謝玉增，付長虹，鄭龍?zhí)?，梁洪濤，王建忠，?松，陳 斯

（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

前言

汽輪發(fā)電機的容量與定子的重量及橫斷面尺寸密切相關(guān)，伴隨著容量的提高，定子的重量及橫斷面尺寸都要增大，對于1000MW級汽輪發(fā)電機定子，重量一般要達到420 t以上，直徑超過4100 mm，超出常規(guī)貨物運輸極限，歸屬長大貨物，運輸難度極大，這里不僅面臨是否有適合的運輸車輛的問題，更大的困難在于道路與橋梁、隧道的承載能力或限界問題；公路、鐵路甚至水路接力運輸，小至道路橋梁臨時加固，臨時拆除沿途建筑設(shè)施，大到需要修建橋梁碼頭甚至開辟新線路，浩繁的工程要地方政府或國家機關(guān)出面協(xié)調(diào)，涉及規(guī)劃投資等一系列問題。

歐美發(fā)達國家在開發(fā)1000MW級汽輪發(fā)電機項目時同樣面臨該問題，并為此付出艱辛的努力，致力于解決超重超限物資的鐵路運輸，在解決了國家重點項目所需的大件運輸?shù)耐瑫r，也促進了鐵路超重超限物資車輛技術(shù)水平的長足發(fā)展以及道路橋梁設(shè)施的及相關(guān)規(guī)范標準的建設(shè)和更新發(fā)展。該問題在中國境內(nèi)更為嚴峻，有兩方面原因：一是中國能源策略仍然以火電為主，大規(guī)模的1000MW級汽輪發(fā)電機項目需求是以往發(fā)達國家所不及的；其二，國內(nèi)鐵路道橋建設(shè)及相關(guān)標準對大車運行不利，限制了大件貨物運載極限。中國鐵路從80年代初期開始運用鉗夾車運輸600MW汽輪發(fā)電機定子，運輸車輛不斷完善，自重不斷降低，D38鉗夾車在項目研究實施初期是國內(nèi)鐵路適合汽輪發(fā)電機定子運輸?shù)淖畲筌囕v，核定最大承載能力為380t，專門為此項目開發(fā)配備的DQ45鉗夾車核定最大承載能力為450 t，但運輸管理部門對超重等級的控制也日漸嚴格，目前只允許一級超重等級的運輸，DQ45鉗夾車在一級超重等級時的承載能力為408 t，橋梁現(xiàn)狀及運輸管理問題限制了車輛的實際承載能力。

鐵路運輸安全快捷、費用低，解決定子鐵路運輸對制造企業(yè)擴大市場范圍、提高經(jīng)濟效益有積極意義。哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司從2006年開始就1000MW級汽輪發(fā)電機定子鐵路運輸進行專項研究，依托華能沁北 2X1000MW 超超臨界汽輪發(fā)電機組項目，該專項研究技術(shù)得以實施和驗證，應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計制造的兩臺發(fā)電機定子分別于2010年10月及2011年2月通過鐵路運輸安全到達目的地，如圖1所示。裝車及運輸過程實時監(jiān)控數(shù)據(jù)與設(shè)計值對比分析表明，運輸相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計達到預(yù)期要求。

1 分體運輸方案

解決大容量發(fā)電機定子運輸問題可以采用內(nèi)外機座設(shè)計，已有成熟的經(jīng)驗，將發(fā)電機定子機座設(shè)計成內(nèi)、外兩部分，在工地進行內(nèi)外機座的插裝等工作，內(nèi)定子的尺寸與重量都較同容量的整體定子小，降低了運輸難度，在本項目研究初始階段，中國鐵路相關(guān)部門已著手進行1000MW內(nèi)定子鐵路運輸準備工作，且已成功實施，鐵路部門為此專門研制配備了 DA37型凹底運輸車。

內(nèi)定子雖有較整體定子運輸尺寸小重量低的優(yōu)點，但在后續(xù)現(xiàn)場施工需專用工藝裝備及搭建臨時廠房，在簡陋工藝裝備條件下的組裝精度控制、絕緣系統(tǒng)的保護、施工的組織與施工周期控制、現(xiàn)場施工時間較整體定子明顯延長等一系列問題，制造廠和用戶必須對此付出努力和讓步。

