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

關鍵詞∶ 軸流轉槳式（shì）；水輪發電機；整體（tǐ）改造

1 前言

      韓國某電站隸屬（shǔ）於韓國水力原子力株式會社，位於（yú）流經韓（hán）國江原道春川市的北漢江上，上遊為春川電站，下遊為清平電站（zhàn）。距首爾東北（běi）方向85.3 km。該電站原來設置的2 台25 MVA 立式軸流（liú）轉槳式水輪發電機由日本國他社1967 年設（shè）計製造，運行了40 多年，機組（zǔ）出（chū）現了嚴（yán）重老化（huà）現象（xiàng）。為了（le）確保（bǎo）今後的穩定運行，客戶希望對機組進行改造。2008 年10月應業主（zhǔ）邀（yāo）請，東（dōng）芝公司和其他公司分（fèn）別對機組進行診斷，提出機（jī）組改（gǎi）造方案。由於提出的改造方案可行可靠，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。

      該電站原設計機組為全（quán）傘式結構，推力軸承支撐在水輪機頂蓋上。發電機導（dǎo）軸承位於轉子下方，不設上導（dǎo）軸承。原設發電機剖麵圖參見圖1。

      從圖1 可以看（kàn）出，原設機的勵磁機和永磁發電機位於轉（zhuǎn）子上方，轉子支架為下傾圓錐形，水輪機（jī）槳葉操作接力器設置在轉子中心體輪轂內，操作油（yóu）管的（de）高壓油導油裝置與下導軸承共用。下（xià）導軸承采用（yòng）圓筒形結構。推力頭采（cǎi）用分瓣式結構，用（yòng）卡環安裝在水輪機軸上。

      根據電站機組改修計劃，對發電機除風道、基礎（chǔ）和上機架之外，其餘全部更新改造。由（yóu）於兩個公司的技術差異，從（cóng）投標（biāo）開始（shǐ），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。為了簡化轉子中心體的（de）設計，槳葉操作接力（lì）器也（yě）從轉子中心體輪（lún）轂移至發電（diàn）機軸與（yǔ）水輪機軸連接處。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全傘式結構。轉子支架為圓盤（pán）結構，推力（lì）軸承布置在下機架中心體內（nèi），考慮到下機架基礎的承受能力，推力軸承仍然支撐在水（shuǐ）輪機頂蓋上。由（yóu）於是改修項目，留用部（bù）件的（de）相關接口必須事先進（jìn）行調查。該機組由於製造年月比較（jiào）久遠，沒有電子版存檔的圖紙資料（liào），並且由於存檔時間太（tài）長（zhǎng），發電機相關（guān）的（de）許多印刷版資料也無法查到，給相關接口調（diào）查帶來（lái）了不便。因（yīn）此隻能在製造圖設計之前利用機組停（tíng）機的機會到現場進行尺寸測量。由（yóu）於測量結果存在誤差，也給設計工作帶（dài）來一（yī）定的難度。

3 結構改造設計

      3.1 定子

      3.1.1 定子機座

      原設定子機座為圓筒形結構，設置（zhì）有8 個定子基礎（chǔ），為配合（hé）定子基礎設計，定子機座改造設計為正十六邊（biān）形（xíng）焊（hàn）接結構。

      機座在工廠組焊加工，分4 瓣（bàn）運至工地，在現場用螺（luó）栓把（bǎ）合成（chéng）整體。機座設置（zhì）頂環、上環、下環，沿圓周與鴿尾筋相對應的適當位置設置支撐棒，鴿尾筋把合（hé）在（zài）拉緊（jǐn）螺杆上。

      由於基礎埋件（jiàn）不進行更（gèng）新改（gǎi）造，改修（xiū）機和原設機一樣（yàng）設置8 個定子基礎，機座與基礎間采用螺栓連接，通過徑向（xiàng）銷（xiāo）定位（wèi）並傳遞扭矩，這（zhè）種（zhǒng）結構可適應機座熱變形而產生的徑（jìng）向膨（péng）脹。由於沒有相關（guān）的（de）存檔資料，現場數據測量時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（jù）存在一定誤差，因此設計了特（tè）殊的結構進行了調整，調整後的定子基礎通（tōng）過采取一定的措施現場與埋設基礎焊接成一體。

