摘要∶ 文（wén）章主要介紹了上世紀60 年代由日本國他社設（shè）計（jì）製造的韓國某電站立式（shì）軸流（liú）轉槳式水輪發電（diàn）機整（zhěng）體改造設計，改造後機（jī）組各（gè）項參數滿足合同要求，達到滿意效果（guǒ）。為類似機組改造設計（jì）提供參考。

關鍵詞∶ 軸流轉槳式；水輪發電機；整體改造

1 前言

      韓國某（mǒu）電（diàn）站（zhàn）隸屬於韓國水力原子力株式會社，位於流經韓國江原道春川市（shì）的（de）北漢江上，上遊為春川電站，下遊為清平（píng）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 立式軸流轉槳式水輪發電機由日本國他社1967 年設計製造，運行了（le）40 多年，機組出現了嚴重老化現（xiàn）象。為了確保今後的穩（wěn）定運行，客戶（hù）希望（wàng）對機組進行改造。2008 年10月（yuè）應業主邀（yāo）請，東芝公司和其他公司分別對機組進行診斷，提（tí）出機組改造方案。由於提出的改造方案（àn）可行可靠，性能優良，最終東芝公司於2009 年中標該項目。筆者在（zài）東芝公司工作期間，負責該項目的投標設計和改造設計工作。

2 概述

      發電機改造前後的基本參數見表1。

      該電站原設計機組（zǔ）為全傘式結構，推力軸承支撐在水輪機（jī）頂蓋上。發電機導軸承位於（yú）轉子下方，不（bú）設上（shàng）導軸承。原設發電機剖（pōu）麵圖參見圖1。

      從（cóng）圖1 可以看出，原設機（jī）的勵磁機和永磁發電機位於轉子上方，轉子支（zhī）架（jià）為下傾圓錐形（xíng），水輪機槳葉操作接力器設置在（zài）轉子中心（xīn）體輪轂內，操作油管的高壓油導油裝（zhuāng）置與下導（dǎo）軸承共（gòng）用。下導軸承采用圓筒形結構。推（tuī）力頭采用（yòng）分瓣式結構，用卡環安裝在水輪機軸上。

      根據電站機組（zǔ）改修計劃，對發電機除風道、基礎和上機架之外，其餘全部更新改造。由於兩個公司（sī）的技術差異，從（cóng）投標開始，東芝公司（sī）就取消了勵磁機和永磁發電機直接與發電機轉動部件連接的方式（shì）。為了簡化轉子中心體的設計，槳葉操作接力器也從轉子中心體輪（lún）轂移至發電機軸與（yǔ）水輪機軸連（lián）接處（chù）。具體結構參見圖2。

      從圖2 可以看出，改修後的電站發電機仍然為（wéi）全傘式結構。轉子支（zhī）架為圓盤結構（gòu），推（tuī）力軸承（chéng）布置在下機架中心體內，考慮到下機架基礎的承受能力，推（tuī）力軸承仍然支撐在水（shuǐ）輪機頂蓋上。由於是改修項目，留用部件的相關接口必須事先進行調查（chá）。該（gāi）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（shí）間太（tài）長，發電機相關的許多印刷（shuā）版資料也無法查到，給相關接口調查帶來了不便。因此隻能在製造圖設計之前利（lì）用機組停機的機會到現場進行尺寸測量。由於測量結果存在誤差，也給設計工作（zuò）帶來一定的難度。

3 結構改造設計（jì）

      3.1 定子

      3.1.1 定（dìng）子機座

      原設定子機座為圓筒形結構，設置有8 個定子基礎，為配合定子基礎設計，定子機座改（gǎi）造（zào）設計為正十六邊形焊（hàn）接結構。

      機座在工廠組焊加工，分4 瓣運至（zhì）工地，在（zài）現場用螺栓把合（hé）成整體（tǐ）。機座設置頂環、上環、下環，沿圓周與（yǔ）鴿尾筋相對應的適當位置設置支撐（chēng）棒（bàng），鴿尾筋把合在拉緊螺（luó）杆上。

