摘要∶ 文章主要介紹了上（shàng）世紀（jì）60 年代由日本國（guó）他社設計（jì）製造（zào）的韓國某電站立式軸流轉槳式水輪發電機整體改造設計，改造後機（jī）組各項參數滿足合同要求，達到滿意效果（guǒ）。為（wéi）類似機組改造（zào）設計提供參考。

關鍵詞∶ 軸流轉槳式；水輪發電機；整體改（gǎi）造

1 前言

      韓（hán）國某電站（zhàn）隸屬於韓國水（shuǐ）力原子力株（zhū）式會社，位於流經韓國江原道春川市的北（běi）漢江上，上遊為春川電站，下遊為清平電站。距（jù）首爾東北方向85.3 km。該電站原來設置的2 台25 MVA 立式軸流轉槳（jiǎng）式水輪發電機由（yóu）日本國他社1967 年設計製造，運行（háng）了（le）40 多年，機組出現了嚴重老化現（xiàn）象。為了確保今後的穩定運行，客（kè）戶希（xī）望對機組進（jìn）行（háng）改造。2008 年10月（yuè）應（yīng）業主邀請，東芝公司和其他公（gōng）司分別對機組進行診斷，提出機組改造（zào）方案。由於提出的改造方（fāng）案可行可靠，性能優良，最終東芝公司（sī）於2009 年中標該項目。筆者在東芝公司工作期間，負責該項目的（de）投標設計和改造設計工作。

2 概述

      發電機改造（zào）前後（hòu）的基本參（cān）數見表1。

      該（gāi）電站原設計機組為（wéi）全傘式結構，推力軸承支撐（chēng）在水輪機頂蓋上。發電機導軸（zhóu）承（chéng）位於轉子下方，不設上導軸承。原（yuán）設發電機剖麵圖參見圖1。

      從（cóng）圖1 可以看出，原設機的勵（lì）磁機和永磁發電（diàn）機位於轉子上（shàng）方，轉子支架為下傾圓錐（zhuī）形，水輪機槳葉操作接力器（qì）設置在（zài）轉子中心體輪轂內，操作油（yóu）管的（de）高壓油導油裝（zhuāng）置與下導（dǎo）軸承共用。下導軸承采（cǎi）用圓筒（tǒng）形結構。推力頭采用分瓣式結（jié）構，用卡環安裝在水輪機軸上。

      根據電站機（jī）組改修計（jì）劃，對發電機除風道（dào）、基礎和上（shàng）機架之外，其餘全部更新改造。由於（yú）兩（liǎng）個公司的技術差（chà）異，從投標開始，東芝公司就取消了勵磁（cí）機和永（yǒng）磁發（fā）電機直接與發電機轉動（dòng）部件連接的方式。為了簡化轉子中心體的設計，槳葉操作（zuò）接力器也從轉子（zǐ）中心體輪轂移至（zhì）發電機軸與水輪機軸連接處。具（jù）體結構參見圖2。

      從（cóng）圖2 可以看出，改修後的電站發電機仍然為全傘式結構。轉子支架為圓盤結構，推力軸承布置在（zài）下機架中心體內（nèi），考慮到下機（jī）架（jià）基礎的承受能力，推（tuī）力軸承仍然支撐在水輪機頂蓋上。由於是改修項目（mù），留用部件的相關接口必須事（shì）先進（jìn）行調查。該機組由於製造年月比較久遠，沒有電子版存檔的圖紙資料，並且由於存檔時間太（tài）長，發電機相關的許多印刷版（bǎn）資料也無法查到（dào），給（gěi）相關接口調查（chá）帶來了不（bú）便。因此隻能在製造圖設計（jì）之前利用機組停機的機會到現場進行尺寸測量（liàng）。由於測量結果存在（zài）誤差，也給設計工作帶（dài）來一定的難度。

3 結構改造設計

      3.1 定子

      3.1.1 定子機座（zuò）

      原（yuán）設定子機座為圓筒形結構，設置有8 個定子基礎，為配合（hé）定子基礎設計，定子機座改造設計為正十六邊形焊接結構。

      機座在工廠組焊加工，分4 瓣運至工地，在現場用螺（luó）栓把合成整體。機座（zuò）設置頂環、上環、下環，沿圓周與鴿尾筋相對應的適（shì）當位置設置支撐棒，鴿尾（wěi）筋把（bǎ）合在拉緊螺杆上。