     3.1.2 定子鐵心

      定子鐵心采用低損（sǔn）耗，無時效、優質冷軋高磁導率薄矽鋼片疊壓而成。在衝片兩麵均勻塗覆F 級絕（jué）緣漆。在定子鐵心合適位置設有多道（dào）通風溝。

      定子鐵心采用四片一疊，2/3 搭接疊片方式。定（dìng）子鐵心疊裝（zhuāng）工作（zuò）在機座（zuò）組圓（yuán）後（hòu）進行（háng）。這種整體（tǐ）結構（gòu）的（de）定子（zǐ）鐵心無接縫，運行中的（de）鐵心振動小，無槽底錯位，剛度、圓度、整體性好（hǎo）。

      定子鐵心采用東（dōng）芝傳統的分塊式上、下齒壓（yā）板壓緊結構，通過（guò）設置於（yú）鐵心軛部的拉緊螺（luó）杆壓緊，並依靠裝於螺杆內（nèi）徑側的鴿尾鍵定位。壓指采用非磁性材料。這種壓緊結構使鐵心具（jù）有較高抗（kàng）“翹曲”的強度。

     3.1.3 定子繞組

      定子繞組（zǔ）為雙（shuāng）層條式波（bō）繞組、1 支路星形連接。繞組絕緣為（wéi）F 級, 線棒主絕緣采（cǎi）用VPR 工藝。定子線棒采用槽內540°羅貝（bèi）爾換位, 以降低附加損耗和均衡線棒股線間的溫差。線棒（bàng）的槽部、出槽口及彎曲過（guò）渡部分（fèn）均作防暈處理。上（shàng）、下層線圈端頭采用連接片（piàn）一體銀焊（hàn）的（de）結構（gòu）。

      為了防止發（fā）電（diàn）機長期運行後定子線圈下沉，在定（dìng）子線圈上端出（chū）槽口的斜邊處，每隔一節矩設置一組線棒止（zhǐ）沉塊，止沉塊支撐於上齒壓板的壓指上，並綁紮在線棒上。繞組端（duān）部用非磁性端箍固（gù）定。

     3.2 轉子

      3.2.1 轉子支架

      轉子支架由於運輸尺（chǐ）寸（cùn）限製，采用2 分瓣把合式圓盤結構（gòu），由輪轂、上下圓盤、以及立筋組成。這（zhè）種（zhǒng）結構剛度大、加工精度高。中心體的所有焊接和（hé）加工均在廠內完成。

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

      3.2.2 磁軛

      磁軛由高強（qiáng）度（dù）磁軛衝片在現場疊壓而成，通過鉸製螺栓把緊並傳遞衝片間的作用力（lì）。疊片采用3片一疊，一節矩搭接方式，用導向銷定（dìng）位導向，不需要在（zài）現（xiàn）場對磁軛進行鉸（jiǎo）孔。

     根據設（shè）計基準，整體磁軛采用浮動式結構，磁軛與（yǔ）中心（xīn）體之間通過組合磁軛鍵周向楔（xiē）緊，運行時能保（bǎo）證轉子圓度並有效傳遞扭矩。

     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（yā）緊。

      磁極線圈由異形斷麵的（de）半硬紫銅排繞製而（ér）成，具有（yǒu）散熱麵積大，散熱效果（guǒ）好的（de）特點。線圈匝（zā）間墊（diàn）以Nomex 絕緣紙, 與銅排熱（rè）壓成一體。線圈與鐵心間用絕緣板塞緊，對地絕緣可靠（kào）。磁極到現場後無（wú）需脫出線圈清掃即可直接（jiē）掛裝。

      磁（cí）極（jí）掛裝時在磁極鐵心鴿尾側麵打（dǎ）入長楔（xiē）形鍵將磁極楔緊在磁（cí）軛上（shàng），楔形鍵（jiàn）用壓板鎖定。磁極線圈之間設置有可拆卸結構（gòu）的擋風板。

      3.2.4 勵磁繞組和阻尼繞組

      極間連接采用多層薄銅片製（zhì）成的柔性連接（jiē）片連接，用螺栓把緊，安裝、拆卸和檢修方便。該電站發電機飛逸轉速390 r/min 非（fēi）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（jí）間（jiān）空間非常（cháng）緊湊，采用常規的極（jí）間擋塊或者托塊方式無法布置。因此（cǐ），上部極間連接片從定子側引出至轉子磁軛上，利用磁（cí）極壓板焊接固定座進行連接，同時（shí）考慮連接片（piàn）自身的離（lí）心力，在磁（cí）極線圈上設置支撐塊對（duì）連接片進行固定，參見圖3。

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

      為了防止因振動和熱位移而引（yǐn）起故障，阻尼繞組間（jiān）采用柔性連接。其連接既牢固可（kě）靠，又便於檢修（xiū）拆卸。勵磁引線由銅排製成（chéng）, 固定在轉子支架平麵上（shàng）,沿著上端軸接至集電環。

