王 維，秦亞軍，徐興友，唐衛(wèi)東，曹 凱，朱 賽

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

本文針對湖北清江水布埡電廠3號機組水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架存在的強度偏弱、長期運行可能存在風(fēng)險的問題，以保留原磁軛，更換轉(zhuǎn)子支架，將原轉(zhuǎn)子支架直支臂改造為斜支臂的方式對轉(zhuǎn)子進行改造，以確保轉(zhuǎn)子支架強度水平滿足機組的長期安全穩(wěn)定運行需要，該項改造方式屬國內(nèi)首次采用。

1 設(shè)備情況

1.1 設(shè)備基本情況

水布埡水電廠安裝有4臺單機容量460 MW立軸半傘式結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機組，發(fā)電機轉(zhuǎn)子外徑為10 959 mm，高度為3 120 mm，重量為870 t。

原轉(zhuǎn)子支架為直支臂結(jié)構(gòu)，包括中心體和外環(huán)組件，轉(zhuǎn)子支架和磁軛之間采用徑、切向鍵分開的結(jié)構(gòu)。其中徑向鍵為彈性鍵，與轉(zhuǎn)子支臂配合；傳遞扭矩的切向主鍵與上下環(huán)板配合。磁軛采用兩段結(jié)構(gòu)，在安裝時熱套在轉(zhuǎn)子支架上，以滿足1.15倍額定轉(zhuǎn)速的分離轉(zhuǎn)速下不分離[1-3]。

1.2 存在隱患

3號機組于2008年投入運行，每年兩次對轉(zhuǎn)子變形情況進行了測量，在機組投入運行的前三年，先后發(fā)現(xiàn)10個轉(zhuǎn)子支臂發(fā)生垂直度最小為0.5 mm，最大1.64 mm的不等量塑性變形；轉(zhuǎn)子支架上圓盤波浪變形最大達到60 mm；切向主鍵與磁軛徑向間隙平均值從初始值6 mm增加到10 mm，說明一對切向主鍵的配合面各變小，傳遞扭矩能力變?nèi)?，磁軛在運行時浮動后并未完全恢復(fù)到原始狀態(tài)。

2010年上半年起，測量發(fā)現(xiàn)以上數(shù)據(jù)逐步穩(wěn)定，分析為近幾年在轉(zhuǎn)子自身約束下，沒有出現(xiàn)惡化情況。

2012年4月，發(fā)現(xiàn)與10個彈性鍵相配合的墊板中有6個從轉(zhuǎn)子上平面上竄，高度最高至8 mm。

以上現(xiàn)象說明轉(zhuǎn)子存在強度偏弱的可能性，機組長期運行存在一定的風(fēng)險。

1.3 改造分析

1.3.1 對轉(zhuǎn)子支架強度的分析

對通過對原轉(zhuǎn)子直支臂結(jié)構(gòu)分離轉(zhuǎn)速按1.15倍額定轉(zhuǎn)速計算并進行有限元分析計算，結(jié)果如下：

1)靜止工況(過速前)

2)靜止工況(過速后)

3)額定工況

4)飛逸工況

σv,max=252.21 MPa<[σ]=σs1=325 MPa

通過對原轉(zhuǎn)子直支臂結(jié)構(gòu)分離轉(zhuǎn)速按1.4倍額定轉(zhuǎn)速計算并進行有限元分析計算，結(jié)果如下：

1)靜止工況(過速前)

2)額定工況

3)飛逸工況

σv,max=239.84 MPa<[σ]=σs=216.67 MPa

應(yīng)力最大值：434.25 MPa，位于立筋與打鍵交接處。

通過對擬用斜支臂結(jié)構(gòu)分離轉(zhuǎn)速按1.4倍額定轉(zhuǎn)速計算并進行有限元分析計算，結(jié)果如下：

1)靜止工況(過速前/打鍵工況/過速后)

2)額定工況

3)飛逸工況

σv,max=305.94 MPa<[σ]=σs1=325 MPa

4)甩負荷工況

σv,max=185.35 MPa<[σ]=σs1=325 MPa

正常運行工況的最大綜合應(yīng)力不應(yīng)大于屈服極限的2/3，故障工況的最大綜合應(yīng)力不應(yīng)大于屈服極限。

1.3.2 失穩(wěn)分析

機組運行10年來上圓盤已有明顯變形，對失穩(wěn)進行計算可以看出原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架上圓盤翹曲安全系數(shù)為2.56。該系數(shù)較低，會引起上圓盤失穩(wěn)變形，見圖1。

圖1 原結(jié)構(gòu)翹曲示意圖

為解決上圓盤翹曲變形問題，提高轉(zhuǎn)子支架剛強度和翹曲安全系數(shù)，將支架外環(huán)組件直支臂改為斜支臂進行了計算，新結(jié)構(gòu)翹曲圖見圖2和圖3。