      由於基（jī）礎埋件不進行更新改造，改修機和原設機一樣設（shè）置8 個定子基礎，機座與基礎間采用螺栓連接，通過（guò）徑向銷定位並傳遞扭矩，這種結構可適應機座熱變形（xíng）而產（chǎn）生的徑向膨脹。由於沒（méi）有相關的存檔資料，現場數據測量時對定子基（jī）礎埋件（jiàn）進行（háng）了詳細測量，但是由於各種因（yīn）素，測量數據存在一定（dìng）誤差，因（yīn）此設計了特殊的結構進行了調整，調整後的定子基礎通過采取一定的措（cuò）施現（xiàn）場與埋設基（jī）礎焊接成一體。

     3.1.2 定子鐵心（xīn）

      定子（zǐ）鐵心采用低損耗，無時效、優質冷軋高磁導率薄矽鋼片疊壓而成。在衝片兩（liǎng）麵均勻塗覆F 級絕緣漆（qī）。在定子鐵心合適位置設有多道通風溝。

      定子鐵心采用四片一疊，2/3 搭接疊片方式。定子（zǐ）鐵心疊裝工作在機座組圓後進行。這種整體結構的（de）定子鐵心無接縫，運行中的鐵心振動小，無槽底錯位，剛度、圓度、整體性好。

      定（dìng）子鐵心采用東芝傳統的分塊式上、下齒壓板壓緊結（jié）構，通過（guò）設置於鐵心軛部的拉緊螺杆壓（yā）緊，並（bìng）依靠裝於（yú）螺杆內徑側的鴿（gē）尾鍵定位。壓指采用（yòng）非磁性材料。這種壓緊結構使鐵心具有較高抗“翹曲”的強（qiáng）度。

     3.1.3 定子繞（rào）組

      定子繞組為雙層（céng）條式波繞組、1 支路星形連接。繞組絕緣為F 級（jí）, 線棒主絕緣采用VPR 工藝。定子線棒采用槽（cáo）內540°羅貝爾換位, 以降低附加損耗和均衡線棒股線間的溫（wēn）差（chà）。線棒的槽部、出槽（cáo）口及彎曲過渡部分均作防暈處理（lǐ）。上、下層線圈端頭采用連接片（piàn）一體銀焊的結構。

      為了防止發電機長期（qī）運（yùn）行後定子線圈下沉，在定子線（xiàn）圈上端出槽口的斜邊處，每隔一節（jiē）矩設（shè）置一組線（xiàn）棒止沉塊，止（zhǐ）沉（chén）塊支撐於上齒壓板的（de）壓指上，並綁紮在線棒上。繞組端部用非磁性端箍固定。

     3.2 轉子（zǐ）

      3.2.1 轉子支架

      轉子支架由於運（yùn）輸尺寸限製，采用2 分瓣把合式圓盤結（jié）構，由輪轂、上下圓盤、以及立筋組成。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。

      轉子支（zhī）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（cí）軛由高強（qiáng）度磁軛衝（chōng）片在現場疊壓而（ér）成，通過鉸製螺栓把緊並傳遞衝片間的作用力。疊片采用3片一疊，一節矩搭接方式，用導向銷定位導向，不需要在現場對磁（cí）軛進行鉸（jiǎo）孔。

     根據（jù）設計基準，整體磁軛采用浮動式結構，磁軛與中心體之間（jiān）通過組合磁軛鍵周向楔緊，運行時能保證轉（zhuǎn）子圓度並（bìng）有效傳遞扭矩。

     3.2.3 磁極

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

      磁極（jí）線圈（quān）由異形斷麵的（de）半硬紫銅排繞製而成，具有散熱（rè）麵積大，散熱效果好（hǎo）的特點（diǎn）。線圈匝間墊以Nomex 絕緣紙, 與銅排熱壓（yā）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掃（sǎo）即可直接掛裝。

