周祥德

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410100）

1 概況

貴州某電站是20世紀(jì)80年代投產(chǎn)的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)為國(guó)內(nèi)某水電設(shè)備制造廠(chǎng)家制造的帶有試驗(yàn)性質(zhì)的機(jī)組，由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平限制，存在著效率較低、絕緣老化、軸承漏油、漏水、機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜落后、機(jī)組安裝維護(hù)不便等缺陷及安全隱患。原發(fā)電機(jī)的參數(shù)如表1。

表1 原發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)

原發(fā)電機(jī)的總裝配圖如圖1所示，定子裝配如圖2所示。

原發(fā)電機(jī)組軸承采用兩支點(diǎn)布置，徑向推力組合軸承位于轉(zhuǎn)子上游側(cè)，固定在發(fā)電機(jī)的機(jī)架上，另一個(gè)座式導(dǎo)軸承位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下游側(cè)靠水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪端，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子支承在這兩道座式軸承上。發(fā)電機(jī)座環(huán)與發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)澆筑緊固，是發(fā)電機(jī)的主要支撐，定子固定其上，發(fā)電機(jī)座環(huán)還作為發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的重要部件。發(fā)電機(jī)采用密閉自循環(huán)空氣冷卻，空冷器位于外置的通風(fēng)管道內(nèi)，空冷器冷卻后的冷風(fēng)經(jīng)鋼制的通風(fēng)管進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)，吹拂冷卻發(fā)電機(jī)后進(jìn)入發(fā)電機(jī)座環(huán)，經(jīng)發(fā)電機(jī)座環(huán)匯集后由座環(huán)上方的混凝土通風(fēng)道進(jìn)入空冷器，由空冷器進(jìn)行冷卻。為加強(qiáng)通風(fēng)，在鋼制通風(fēng)管內(nèi)設(shè)置1臺(tái)雙風(fēng)葉的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行加壓。

圖1 原發(fā)電機(jī)總裝配

圖2 原發(fā)電機(jī)定子裝配

原發(fā)電機(jī)定子外徑Φ2 980 mm，定子采用鐵心貼壁結(jié)構(gòu)，定子鐵心由鴿尾筋定位，鴿尾筋用螺栓固定在定子機(jī)座上，定子機(jī)座下方設(shè)置2個(gè)輔助支撐。轉(zhuǎn)子磁極鐵心用鉚釘緊固成一體，通過(guò)單“T”尾結(jié)構(gòu)、磁極鍵固定在轉(zhuǎn)子支架上，轉(zhuǎn)子支架為雙幅板結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子支架同發(fā)電機(jī)主軸采用熱套永久配合，發(fā)電機(jī)主軸與水輪機(jī)主軸通過(guò)法蘭剛性聯(lián)接。在空冷器與發(fā)電機(jī)機(jī)架之間設(shè)置鋼制通風(fēng)筒，將冷風(fēng)導(dǎo)入發(fā)電機(jī)。在泡頭外側(cè)設(shè)置八字型輔助支撐。發(fā)電機(jī)4臺(tái)制動(dòng)器位于機(jī)組下游側(cè)，固定于電機(jī)座環(huán)上的制動(dòng)器底座。組合軸承采用外油循環(huán)冷卻，發(fā)電機(jī)為B級(jí)絕緣。

電站業(yè)主對(duì)發(fā)電機(jī)的改造要求是保留原發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)部分，對(duì)原發(fā)電機(jī)進(jìn)行整體更換改造。

2 發(fā)電機(jī)改造

2.1 原發(fā)電機(jī)的缺陷及不足之處

原發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子支承在轉(zhuǎn)子上下游側(cè)的兩道座式軸承上，這種布置方式的燈泡貫流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較重，機(jī)組安裝工序多且復(fù)雜。為保證組合軸承的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置的發(fā)電機(jī)機(jī)架需具有足夠的剛強(qiáng)度以支撐組合軸承，原機(jī)架采用鋼板組焊框架結(jié)構(gòu)，制造成本較高。原轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)落后復(fù)雜，轉(zhuǎn)子磁極通過(guò)單“T尾”結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子支架聯(lián)接，需加厚轉(zhuǎn)子支架磁軛圈才能布置“T尾”結(jié)構(gòu)，為保證轉(zhuǎn)子支架與發(fā)電機(jī)主軸的熱套聯(lián)接，設(shè)置了轉(zhuǎn)子支架的輪轂，并且轉(zhuǎn)子支架采用雙幅板的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增加了轉(zhuǎn)子的重量以及成本，增加了組合軸承的負(fù)載。原定子鐵心采用貼壁結(jié)構(gòu)，鐵心鴿尾筋用螺栓固定在機(jī)座壁上，當(dāng)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，存在水輪機(jī)流道內(nèi)的河水通過(guò)螺栓進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部的嚴(yán)重安全隱患。