圖2 第一階翹曲形式-上圓盤翹曲

圖3 第二階翹曲形式-上圓盤翹曲

斜支臂方案第一階翹曲形式位于主立筋，翹曲系數(shù)為6.8>5.0, 滿足翹曲穩(wěn)定性要求。第二階翹曲形式位于上圓盤，翹曲系數(shù)為7.5>5.0，計算表明，如將直支臂改為斜支臂，可滿足翹曲穩(wěn)定性要求。

1.3.3 分析結(jié)論

隨著機組運行之初圓盤內(nèi)應(yīng)力逐漸釋放，上圓盤出現(xiàn)局部波浪變形，經(jīng)過一段時間已趨于穩(wěn)定，暫時不會影響運行。但仍有以下問題：

1)原直支臂結(jié)構(gòu)分離轉(zhuǎn)速按1.15倍和1.4倍額定轉(zhuǎn)速計算，靜止工況、額定工況下原直支臂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均超材料許用應(yīng)力(Q345B)，導(dǎo)致上下環(huán)板在這兩種常用工況下，局部受磁軛熱套力和切向力偏大，轉(zhuǎn)子支架發(fā)生變形、彈性鍵受力減小，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不可控的塑性變形。

2)水布埡電廠系華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰電廠，機組啟停頻繁，在此過程中加劇了疲勞破壞。

3)原轉(zhuǎn)子支架立筋數(shù)量為10個，使圓盤支架兩腹板之間的跨度略大，容易出現(xiàn)梅花瓣變形，對機組的低頻振動帶來不利影響。

4)原立筋在廠內(nèi)加工，轉(zhuǎn)子支架工地組焊好后靠多對調(diào)節(jié)鍵調(diào)整大立筋與磁軛鍵的接觸面，該結(jié)構(gòu)為三峽引進的調(diào)節(jié)鍵加彈性鍵的磁軛主鍵結(jié)構(gòu)，雖然安裝簡潔方便，但是立筋與主鍵無法充分接觸，使局部區(qū)域的緊量達不到設(shè)計要求。

5)根據(jù)同類機組的實際運用情況，原轉(zhuǎn)子支架中心體圓筒壁較薄、上環(huán)板和支臂較薄、剛度較弱。

以上因素可能導(dǎo)致機組在長期運行或多次出現(xiàn)甩負荷等工況之后，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生嚴重缺陷，導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子波浪度超標、定轉(zhuǎn)子空氣間隙變小、導(dǎo)軸承擺度增大等問題，因而對轉(zhuǎn)子進行改造。

2 改造情況介紹

2.1 改造簡介

水布埡電廠于2019年9月開始對3號機轉(zhuǎn)子改造，此次改造采用將原磁軛整體加熱脫出，更換轉(zhuǎn)子中心體，將10個直支臂的外環(huán)組件更換為20個斜支臂的外環(huán)組件，再將原磁軛整體與轉(zhuǎn)子支架熱套裝回的方案，轉(zhuǎn)子外環(huán)組件共分4瓣，每瓣由上圓盤、下圓盤、制動環(huán)和5個斜支臂組成，其中上、下圓盤和支臂厚50 mm，制動環(huán)厚70 mm，外環(huán)組件與轉(zhuǎn)子支架中心體圓筒在工地焊接成整體，焊接后，根據(jù)實測尺寸通過配刨副立筋的方式保證鍵槽的徑向、弦距尺寸以滿足后續(xù)安裝要求。磁軛熱套前焊接副立筋。原轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖4 原轉(zhuǎn)子支架圖

圖5 優(yōu)化后轉(zhuǎn)子支架圖

詳細內(nèi)容如下：

1)立筋數(shù)由原有的10根增加至20根，磁軛主鍵數(shù)目也相應(yīng)增加至20根，切向主鍵由20處減少為10處，加強鍵不變；

2)扇形支臂增加中間環(huán)板；

3)立筋調(diào)圓由原有的調(diào)節(jié)鍵方式更改為現(xiàn)場加工，主鍵形式為彈性鍵加一對硬鍵的組合方式；

4)轉(zhuǎn)子解體方式：不拆磁軛，而是在拔鍵后將扇形支臂吊出磁軛圈。

改造后的轉(zhuǎn)子支架剛強度進一步提高，立筋采用工地加工工藝，有助于提高磁軛鍵與立筋的接觸面，改善轉(zhuǎn)子支架與磁軛鍵之間配合，使徑向受力更好，從而使機組穩(wěn)定性更高。

2.2 轉(zhuǎn)子改造主要工藝流程

傳統(tǒng)的發(fā)電機組對轉(zhuǎn)子支架改造，必須要經(jīng)過以下幾個主要工藝步驟：拆除磁極→整體吊出磁軛→工地組焊轉(zhuǎn)子支架→重新疊裝磁軛→掛裝磁極。