      由於基礎埋件不進行更新改造，改修機和原設機一樣設置8 個定子基礎，機座與基礎間采用螺栓連接，通過徑向銷定位並（bìng）傳（chuán）遞扭矩，這種結構可適應機座（zuò）熱變（biàn）形而產生的徑向膨脹。由於沒有相關（guān）的存檔資料，現（xiàn）場（chǎng）數據測量時（shí）對定子基礎埋件進行了詳細測量，但是由於各種因素，測量數據存在一定誤差，因此設（shè）計了特殊的（de）結構進行了調整，調整後的定子基礎（chǔ）通（tōng）過采取一定的措施現場與埋設基礎焊（hàn）接成一體（tǐ）。

     3.1.2 定子鐵心

      定子（zǐ）鐵心采用低損（sǔn）耗，無時效、優（yōu）質冷軋高磁導率薄矽鋼片疊壓而成。在衝（chōng）片兩麵均勻塗覆F 級絕緣漆。在（zài）定子鐵心合適位置設有多道通風（fēng）溝。

      定子鐵心采用四片一疊，2/3 搭接疊片方式。定子鐵心疊裝工（gōng）作在機座組圓後進行。這種整體結（jié）構的定子鐵心（xīn）無接（jiē）縫，運行中的鐵心振動小，無槽（cáo）底錯位，剛度、圓（yuán）度、整（zhěng）體性好。

      定子鐵心采（cǎi）用東芝傳統的分塊式（shì）上、下齒壓板壓緊結構（gòu），通過設置（zhì）於鐵心軛部的拉（lā）緊螺杆壓緊，並依靠裝於螺杆內徑側的鴿尾鍵定位。壓指采用非磁性（xìng）材料。這（zhè）種（zhǒng）壓緊結（jié）構使鐵心具有較（jiào）高抗“翹曲”的強度。

     3.1.3 定子繞組

      定子繞組為雙層條式波繞組、1 支路星形連接。繞組絕緣為F 級, 線棒主絕緣采用VPR 工（gōng）藝。定（dìng）子線棒（bàng）采用槽內540°羅貝爾換位, 以降低附加損耗和均衡線棒股線間的（de）溫差。線棒的槽部、出槽口（kǒu）及彎曲（qǔ）過渡部分均作防暈處（chù）理。上、下層線圈端頭（tóu）采用連接片一體銀焊的結構。

      為了防止發電機長期運行後定子線圈下沉（chén），在定子線圈上端（duān）出槽口的斜邊（biān）處，每隔一節矩設置一組線棒止沉塊（kuài），止沉塊支撐於上齒壓（yā）板的壓指（zhǐ）上，並綁紮在線棒上。繞（rào）組端部用非磁性端箍固定。

     3.2 轉子

      3.2.1 轉子（zǐ）支架

      轉（zhuǎn）子支架由於運（yùn）輸尺寸限製，采用2 分瓣把合式圓盤結構，由輪轂、上下（xià）圓盤、以及立筋（jīn）組成（chéng）。這種結構剛度大、加工精度高。中心體的所有焊接和加工均在廠內（nèi）完成（chéng）。

      轉子支架通過螺栓固定在發電機大軸（zhóu）法蘭上，並通過徑向組合鍵傳遞扭矩。

      3.2.2 磁軛

      磁軛（è）由高（gāo）強度磁軛衝片在現（xiàn）場疊壓而成，通過鉸（jiǎo）製螺栓把緊並傳遞衝片間的作用（yòng）力。疊片采用3片一（yī）疊，一節矩搭接方式，用導向（xiàng）銷定位導向，不需要在現場對磁軛進行鉸孔。

     根據設計基準，整體磁軛采用浮動式結構，磁軛與中心（xīn）體之間通過組合磁軛鍵周向楔緊，運（yùn）行時能保（bǎo）證轉（zhuǎn）子圓度並有（yǒu）效傳遞（dì）扭（niǔ）矩。

     3.2.3 磁極

      磁極鐵心由1.6 mm 厚PCYH250 高強度專用磁極衝（chōng）片疊成，通過螺杆壓緊。

      磁極線圈由異形斷麵的半硬紫銅排繞製而（ér）成，具有散熱麵積大，散熱效果好的特點。線圈匝間墊以Nomex 絕緣紙（zhǐ）, 與銅排熱壓成一體。線圈與鐵心間用絕緣板塞緊，對地絕緣可靠。磁（cí）極到現場後無需脫出線圈清（qīng）掃即可直（zhí）接掛裝（zhuāng）。