圖1 1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機定子鐵路運輸

2 1000MW汽輪發(fā)電機定子整體運輸方案

從保證發(fā)電機性能以及施工周期等全方位考慮，采用定子整體運輸仍是最佳選擇，絕緣性能是影響發(fā)電機可靠性的關(guān)鍵問題，在制造廠內(nèi)完成定子全部裝配過程能更好的保證發(fā)電機性能，也方便在運輸和儲存過程的防護工作，能夠最大限度保證產(chǎn)品質(zhì)量并縮短現(xiàn)場施工周期，充分滿足戶利益需求；對于制造廠也有利于降低生產(chǎn)成本和運輸成本。

鐵路的建筑接近限界、曲線半徑、軸載荷、道橋活載荷、車輛設(shè)計規(guī)范等技術(shù)條件制約了大車的設(shè)計，使車輛的承載能力不能無限制的提高，一些特定長度的橋涵成為過橋限制門限，使車輛與貨物的總重最大允許值被限定，在此條件約束下，減重成為發(fā)電機定子及車輛的共同問題，這是1000MW汽輪發(fā)電機定子實現(xiàn)整體鐵路運輸?shù)年P(guān)鍵所在。

長大貨物運輸車輛結(jié)構(gòu)形式有較強的針對性，汽輪發(fā)電機定子斷面闊大，自身剛強度高，適合采用鉗夾車運輸。鑒于車輛與發(fā)電機定子的接口參數(shù)的合理性關(guān)系到車輛和發(fā)電機定子能否重量最小，更關(guān)系到運輸安全，技術(shù)協(xié)調(diào)工作貫穿車輛及發(fā)電機整個設(shè)計過程，發(fā)電機機座與運輸工具在運輸工況應(yīng)力計算分析比照車輛相關(guān)標準考核，這對設(shè)計的進行及保障運輸安全都是至關(guān)重要的。

1000MW發(fā)電機定子鐵路運輸方案確定為采用整體定子運輸方案，發(fā)電機定子運輸工具（與鉗夾車的連接接口）采用運輸端蓋形式，針對運輸端蓋存在耳板根部應(yīng)力集中問題和定子機座大幅度減重引起剛強度降低問題，采用承載頂部蓋板和底部預(yù)應(yīng)力直聯(lián)拉桿結(jié)構(gòu)。接口關(guān)鍵數(shù)據(jù)經(jīng)與車輛設(shè)計部門協(xié)調(diào)研究，鉗夾寬度為2000mm，高度為3150mm，車輛重量205t，發(fā)電機定子連同運輸工具總重不超過 408t，在此條件下過橋超重指標為一級超重，既有線路上過橋不需要進行臨時加固。

在保證發(fā)電機性能的基礎(chǔ)上，控制斷面尺寸和重量是先決條件，這里還涉及到新結(jié)構(gòu)對發(fā)電機長期運行振動的影響、通風(fēng)問題、制造工藝問題的研究與權(quán)衡，這些問題不在本文論述范圍。

2.1 定子相關(guān)結(jié)構(gòu)

為最大限度降低重量、縮小斷面尺寸，并兼顧通風(fēng)結(jié)構(gòu)的要求，定子機座斷面形狀非同以往結(jié)構(gòu)，設(shè)置在機座底部的外附軸向通風(fēng)道以及冷卻器罩內(nèi)的軸向通風(fēng)道夾層替代了以往結(jié)構(gòu)鐵心背部的軸向通風(fēng)道，這種斷面結(jié)構(gòu)形式可以使1000MW機座最大寬度控制在3840mm，（600MW機座為4000mm），有利于通過性能，降低了運輸過程技術(shù)操作難度，如圖2所示。新結(jié)構(gòu)相關(guān)的制造工藝也是制約因素，最終方案折中權(quán)衡了所有相關(guān)要求及條件。

圖2 1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機定子機座

根據(jù)發(fā)電機運行及定子鐵路運輸受力工況分析，定子機座采用345 MPa等級鋼板，機座底部的外附軸向通風(fēng)道加強了機座底部的剛強度，降低定子鐵路運輸工況平均應(yīng)力，頂部有保護蓋板結(jié)構(gòu)輔助加強，除去局部大應(yīng)力位置，1000MW 機座整體應(yīng)力符合鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范中關(guān)于金屬零件許用應(yīng)力的規(guī)定。

2.2 運輸端蓋

運輸過程中，發(fā)電機定子、運輸端蓋以及連接結(jié)構(gòu)與鉗夾車的鉗夾梁共同形成承載結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到運輸安全，分析論證必需嚴謹可靠，研究過程采用有限元輔助分析（靜力分析）優(yōu)化結(jié)構(gòu)方法，高強鋼的選用充分權(quán)衡焊接性能，在焊料選材、焊接工藝過程嚴格控制，采用超聲波沖擊強化工藝提高關(guān)鍵焊縫耐疲勞性能，確保運輸安全。