原發(fā)電機(jī)的制動(dòng)器等位于機(jī)組的下游側(cè)，因發(fā)電機(jī)外形尺寸較小，電站檢修人員從下游側(cè)進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部更換維護(hù)十分不便。原發(fā)電機(jī)的冷卻空氣通過(guò)鋼制通風(fēng)筒送入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上方，進(jìn)入發(fā)電機(jī)的進(jìn)風(fēng)口面積較小且偏向轉(zhuǎn)子一側(cè)，通風(fēng)冷卻效果較差。

2.2 發(fā)電機(jī)改造措施

2.2.1 發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)

改造后的水輪機(jī)改為臥式定漿軸流式，額定轉(zhuǎn)速為166.7 r/min，新發(fā)電機(jī)保持定子外形尺寸Φ2 980 mm不變，整體更換改造后的發(fā)電機(jī)參數(shù)如表2。

表2 改造后的發(fā)電機(jī)參數(shù)

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改造后的水輪機(jī)為定漿軸流式，轉(zhuǎn)速由150 r/min提高至166.7 r/min，發(fā)電機(jī)額定功率由2 500 kW增加至3 000 kW。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察，改造后的發(fā)電機(jī)可保留利用原發(fā)電機(jī)的廠(chǎng)房蓋板、水輪機(jī)流道蓋板、混凝土通風(fēng)管道、泡頭輔助支撐、定子輔助支撐。拆除原發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)制造更換新的發(fā)電機(jī)。為改善新發(fā)電機(jī)的安裝環(huán)境，加大安裝空間，對(duì)原電機(jī)座環(huán)進(jìn)行適當(dāng)局部改造。改造后的發(fā)電機(jī)總裝配圖如圖3所示。

圖3 改造后的發(fā)電機(jī)總裝配

改造后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子見(jiàn)圖4。改造后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用無(wú)主軸結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子與水輪機(jī)主軸聯(lián)接，由水輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)。燈泡貫流機(jī)組的組合軸承位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的下游側(cè)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪分別位于水輪機(jī)主軸的兩端，軸系構(gòu)成雙懸臂結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子支架與水輪機(jī)主軸通過(guò)法蘭剛性聯(lián)接。這種結(jié)構(gòu)使燈泡貫流機(jī)組的安裝流程大為簡(jiǎn)化。為減輕轉(zhuǎn)子支架的重量，降低組合軸承的徑向負(fù)載，轉(zhuǎn)子支架采用單幅板結(jié)構(gòu)并減少發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架磁軛圈的厚度，為此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極與轉(zhuǎn)子支架采用聯(lián)接螺桿固定而不采用“T尾”結(jié)構(gòu)聯(lián)接固定。為改善轉(zhuǎn)子磁極的通風(fēng)條件，提高轉(zhuǎn)子磁極線(xiàn)圈的散熱系數(shù)，轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈采用五邊型銅排繞制。轉(zhuǎn)子磁極沖片極靴外側(cè)圓弧半徑加大，以增加轉(zhuǎn)子磁極間的軸向通風(fēng)面積。

圖4 改造后的轉(zhuǎn)子裝配

改造后的發(fā)電機(jī)定子見(jiàn)圖5。定子采用鐵心貼壁結(jié)構(gòu)，定子鐵心鴿尾筋焊接在定子機(jī)座內(nèi)壁，避免了原電機(jī)定子鐵心鴿尾筋用螺栓固定在機(jī)座壁上，水輪機(jī)流道內(nèi)的河水可能滲入定子鐵心內(nèi)部的安全隱患。為提高定子鐵心的壓裝質(zhì)量，采用穿心絕緣螺桿拉緊鐵心。在定子齒間設(shè)置軸向通風(fēng)孔，提高定子的通風(fēng)冷卻效果。定子機(jī)座下方設(shè)置了固定地腳，與原定子下方的輔助支撐底座固定聯(lián)接。對(duì)定子機(jī)座與鐵心接觸面進(jìn)行噴鋁處理，以加強(qiáng)定子鐵心通過(guò)機(jī)座壁向流道內(nèi)河水傳熱的能力。