      磁極掛裝時在磁極鐵心鴿尾側（cè）麵打入長楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，楔形鍵用壓板鎖定。磁極線圈之間設置有可拆卸（xiè）結構的擋風板。

      3.2.4 勵磁繞組（zǔ）和阻尼繞組

      極（jí）間連接采用多層薄銅片製成的柔性（xìng）連接片連（lián）接（jiē），用螺栓把緊，安裝、拆卸和檢修方便。該電（diàn）站發（fā）電機飛逸（yì）轉速390 r/min 非常高，通過計算確定極間連接必須進行固定，然而轉子外徑相對較小，磁極數量64 個。造成極間空間非常緊湊，采用常規的極間擋塊或者托塊方式無法布置。因此，上部極間連接片從定子側引出至轉子磁軛上，利用磁極壓板焊接（jiē）固定座進（jìn）行連接，同時考慮連接片自身的離心（xīn）力，在磁極線圈上設置支撐塊對連接片進行固定，參見圖3。

      下部極間連（lián）接片引出至磁極鍵壓板位置，利用螺栓進行連接且（qiě）磁極鍵壓板做成特殊結構。參見圖4。

      為了防止因振動和熱位移而引起故（gù）障，阻尼繞組間采用柔性連接。其連接既牢固可靠，又便於檢（jiǎn）修拆卸。勵磁引線由銅排製成, 固定在轉子支（zhī）架平麵上,沿（yán）著上（shàng）端軸接至集（jí）電環。

      3.3 發電機軸

      3.3.1 主軸

     主軸為鍛件，軸（zhóu）身和推力頭為一體結構。轉子與大軸的聯接采用徑向組合鍵加聯軸螺栓的結構。這種結構定位精度（dù）高，拆裝（zhuāng）方（fāng）便（biàn）。推力鏡板為整體鏡板，通過螺栓（shuān）把（bǎ）合（hé）在（zài）推力頭上。

      3.3.2 滑環軸

      滑環軸由無縫鋼管和法蘭焊（hàn）接而成，通過（guò）螺栓把合在轉子支架法蘭上。

      3.4 軸承

      3.4.1 推力軸承

      推力軸（zhóu）承裝於下機架中心體的油槽內（nèi）。推力軸承承受水輪發電機（jī）組所有轉動部件的重（chóng）量和水推力構成（chéng）的組合載荷。推力軸承由10 塊扇形瓦組成，采（cǎi）用彈性金屬塑料瓦+ 彈簧簇支承結構，支撐彈簧根據載（zǎi）荷分布、油膜形成的需要布（bù）置在推力瓦下的適當區域，使推力軸承具有自調節功能，推力瓦受力（lì）更加（jiā）均勻，提高了推力軸承的運行穩定性。另外，采用多支點（diǎn）彈簧支撐方式，推力瓦的熱變形和彈性變形方向（xiàng）相反，可以互相補償，使推力瓦在運行過程中基本保（bǎo）持平麵，有效提高了推力軸（zhóu）承的潤滑性能和承載能力。彈性金屬塑料推力（lì）瓦可以利用旋轉推力軸承支（zhī）撐座單獨取出，對推力軸承進行（háng）就近或機坑外檢修。

      不設高壓油頂起裝置。

      3.4.2 導軸（zhóu）承

     下（xià）導軸承（chéng）采用分塊（kuài）、油浸式、自潤（rùn）滑、可調式彈（dàn）性金屬塑料瓦結構。通過調整螺栓即可方便調整（zhěng）軸承瓦與（yǔ）軸頸（jǐng）之間的間隙，瓦的背麵有球麵支承柱，徑向力通過支承柱傳到機架（jià）上。

     下導軸承與推力軸承共用同一油（yóu）槽，由12塊瓦組成，采用鏡板泵+ 外置油冷卻器冷卻（què）方式（shì）。油冷卻器布置在機坑外，每台機2 隻，其中1 隻備用。