運輸端蓋的重量也必須嚴格控制，為此端板沒有采用大面積的厚鋼板，取而代之的是井字加強框架結(jié)構(gòu)，耳板是關(guān)鍵受力部位，根據(jù)應(yīng)力分布規(guī)律在不同位置采用不同厚度，雖然承擔(dān)的運輸重量比以往更大，但運輸端蓋自身重量卻較以往結(jié)構(gòu)更輕，抗彎剛度更高，也使連接螺栓受力分布較以往結(jié)構(gòu)更均勻；連接螺栓大部分利用發(fā)電機端蓋把合孔，在受力集中的區(qū)域布置了運輸端蓋專用螺栓孔，這些螺栓孔的分布由有限元輔助分析優(yōu)化，連接整體性、總體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理以及實際操作便利性都得到權(quán)衡。

運輸端蓋的耳板銷孔部位是與鉗夾車鉸接的關(guān)鍵受力部位，此處承擔(dān)傳遞機座重力以及鉸接附加力，在該運輸方案下每側(cè)耳板分別達到120t和 448t， 該處的材料許用應(yīng)力有嚴格的要求，經(jīng)有限元分析表明，最終結(jié)構(gòu)耳板R150圓弧部位最大Von.Mises應(yīng)力值為212.2MPa，如圖 3所示，采用高強度可焊接鋼板, 許用應(yīng)力參考鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范中關(guān)于金屬零件的有關(guān)規(guī)定。

圖3 運輸端蓋耳板R150圓弧部位Von.Mises應(yīng)力分布

2.3 連接螺栓及拉桿

采用貫穿拉桿連接汽、勵兩端運輸端蓋，在裝車前施加預(yù)緊力，由捶頭式凹球面拉桿座直接與耳板底部延伸結(jié)構(gòu)接觸，形成母材鉸接傳力結(jié)構(gòu)，避免焊接結(jié)構(gòu)承受高應(yīng)力，該結(jié)構(gòu)也避免了無拉桿結(jié)構(gòu)在耳板與端板焊接區(qū)域的高應(yīng)力區(qū)現(xiàn)象。凹球面拉桿座與凸球面墊圈形成自調(diào)心結(jié)構(gòu)，使貫穿拉桿受力狀態(tài)簡化為二力桿，避免承受彎矩附加應(yīng)力，提高使用強度。

上述做法可以有效降低運輸端蓋和機座危險部位的應(yīng)力和連接螺栓應(yīng)力，有利于保證運輸安全，部分拉力通過貫穿拉桿直接傳輸，降低定子與運輸端蓋連接螺栓的受力，保證連接壓力和整體性。貫穿拉桿和螺母的材料為鍛造高強鋼，許用應(yīng)力及要求按鉗夾車的鉗夾梁相關(guān)要求執(zhí)行。

貫穿拉桿以及螺母、連接螺母、球面墊圈組的結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣圍繞減輕自重及降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中進行，拉桿兩端采用的螺紋小徑大于拉桿母體直徑，降低螺紋部位的危險應(yīng)力。出于制造以及運輸完成后工具回送便利考慮，貫穿拉桿采用分段結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)細節(jié)及總體布置同樣要顧及裝拆操作工藝性，包括裝車前以及到達現(xiàn)場條件下的拆卸操作，貫穿拉桿裝車前的預(yù)緊力數(shù)值較大，專門設(shè)計的液力拉伸器在操作便利性和預(yù)緊力數(shù)值控制準確性方面同樣優(yōu)秀。

3 分析驗證結(jié)果及存在問題

兩次運輸運行途徑相同，全程約2378公里，跨及哈爾濱、沈陽、北京、濟南、鄭州五個鐵路局，時間皆處于對材料性能不利的嚴寒季節(jié)，特別是在哈局管內(nèi)，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的耐低溫性能得到驗證，根據(jù)兩次裝車及運輸過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)構(gòu)設(shè)計達到預(yù)期要求，定子機座、運輸端蓋、貫穿拉桿等形成的運輸狀態(tài)承載主體結(jié)構(gòu)具有足夠的安全裕度，能夠滿足安全要求，操作實施方便合理。