      磁極掛裝時在磁極鐵（tiě）心鴿尾側麵打入長楔形鍵將磁（cí）極楔緊在磁軛上，楔形鍵（jiàn）用（yòng）壓板鎖定。磁極線（xiàn）圈（quān）之間設置有可拆卸結構的（de）擋風板。

      3.2.4 勵磁繞組和阻尼繞（rào）組

      極間連接采用多層薄（báo）銅片製成的柔性連接片連（lián）接，用螺栓把緊，安裝、拆卸和檢修方（fāng）便。該電站發（fā）電機飛逸轉速390 r/min 非常高，通過計算確定（dìng）極間連接必須進行固定（dìng），然而轉子外徑（jìng）相對較小（xiǎo），磁極數量64 個。造（zào）成極間空間非（fēi）常緊湊，采用常規（guī）的極間擋塊或者托塊（kuài）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，利用磁極壓板焊接固定座進行連接，同時（shí）考慮連接片自身的離心力，在磁極線圈上設（shè）置支撐塊對連接（jiē）片進行（háng）固定，參見圖3。

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

      為了（le）防止因振動（dòng）和熱位移而引起故障，阻尼繞組間采（cǎi）用（yòng）柔性連接。其連接（jiē）既牢固可靠，又便於檢修拆（chāi）卸。勵磁引線由銅排製成, 固定在轉（zhuǎn）子支架平麵上,沿著上端軸（zhóu）接至集電環。

      3.3 發電機軸

      3.3.1 主軸

     主軸（zhóu）為鍛件，軸身和推力頭為一體結（jié）構（gòu）。轉子（zǐ）與大軸的聯接采用（yòng）徑向組合鍵加聯軸螺栓的結構。這種結構定位精度（dù）高，拆裝方便。推力鏡板為整體鏡板，通（tōng）過螺栓把合在推力頭上。

      3.3.2 滑環軸

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

      3.4 軸承

      3.4.1 推力軸承

      推力軸承裝於下機（jī）架中心體的油槽內。推力軸（zhóu）承承受水（shuǐ）輪發（fā）電機組所有（yǒu）轉動部件的重量和水（shuǐ）推力構成的組合載荷。推力軸承（chéng）由10 塊扇形瓦組成，采用彈性金（jīn）屬（shǔ）塑（sù）料瓦（wǎ）+ 彈簧簇支承結構（gòu），支撐（chēng）彈簧根據載荷分布、油膜形成的需要布置在推力瓦下（xià）的適當區域（yù），使推（tuī）力軸承具有（yǒu）自調節功（gōng）能，推力瓦受力更加均勻，提高了推力軸承的運行穩定性。另外，采用多支點彈簧支撐方（fāng）式，推力瓦的熱（rè）變形和彈性變（biàn）形方向相反，可以互相補償，使推力瓦在運行過程中基本保持平麵，有效提高了（le）推力軸承的潤滑性能和承載能力。彈（dàn）性金屬（shǔ）塑料推力瓦可（kě）以利用旋轉推力軸（zhóu）承支撐座單獨取出，對（duì）推力軸承進行就近或機坑外（wài）檢修。

      不設高壓油頂起裝置（zhì）。

      3.4.2 導軸承

     下導軸承采用分塊、油浸式、自潤滑、可調式（shì）彈性金屬塑（sù）料瓦結構。通過調整螺栓即可（kě）方（fāng）便調整（zhěng）軸承瓦與軸（zhóu）頸之間的間隙，瓦的背麵有球麵支（zhī）承柱，徑（jìng）向力通過支承（chéng）柱傳到機架上（shàng）。

     下導軸（zhóu）承與推力（lì）軸承共（gòng）用同一（yī）油槽，由12塊瓦組成，采用鏡板泵+ 外置油冷卻器冷卻方式。油冷卻器布置（zhì）在機坑外，每台機2 隻，其中1 隻備用。