     3.5 機（jī）架

     3.5.1 上機架

     上機架為非負荷機架，承受轉子徑向機械不平衡力和因氣隙不（bú）均產生（shēng）的單邊磁（cí）拉力的作用。由中心體和8 條支臂組成，原設機留用。

      3.5.2 下機架

      下機架（jià）由中（zhōng）心體和6 條支臂組成，其中4 條支臂在工廠與中心體焊為一體，另兩條在工地（dì）與中心體（tǐ）通過螺栓把合成一體。各支臂通過螺栓固定在基礎上。考慮到原設機推力軸承是支（zhī）撐在水輪機頂蓋（gài）上，下機架基礎設計（jì）可能沒有考慮整個推力負荷，因此（cǐ），改修機下機（jī）架與水輪機（jī）蓋板之間利用圓錐筒形支撐，將推力軸承支撐在水輪機蓋板（bǎn）上。具體結構參見圖（tú）2。由於改修（xiū）機推力軸承設置在轉子（zǐ）支（zhī）架下（xià）方，而（ér）原設機推力軸承設置在水輪機軸上，結構（gòu）區別較大，使得圓錐筒形支撐結構非常複雜（zá），進行了專門的課題討（tǎo）論和解（jiě）析後最終確定了相（xiàng）關結構設（shè）計（jì）。在下機架的下部，設有鋼密封隔板。由於下機架基礎沒有更新，因此現（xiàn）場測量數據時對（duì）下機架基礎相關數據進行了詳細測量，但是由於各種因素，測量（liàng）數據存在一定誤差，因（yīn）此設（shè）計了特（tè）殊的連接厚板進行了調整，調整後的厚板與基礎埋件現場焊（hàn）接。

     3.6 風洞及機坑

      電站機組為半（bàn）藏式結構（gòu），水（shuǐ）輪機裝於鋼筋（jīn）混凝土機坑內，發電機裝於鋼筋混凝土機（jī）坑上，外（wài）周設置封閉的圓形鋼板罩，構成封閉的風道。圓形鋼板罩原設機留用，在留用鋼板罩上新設置一扇進入發電機層的（de）進人門，以方便進出。

      3.7 集（jí）電裝置

     滑環置於發電機滑環軸的上端。刷架固定於發電機頂罩上。刷架與滑環均在密（mì）封的風罩（zhào）內，循環風路與發電機（jī）風室分開,以保證碳刷粉塵不汙（wū）染定轉子。

     3.8 附屬設備

     3.8.1 通風、冷卻係統

     通風冷卻係統采用密（mì）閉雙路徑向無風扇自循環通（tōng）風（fēng）冷（lěng）卻係統。冷卻風壓由轉子轉動時的離心作用形成。風循環路（lù）徑（jìng）為：圓盤支架－磁軛－磁極－定子－空氣冷卻器－風道－圓盤支架。定子機座外裝（zhuāng）設8 隻空氣冷卻器。

     原設機下部回路利用了（le）混凝土風道進（jìn）行通風循環，而改修機利用定子基（jī）礎（chǔ）之間的空間進行（háng）通風循環，因此對混凝土風（fēng）道采取了（le）封堵措施（shī）。

     3.8.2 製動裝置

     在（zài）下（xià）機架上設6 隻雙活塞油氣腔分（fèn）開、彈簧複位式（shì）製動器。每隻製動器上設雙接點（diǎn）行程開關，能反映（yìng）製動器是（shì）否（fǒu）動作或全部複（fù）位。製動塊采用非石（shí）棉聚合樹脂材料，摩擦係數大，磨損率（lǜ）低，粉塵少，不汙染環境。在製動器下層活塞下可送高壓油以頂起轉子。

      3.8.3 滅（miè）火裝置

     定子兩端裝有滅（miè）火環管（guǎn），滅火（huǒ）介質為CO2。線棒上、下端均安裝線狀火（huǒ）警探測（cè）器。當線圈溫度（dù）達到150℃時自動聲光報警，並指（zhǐ）示過熱位置。當溫度（dù）達到200℃時再次報警（jǐng），信號可接至停機回路和投CO2 滅火回路。

     3.8.4 其它

     改造後的機組（zǔ）還設有防潮裝置，油霧收集裝置，製動粉塵收集裝置，軸電流防止（zhǐ）及檢測裝置等。

4 結語

      該電站1 號機組已於2012 年6 月28 日完成一係列現場試（shì）驗後，投入商業運行（háng）。機（jī）組（zǔ）各部溫升和振動均滿足合同要求，並有一定裕量。根據改修計劃2號機組預（yù）計相隔一年後投入運行。該電站是東芝公司繼韓國春川電站改修後的又一個成果，得到（dào）韓國客戶的好評，為東芝公司在韓國（guó）後續改修項目（mù）的中標奠定了一（yī）定的基礎。