運輸實時監(jiān)控數(shù)據(jù)分析表明，通過道岔有害空間以及曲線的外軌大超高產(chǎn)生側(cè)傾引起的附加載荷對連接螺栓、貫穿拉桿以及運輸端蓋的動載荷都有不同程度的影響，是運輸安全的不利因素。

兩次運輸關(guān)鍵部位監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)（見表1和表2）比較結(jié)果證明，不同結(jié)構(gòu)部位的動載荷系數(shù)是不同的，連接螺栓和貫穿拉桿有較大預(yù)緊力的部件受動載荷影響相對較小，按分析計算中統(tǒng)一的動載荷系數(shù)1.3進行勢必造成安全裕度冗余，1000MW 級汽輪發(fā)電機定子鐵路運輸是在現(xiàn)有運輸條件下的極限設(shè)計，所有結(jié)構(gòu)的設(shè)計都囿于自重的控制，動載荷系數(shù)細微的變化都可能導(dǎo)致總重量超過極限，合理的動載荷系數(shù)的選取對設(shè)計工作至關(guān)重要。

計算機運算速度的提高使有限元輔助分析網(wǎng)格更加細化，可以顯現(xiàn)細微結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力狀態(tài)，相關(guān)規(guī)范在材料許用應(yīng)力方面要求應(yīng)進行修正。大車的運用條件不同于常規(guī)車輛，運行時間短，不存在疲勞問題，用常規(guī)車輛標準考核大車的設(shè)計勢必嚴重制約其發(fā)展，借鑒德國等發(fā)達國家在這方面的經(jīng)驗制訂切合實際的考核標準對提高中國鐵路大件貨物最大運載極限是關(guān)鍵問題，這同樣關(guān)系到運輸端蓋的合理設(shè)計。

表1 第一次運輸關(guān)鍵部位監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

表2 第二次運輸關(guān)鍵部位監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

4 總結(jié)及展望

定子運輸是1000MW級汽輪發(fā)電機設(shè)計必須關(guān)注的問題，忽視該問題將給后續(xù)工作帶來一系列棘手的問題，沁北項目1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機定子整體鐵路運輸是發(fā)電機生產(chǎn)廠、車輛制造廠、鐵路運輸執(zhí)行部門聯(lián)手協(xié)作，從方案設(shè)計階段開始進行技術(shù)交流、探索創(chuàng)新的成功嘗試，刷新了中國鐵路發(fā)電機定子運輸能力的極限值，為此項目設(shè)計制造的鉗夾車的自重系數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標已達到國際先進水平，發(fā)電機定子也是同容量最輕的（378t），是唯一可以在中國鐵路實施整體運輸?shù)?000MW級發(fā)電機定子。

如此偏重于運輸?shù)募s束條件研究設(shè)計發(fā)電機定子在發(fā)電機制造業(yè)是首次，諸多創(chuàng)新結(jié)構(gòu)獲得多項國家發(fā)明專利及實用新型專利，這些創(chuàng)新結(jié)構(gòu)都是圍繞降低機座總重、斷面尺寸，適應(yīng)鐵路道橋建設(shè)現(xiàn)狀，滿足運輸安全系數(shù)這個基本要求進行的。 以目前國內(nèi)車輛、道路橋梁的實際情況以及超限等級計算方法、運輸超限等級的控制允許情況分析，1000MW 汽輪發(fā)電機的內(nèi)定子、整體定子都已達到或接近現(xiàn)有運輸車的實際能力極限，即使鐵路相關(guān)部門允許二級甚至超級超重運行，目前的車輛也無法滿足更大容量定子的運輸重量需求；車輛進一步降低自重，運輸操作及相關(guān)標準允許門限、新的活載標準的實施以及開發(fā)新的運輸承載方式是解決足更大容量汽輪發(fā)電機定子鐵路運輸?shù)年P(guān)鍵。

大件運輸支持國民經(jīng)濟關(guān)鍵項目的實施，運輸工作對大件運輸?shù)哪芰凹夹g(shù)發(fā)展又有巨大的促進作用，跨行業(yè)的技術(shù)交流與進一步探討溝通至關(guān)重要。

[1] 梁洪濤.1000MW 級汽輪發(fā)電機定子鐵路整體運輸方案研究 [J].大電機技術(shù), 2008, (3).

[2] 張進德等.中國鐵路長大貨物運輸[M].中國鐵道出版社, 2001.

[3] 田葆栓等.中國鐵路長大貨物車使用手冊[M].中國鐵道出版社, 2005.