某水電站發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究及應(yīng)用

侯俊龍，艾 斐，楊明揚(yáng)

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌443002）

1 概述

水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板安裝在發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子上、下方，在通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中的作用主要是減少定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙處的漏風(fēng)量[1]，從而增加通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的密閉性，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱風(fēng)基本全部通過(guò)空冷器進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷風(fēng)再次進(jìn)入轉(zhuǎn)子磁極、定子鐵心，降低轉(zhuǎn)子磁極、定子鐵心溫度[2]。

定轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板是發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中循環(huán)通風(fēng)的重要載體，對(duì)發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的影響。某水電站A 機(jī)型的發(fā)電機(jī)定子擋風(fēng)板在運(yùn)行過(guò)程中存在振動(dòng)過(guò)大、異響現(xiàn)象，在停機(jī)檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)板出現(xiàn)了變形、凹陷、螺栓點(diǎn)焊部位脫焊、螺栓松動(dòng)及螺紋損壞等缺陷[3]?，F(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)對(duì)脫焊的定子擋風(fēng)板螺栓進(jìn)行補(bǔ)焊，對(duì)損壞的螺栓進(jìn)行更換以及對(duì)擋風(fēng)板薄弱區(qū)域焊接角鋼進(jìn)行加固。為徹底解決隱患，技術(shù)人員提出對(duì)該類(lèi)型發(fā)電機(jī)定子擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并最終利用研究成果對(duì)A 機(jī)型的某1臺(tái)機(jī)進(jìn)行了改造。改造應(yīng)用結(jié)果表明，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中發(fā)電機(jī)定子擋風(fēng)板振動(dòng)大幅改善，且無(wú)異響，在運(yùn)行1年后檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)板螺栓無(wú)脫焊、無(wú)松動(dòng)等現(xiàn)象，擋風(fēng)板及連接螺栓整體情況良好，應(yīng)用效果顯著。

2 研究方法及過(guò)程

2.1 結(jié)構(gòu)比較及分析

某水電站主要有2種機(jī)型，稱(chēng)為A 機(jī)型和B 機(jī)型。以下對(duì)2種機(jī)型擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)差異做了詳細(xì)比較及分析。

A 機(jī)型擋風(fēng)板主要由上下橫板、立板等組成，其中橫板共48塊，立板共24塊，螺栓由止動(dòng)墊片止動(dòng)，轉(zhuǎn)子上方未設(shè)置擋風(fēng)圈，上擋風(fēng)板與轉(zhuǎn)子最小間隙40mm。上下?lián)躏L(fēng)板與轉(zhuǎn)子間隙均較小，漏風(fēng)量較小。轉(zhuǎn)子上擋風(fēng)板檢修時(shí)隨上機(jī)架起吊，下?lián)躏L(fēng)板單獨(dú)拆除。

B 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板由內(nèi)外兩圈橫板及一圈立板組成，橫板共96塊，立板共12塊。內(nèi)圈橫板和立板與上機(jī)架通過(guò)工字鋼進(jìn)行連接，外圈橫板直接與上機(jī)架支臂連接，螺栓由止動(dòng)墊片止動(dòng)。轉(zhuǎn)子下?lián)躏L(fēng)板處的立板位置更加靠近轉(zhuǎn)子下方中心體進(jìn)風(fēng)區(qū)域。由于轉(zhuǎn)子上方未設(shè)置擋風(fēng)圈，上擋風(fēng)板內(nèi)圈橫板與轉(zhuǎn)子間隙較大，達(dá)到350mm，通風(fēng)效率相對(duì)較低，但是對(duì)整體密閉循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行影響不大，且從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)較該電站其他機(jī)型上擋風(fēng)板強(qiáng)度高。下?lián)躏L(fēng)板內(nèi)圈立板與轉(zhuǎn)子最小間隙26mm，外圈立板與轉(zhuǎn)子最小間隙20mm，兩道立板的設(shè)計(jì)使空氣間隙下部密封性更好，漏風(fēng)量更小，一定程度上彌補(bǔ)了上部漏風(fēng)大的缺陷。

A 機(jī)型和B 機(jī)型具體結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 A 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板裝配

圖2 B 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板裝配

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)A、B 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板主要結(jié)構(gòu)型式基本類(lèi)似，通風(fēng)效果無(wú)明顯差別。主要不同點(diǎn)為B 機(jī)型上擋風(fēng)板處設(shè)有支撐臂。支撐臂能有效對(duì)上擋風(fēng)板形成加固。

但在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行及維護(hù)情況發(fā)現(xiàn)A、B 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板各有優(yōu)劣。

A 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板主要問(wèn)題及危害表現(xiàn)為：

（1）上擋風(fēng)板設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠，擋風(fēng)板容易變形，出現(xiàn)凹陷情況。

（2）機(jī)組運(yùn)行時(shí)，擋風(fēng)板會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。長(zhǎng)期振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致?lián)躏L(fēng)板螺栓螺紋損壞，緊固力喪失，加劇振動(dòng)[4]。