圖5 改造后的定子裝配

改造后的組合軸承見(jiàn)圖6。改造后的組合軸承位于發(fā)電機(jī)的下游側(cè)，新電機(jī)改進(jìn)了原電機(jī)通過(guò)采用鋼板組焊框架結(jié)構(gòu)的機(jī)架來(lái)固定組合軸承的方案，新電機(jī)采用鋼板制成的過(guò)渡環(huán)板用螺栓固定在原電機(jī)座環(huán)上，并在過(guò)渡環(huán)板與電機(jī)座環(huán)之間焊接加強(qiáng)筋板，將二者聯(lián)接為一體，利用原電機(jī)座環(huán)來(lái)增加過(guò)渡環(huán)板的支撐剛度。新電機(jī)的定子及組合軸承固定在過(guò)渡環(huán)板上。通過(guò)設(shè)置過(guò)渡環(huán)板，簡(jiǎn)化了新機(jī)的結(jié)構(gòu)，大幅降低了制造成本。為保證發(fā)電機(jī)的通風(fēng)需要，在過(guò)渡環(huán)板上設(shè)置了多個(gè)通風(fēng)孔。

圖6 改造后的組合軸承

組合軸承采用外油循環(huán)。導(dǎo)軸承瓦、推力軸瓦均采用巴氏合金。正推力軸承采用支釘剛性支撐，反推力軸承采用橡皮墊彈性支撐。正、反推力軸承均為8塊扇形瓦。導(dǎo)軸承為分瓣臥式筒式瓦。為減少軸承油霧的溢出，軸承油箱與主軸的配合采用接觸式隨動(dòng)密封。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軸承不設(shè)置高壓油頂起裝置。

改造后的發(fā)電機(jī)采用常壓密閉自循環(huán)通風(fēng)冷卻，取消了原發(fā)電機(jī)的鋼制通風(fēng)管及其中的雙風(fēng)葉的通風(fēng)機(jī)。將空冷器由繞簧式空冷器更換為高效穿片脹接式空冷器，提升空冷器的冷卻效果。保留利用原電機(jī)的基礎(chǔ)混凝土中的通風(fēng)道，空冷器冷卻后的空氣經(jīng)廠(chǎng)房蓋板與流道蓋板之間的密閉空間進(jìn)入發(fā)電機(jī)泡頭，在泡頭環(huán)板上布置4臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)補(bǔ)充提供風(fēng)壓，冷卻空氣經(jīng)4臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)分四路送入發(fā)電機(jī)內(nèi)進(jìn)行冷卻，通風(fēng)冷卻效果優(yōu)于原電機(jī)只采用一路進(jìn)風(fēng)的方式，冷空氣吹拂冷卻了發(fā)電機(jī)后由電機(jī)座環(huán)匯集進(jìn)入基礎(chǔ)混凝土中的通風(fēng)道并進(jìn)入空冷器進(jìn)行冷卻。

為便于進(jìn)入更換調(diào)整，新發(fā)電機(jī)配置的4臺(tái)制動(dòng)器以及集電環(huán)、刷架布置于空間較大的泡頭側(cè)，制動(dòng)器活塞由彈簧復(fù)位改為壓縮空氣復(fù)位，改善了新機(jī)的運(yùn)行維護(hù)條件，制動(dòng)閘板改為不含石棉的新型制動(dòng)材料。為保證機(jī)組檢修人員的安全，新機(jī)配置了轉(zhuǎn)子鎖定裝置，當(dāng)機(jī)組停機(jī)，檢修人員進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部前，將轉(zhuǎn)子鎖定裝置投入，防止轉(zhuǎn)子自行轉(zhuǎn)動(dòng)。

新機(jī)組為一根軸結(jié)構(gòu)，為了便于安裝水輪機(jī)主軸，對(duì)原電機(jī)座環(huán)進(jìn)行了改造，加大了電機(jī)座環(huán)的內(nèi)圓環(huán)內(nèi)部空間。

原電機(jī)座環(huán)改造見(jiàn)圖7。在電站現(xiàn)場(chǎng)，割除了原電機(jī)制動(dòng)器底座、原座環(huán)的內(nèi)園環(huán)及相應(yīng)的筋板。將內(nèi)徑加大的新內(nèi)園環(huán)與原電機(jī)座環(huán)焊接牢固。重新配制了新?lián)躏L(fēng)板。

圖7 原電機(jī)座環(huán)的改造

3 運(yùn)行情況及結(jié)語(yǔ)

貴州某電站SFWG3000-36/2860發(fā)電機(jī)組在電站已改造完成投入運(yùn)行，電機(jī)各部溫升較低，安全裕度較大。振動(dòng)等指標(biāo)全面優(yōu)于國(guó)標(biāo)要求，安全可靠性、安裝檢修維護(hù)性能全面提升，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，達(dá)到了電站增容改造的目的。實(shí)踐證明貴州某電站SFWG3000-36/2860發(fā)電機(jī)組增容改造整體更換的設(shè)計(jì)、制造是成功的，為早期燈泡貫流式發(fā)電機(jī)的增容改造闖出了一條新路，采用的技術(shù)、措施可供燈泡貫流式發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造借鑒。