     3.5 機架

     3.5.1 上機架

     上（shàng）機架為非負荷（hé）機（jī）架，承受轉子徑向（xiàng）機械不平衡力和因氣隙不均（jun1）產（chǎn）生的單邊磁拉力的作用。由中心體和8 條（tiáo）支臂組成，原設機留用。

      3.5.2 下機架

      下機架由中心體和6 條支臂組（zǔ）成，其中4 條支臂在工廠與中心體焊（hàn）為一體，另兩條在工地與中心體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撐在水輪機頂蓋上，下機架基礎設計可能沒有考慮整個推力負荷，因（yīn）此，改修機下機架與水輪機蓋板之間（jiān）利用圓錐筒形支撐，將推力軸承支撐在水輪機蓋板上（shàng）。具體結構參見圖2。由於改修機推力軸承設置在轉子支（zhī）架（jià）下方（fāng），而原設（shè）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，進行了專門的課題（tí）討（tǎo）論和解析後最終確定了相關結（jié）構設計。在下機架（jià）的（de）下部，設有鋼（gāng）密封隔板。由於下機架基礎沒有更新，因此現（xiàn）場測量（liàng）數據時對下機架基礎相關數（shù）據進（jìn）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，因此（cǐ）設計了特殊的連接厚板進（jìn）行了調整，調整後的厚板與基礎埋件現場（chǎng）焊接。

     3.6 風洞及機坑

      電站機組為半藏式結構，水輪機裝於鋼筋混凝土機坑內，發電機裝於鋼筋混凝土（tǔ）機坑上，外周設置封閉的圓形鋼板罩，構成封閉的風道（dào）。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進人門，以方（fāng）便進出。

      3.7 集電裝置

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

     3.8 附屬設（shè）備

     3.8.1 通風、冷卻係統

     通風冷卻係統采用密閉（bì）雙路徑（jìng）向無風（fēng）扇自循（xún）環通風冷卻（què）係統。冷卻風（fēng）壓由轉子轉動（dòng）時的離心作用形成。風循環路徑為：圓盤支架（jià）－磁軛－磁（cí）極－定子－空氣冷（lěng）卻器－風道－圓盤支架。定子機座外裝設8 隻空氣冷卻器。

     原設機（jī）下部回路利用了混凝土風道進行通風循環，而改修（xiū）機利用定子基礎之間的空間進行通風循環，因此對混凝土風道采取了（le）封（fēng）堵措施。

     3.8.2 製動裝置

     在下機架上設6 隻雙（shuāng）活塞油氣腔分開、彈簧複位（wèi）式製動器。每隻製動器上設雙接點行程開關，能反映（yìng）製動器是否動作或全部複位。製動塊采用（yòng）非石棉聚合樹脂材（cái）料，摩擦係數大，磨損率低，粉塵少，不汙染環（huán）境。在製動器下層活塞下（xià）可送高壓油（yóu）以頂起轉子。

      3.8.3 滅火裝置

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

     3.8.4 其它

     改造後（hòu）的機（jī）組還設有（yǒu）防潮裝置，油霧（wù）收（shōu）集裝置，製動粉塵收集裝置，軸電流防止及檢測裝置等。

4 結語（yǔ）

      該電站1 號（hào）機組已（yǐ）於2012 年6 月28 日完成一係列現場試驗後，投入商業運行。機組各部溫升和振動均滿足合同要求，並有一定（dìng）裕量。根據（jù）改（gǎi）修計劃（huá）2號機組預計相隔一年後投入（rù）運行。該電（diàn）站是東（dōng）芝公司繼韓國春川電站改修後的又（yòu）一個成果，得到韓（hán）國客戶的好評，為東芝公司在韓國後續改修（xiū）項目的中（zhōng）標奠（diàn）定了一定的基礎。