（3）長(zhǎng)期劇烈振動(dòng)作用下，擋風(fēng)板緊固螺栓及螺帽點(diǎn)焊部位開(kāi)焊，螺栓及螺帽有掉入定、轉(zhuǎn)子的風(fēng)險(xiǎn)，由此可能引起發(fā)電機(jī)掃膛，后果不堪設(shè)想。

（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)組檢修過(guò)程中便于拆裝。

B 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板主要問(wèn)題表現(xiàn)為：

（1）上擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。機(jī)組運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)穩(wěn)定，基本無(wú)振動(dòng)。

（2）該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成現(xiàn)場(chǎng)檢修環(huán)境受限，且不利于拆裝。

2.2 改進(jìn)方法建議

結(jié)合分析比較，A 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板存在一定的設(shè)計(jì)缺陷，其擋風(fēng)圈從擋風(fēng)板固定處至擋風(fēng)圈末端（長(zhǎng)度約為880mm）沒(méi)有其他固定支撐，為懸臂結(jié)構(gòu)[5]。因此在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)大、異響以及螺栓開(kāi)焊、松動(dòng)等問(wèn)題。

通過(guò)研究認(rèn)為需要對(duì)A 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要圍繞3個(gè)方面：（1）削弱振動(dòng)，原結(jié)構(gòu)中擋風(fēng)圈的受力類(lèi)似懸臂梁，剛度較差，易產(chǎn)生擺動(dòng)引起振動(dòng)；（2）增加剛度，原結(jié)構(gòu)中擋風(fēng)圈、擋風(fēng)板厚度較薄，分塊較多；（3）增加強(qiáng)度，原結(jié)構(gòu)中螺栓尺寸偏小。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大。

3 改造應(yīng)用及效果評(píng)估

3.1 方案實(shí)施

結(jié)合研究分析，最終技術(shù)人員提出了具體改造方案。主要包含以下6點(diǎn)：

（1）擋風(fēng)圈增加水平擋風(fēng)板及拉緊螺桿，使擋風(fēng)板截面形成框體結(jié)構(gòu)，顯著提高擋風(fēng)圈剛度，大幅削弱擋風(fēng)圈的振動(dòng)。結(jié)構(gòu)比較如圖3、4所示。

圖3 原擋風(fēng)板

圖4 新?lián)躏L(fēng)板

（2）上擋風(fēng)板整體布局不變，整體更換擋風(fēng)板本體，擋風(fēng)板鋼板厚度由原4mm 增加至5mm，增加擋板本身的強(qiáng)度。

（3）內(nèi)圈擋風(fēng)板的數(shù)量由24件減少為12件，減少連接件。

（4）擋風(fēng)圈的數(shù)量由24件減少為12件，提高擋風(fēng)圈的整體性、剛性。

（5）在每一塊外圈擋風(fēng)板上焊接角鋼，以增加剛度。結(jié)構(gòu)比較如圖5、6所示。

圖5 原擋風(fēng)板

圖6 新?lián)躏L(fēng)板（焊接角鋼）

（6）原擋風(fēng)板連接螺栓規(guī)格由4.8級(jí)M10變?yōu)?.8級(jí)M12。螺栓采用止動(dòng)墊圈，所有螺母預(yù)裝時(shí)焊接牢固（焊2～3處六角側(cè)面），螺栓安裝時(shí)涂抹螺紋鎖固膠。

3.2 效果評(píng)估

根據(jù)電站機(jī)組檢修計(jì)劃，在某A 機(jī)型機(jī)組大修期間對(duì)其發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板按照上述研究方案進(jìn)行整體改造。

A 機(jī)型某機(jī)組發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板改造后，跟蹤觀察該機(jī)組發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)無(wú)異常響聲，發(fā)電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)循環(huán)及各溫度指標(biāo)正常，檢查擋風(fēng)板發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行穩(wěn)定無(wú)明顯振動(dòng)。為了驗(yàn)證其長(zhǎng)期運(yùn)行后的效果，在經(jīng)過(guò)機(jī)組1年運(yùn)行后停機(jī)對(duì)擋風(fēng)板螺栓等各連接件檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，各連接螺栓無(wú)松動(dòng)、螺帽無(wú)異動(dòng)無(wú)脫焊情況。經(jīng)過(guò)時(shí)間檢驗(yàn)證明該機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板改造后此前的問(wèn)題得到大幅改善和消除。

4 結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)定子擋風(fēng)板安裝布置位置一般處于巡檢人員的視野之外，因此擋風(fēng)板緊固螺栓松動(dòng)缺陷具有一定的隱蔽性，不易發(fā)現(xiàn)，缺陷出現(xiàn)后有較大可能性導(dǎo)致發(fā)電機(jī)掃膛的重大事故。通過(guò)對(duì)A 機(jī)型發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，最終利用研究成果對(duì)該機(jī)型某一機(jī)組定子擋風(fēng)板進(jìn)行改造，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明該方案能有效解決擋風(fēng)板長(zhǎng)期振動(dòng)、異響等嚴(yán)重問(wèn)題，消除發(fā)電機(jī)事故隱患。該改造方案為后續(xù)相同機(jī)型擋風(fēng)板改造提供了成熟經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也可供其他同類(lèi)型水電機(jī)組借鑒及參照。