進(jìn)行就近或機(jī)坑外檢修。

1.5 集電裝置和接地碳刷

滑環(huán)置于發(fā)電機(jī)上端軸的上端。集電環(huán)材質(zhì)為Q235-A鋼，與不銹鋼相比，碳鋼的導(dǎo)電性更好，且散熱性約為不銹鋼的2倍，因此使用碳鋼的集電環(huán)不易發(fā)熱。選用合適的碳刷同樣有良好的耐磨性能。刷架固定于發(fā)電機(jī)頂罩上，刷架與滑環(huán)均在密封的風(fēng)罩內(nèi)，且與發(fā)電機(jī)風(fēng)室分開(kāi)，以保證碳刷粉塵不污染定轉(zhuǎn)子。頂罩壁過(guò)濾器用來(lái)吸收碳刷粉塵以保持頂罩內(nèi)清潔及廠房空氣清新。集電環(huán)的最大擺度不超過(guò)0.5 mm。

1.6 定子鐵芯內(nèi)圓度和氣隙的控制

按照GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》之規(guī)定：水輪發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子組裝后，定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓半徑的最大值或最小值與平均半徑的差不大于設(shè)計(jì)氣隙的±4%；定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙，其最大值與最小值與其平均半徑的差不超過(guò)平均值的±8%。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 碗米坡定子、轉(zhuǎn)子以及氣隙的控制值

2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心體焊縫缺陷處理

2.1 情況簡(jiǎn)介

碗米坡電廠2#機(jī)A修于2017年12月13日的轉(zhuǎn)子中心體與上圓盤(pán)MT探傷中檢測(cè)到約1.5 m長(zhǎng)的缺陷，對(duì)應(yīng)36#～47#磁極，經(jīng)打磨后發(fā)現(xiàn)大量的蜂窩狀氣孔，氣孔深度4～5 mm；另發(fā)現(xiàn)20 mm長(zhǎng)的裂紋，深度3～4 mm，對(duì)應(yīng)54#磁極，打磨后經(jīng)MT探傷再無(wú)裂紋出現(xiàn)。

2.2 設(shè)備狀況成因及可能導(dǎo)致的后果

轉(zhuǎn)子中心體為2分瓣把合式圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，由中心體、上下圓盤(pán)及立筋等組成，其中中心體材質(zhì)為Q235-A，上下圓盤(pán)材質(zhì)為Q345，厚度25 mm，采用K型坡口形式與中心體連接，其上坡口45°，坡 口深度15 mm，焊高6 mm；下坡口50°，坡口深度8 mm，焊高6 mm。2016年10月20日對(duì)上下圓盤(pán)焊縫進(jìn)行了UT探傷，其中上圓盤(pán)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)1 000 mm、深8 mm的缺陷，下圓盤(pán)發(fā)現(xiàn)5處超標(biāo)缺陷，各長(zhǎng)1 000 mm、深16 mm。因圖紙要求為MT探傷合格即可，未做處理。本次MT探傷焊縫氣孔為群狀氣孔中的密集狀氣孔，是CO2氣體保護(hù)焊施工時(shí)氣體保護(hù)不良引起，焊縫裂紋從長(zhǎng)期運(yùn)行情況判斷（與1#、3#機(jī)比較）應(yīng)為安裝缺陷，與氣孔同為焊接工藝不良所致。

后果：焊縫氣孔減少了焊縫的有效截面積，使焊縫疏松，降低了強(qiáng)度、塑性，也是引起應(yīng)力集中的因素，還可能促成冷裂紋。焊縫裂紋造成應(yīng)力集中，降低了結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度，在交變應(yīng)力作用下有進(jìn)一步延伸的趨勢(shì)。

2.3 補(bǔ)焊處理工藝

（1）焊前，對(duì)需處理焊縫區(qū)域相對(duì)應(yīng)的法蘭內(nèi)圓側(cè)，用內(nèi)徑千分尺測(cè)量?jī)?nèi)徑，在測(cè)量處做好標(biāo)識(shí)，并做好尺寸記錄，整周可分8處測(cè)量。主要考慮焊接變形對(duì)上端軸安裝的影響。

（2）將1 500 mm長(zhǎng)的氣孔缺陷區(qū)域劃分為5段，每段長(zhǎng)約300 mm，按1～5的順序做好標(biāo)號(hào)。

（3）處理順序：采用分段跳焊方式處理，順序?yàn)?、1、5、2、4，每段處理完成后，再處理下一段，每一段處理完測(cè)量?jī)?nèi)徑，記錄變形情況，如果變形情況超過(guò)圖紙尺寸公差（中心體上法蘭內(nèi)徑φ1 640，中心體上法蘭止口外徑φ1 680），要停止處理。注意：焊前必須對(duì)焊件清除油、銹、水分等雜質(zhì)，缺陷去除需去除一段，補(bǔ)焊一段，不得將所有缺陷一次性打磨去除。

（4）缺陷處理過(guò)程中及處理后，對(duì)法蘭內(nèi)徑側(cè)原側(cè)點(diǎn)用內(nèi)徑千分尺測(cè)量變形情況，做好尺寸記錄。

（5）焊接后對(duì)氣孔區(qū)和裂紋區(qū)做好標(biāo)記，用MT對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行探傷，并于每次檢修中對(duì)上下圓盤(pán)與中心體焊縫進(jìn)行定期檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，碗米坡電廠采用浙江富士富春江公司的三相同步凸極全傘式發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，重要部件如彈性金屬推力瓦、巴氏合金下導(dǎo)瓦磨損量都較小，免維護(hù)，大大節(jié)省了檢修工期，提升了機(jī)組效率。