水布埡電廠3號機組轉(zhuǎn)子支架改造主要工藝步驟為：拆除磁極→熱拔轉(zhuǎn)子支架與磁軛彈性鍵→保留整體磁軛，轉(zhuǎn)子支架整體吊出→工地組焊轉(zhuǎn)子支架→轉(zhuǎn)子支架吊裝熱套整體磁軛內(nèi)→掛裝磁極。其中，新的轉(zhuǎn)子支架改造工藝采用新轉(zhuǎn)子與舊磁軛整體熱套避免了拆除和重疊舊磁軛，見圖6，節(jié)省了將近3個月的工期以及大量人力成本，這種工藝在國內(nèi)屬首次[4]。

圖6 新轉(zhuǎn)子與舊整體磁軛套裝

2.3 轉(zhuǎn)子支架與磁軛組裝中心定位方式

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子安裝是先在工地焊接轉(zhuǎn)子支架，通過轉(zhuǎn)子支架主立筋定位磁軛，使轉(zhuǎn)子支架與磁軛中心滿足設(shè)計要求。

本次改造保持整體磁軛不動，通過磁軛反向定位新轉(zhuǎn)子支架中心，為避免磁軛變形，現(xiàn)場無法采用將轉(zhuǎn)子支架套入磁軛后再利用磁軛作為支點調(diào)整中心的工藝。所以需在套裝的同時完成同心度調(diào)整定位，這種轉(zhuǎn)子支架與磁軛中心調(diào)整工藝在國內(nèi)也是首次。

為保證同心度，此次改造專門制作了4套高精度對楔結(jié)構(gòu)的復(fù)位工具，在套裝前先根據(jù)磁軛內(nèi)鍵槽至中心的測量尺寸和轉(zhuǎn)子支架副立筋鍵槽至中心的測量尺寸計算出磁軛內(nèi)鍵槽與轉(zhuǎn)子支架副立筋鍵槽的徑向?qū)嶋H尺寸[4]，根據(jù)計算值分別調(diào)整4套復(fù)位工具的厚度，并在試吊轉(zhuǎn)子支架上做好對應(yīng)標記。在轉(zhuǎn)子支架將要落入磁軛中時，每隔一個副立筋使用木方進行引導(dǎo)，使轉(zhuǎn)子支架落入磁軛中并緩慢下降。待轉(zhuǎn)子支架下圓盤距中心體支墩上平面5～10 mm時停止下落，將轉(zhuǎn)子支架復(fù)位工具按做好的標記插入對應(yīng)的磁軛凸鍵鍵槽中，同時調(diào)整副立筋鍵槽與磁軛鍵槽切向?qū)ΨQ性，調(diào)整合格后繼續(xù)下落轉(zhuǎn)子支架，直至轉(zhuǎn)子支架完全落在中心體支墩上。

2.4 磁軛與轉(zhuǎn)子支架連接方式

原磁軛直接落在轉(zhuǎn)子支架下環(huán)板上，再通過10根彈性鍵以熱打鍵方式與轉(zhuǎn)子支架連接。

此次3號發(fā)電機轉(zhuǎn)子改造將轉(zhuǎn)子支架套入磁軛后，在主力筋掛鉤處塞入卡鍵、護板和卡板，如圖7所示。

圖7 新轉(zhuǎn)子與磁軛固定件結(jié)構(gòu)

再在轉(zhuǎn)子支架副立筋和磁軛鍵槽內(nèi)用20根凸鍵熱加墊連接。這種磁軛與轉(zhuǎn)子支架連接方式，使轉(zhuǎn)子支架能夠承受較大在徑向緊量，保證機組在1.4倍額定轉(zhuǎn)速下運行時，磁軛與轉(zhuǎn)子支架之間不發(fā)生分離，從根本上解決了彈性鍵上竄的問題。

3 結(jié) 語

此次水布埡電廠3號機組改造將水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架直支臂結(jié)構(gòu)改造為斜支臂結(jié)構(gòu)，經(jīng)計算，與舊轉(zhuǎn)子相比，新轉(zhuǎn)子整體和局部強度應(yīng)力計算值均在允許范圍內(nèi)，新結(jié)構(gòu)的20個斜支臂與中心體焊接成整體，磁軛在熱膨脹、離心力下斜支臂有良好的回彈性，可以維持定子與轉(zhuǎn)子的同心度。相比較于原結(jié)構(gòu)的直支臂，斜支臂方案的翹曲系數(shù)更大，滿足翹曲穩(wěn)定性要求，能夠有效保證機組長時間的安全穩(wěn)定運行。

機組通過各工況的穩(wěn)定性試驗、過速試驗、甩負荷試驗及72 h試運行，各項參數(shù)指標在標準范圍內(nèi)，可以長期穩(wěn)定運行。