      3.3 發（fā）電機軸

      3.3.1 主（zhǔ）軸

     主軸為鍛件，軸身和推力頭為一（yī）體結構。轉（zhuǎn）子與大軸的聯接采用徑向組合鍵（jiàn）加聯軸螺（luó）栓的結構。這種結構定位精度（dù）高，拆（chāi）裝方便（biàn）。推力（lì）鏡板（bǎn）為（wéi）整體鏡板，通過螺栓把合在推力頭上。

      3.3.2 滑（huá）環軸

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

      3.4 軸承（chéng）

      3.4.1 推力軸承

      推力軸（zhóu）承裝於下機架（jià）中心體的油槽內。推力軸承承受水輪發電（diàn）機組所有轉動部件的重量和水推力（lì）構成的組合載荷。推力軸承由10 塊扇形瓦組成，采用彈性金屬塑料瓦+ 彈簧簇支承結構（gòu），支撐彈簧根據（jù）載荷分布、油膜形成的需要布置在推力（lì）瓦下（xià）的適當區域，使推力軸承具有自調節功能，推力瓦受力更加（jiā）均勻（yún），提高（gāo）了推力軸承的運行穩定性。另外，采用多支（zhī）點彈簧支撐方式，推（tuī）力瓦的熱變形和彈性變形方（fāng）向相（xiàng）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（tí）高了（le）推力軸承的潤滑性能和承載能力。彈性金（jīn）屬塑料推力瓦可以利用旋轉推力軸承支撐座（zuò）單獨取出，對推力軸承進行就近或機坑外檢修。

      不設高壓油頂起裝置。

      3.4.2 導（dǎo）軸承

     下導軸承采用分塊、油浸式、自潤滑、可調式彈性（xìng）金（jīn）屬塑料瓦結構。通過調整螺栓（shuān）即可方便調整軸承瓦與軸頸之（zhī）間的間隙，瓦的背麵有球麵支承柱，徑向力（lì）通過支承柱（zhù）傳（chuán）到機架上。

     下導（dǎo）軸承與推（tuī）力軸承共用同一（yī）油槽，由12塊瓦組成，采用鏡（jìng）板泵+ 外（wài）置油冷（lěng）卻器冷卻方（fāng）式。油冷卻器布置在機坑外，每台機2 隻，其中1 隻（zhī）備用。

     3.5 機架

     3.5.1 上機架

     上機架為非（fēi）負荷機架，承受轉子徑向機械不平衡力和因（yīn）氣隙不均產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（xīn）體和6 條支臂組成（chéng），其中4 條支臂在工廠與中（zhōng）心體焊（hàn）為一體，另兩條在工地與中心（xīn）體通過螺（luó）栓把合成一（yī）體。各支臂通過（guò）螺栓固定在基礎上。考慮（lǜ）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，因此，改修機下機（jī）架與水輪機蓋板之間利用圓錐筒形支撐，將推力軸承支（zhī）撐在水輪機蓋板上。具體結構參見圖2。由（yóu）於改修機推力軸承（chéng）設置在轉子支架下方（fāng），而原設機推力軸承設置在水輪機軸（zhóu）上，結構區別較大，使得（dé）圓錐（zhuī）筒（tǒng）形支撐結構非常複雜，進行了專門的課題討論（lùn）和解析後（hòu）最終確定了相（xiàng）關結構設（shè）計。在下機架（jià）的下部，設有鋼密封隔板。由於下機（jī）架基礎沒有更新（xīn），因此現場測（cè）量數據時對下機（jī）架基礎相關數據進行了（le）詳（xiáng）細測量，但是由於各種因素，測量數據存在一定誤差，因此設計了特（tè）殊的（de）連接厚板進行了調整，調整後的厚板與基礎埋件現（xiàn）場焊接。

     3.6 風洞及機坑

      電站機組（zǔ）為半藏式結構（gòu），水輪機（jī）裝於（yú）鋼筋混（hún）凝土機坑內，發電機裝於鋼筋混凝土機坑上，外周設置（zhì）封閉的圓形鋼板罩，構成封閉的風道。圓形鋼板罩（zhào）原設機留用，在留用鋼板罩上新設（shè）置一扇進入發電（diàn）機層的進人門，以方便進出。

      3.7 集電（diàn）裝（zhuāng）置

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

     3.8 附（fù）屬設備

     3.8.1 通風、冷卻係統

     通風冷卻係統采用密閉雙路徑向無風扇自（zì）循環（huán）通風冷卻係統。冷（lěng）卻風壓由轉子轉動時的離心作用形成。風循環路徑為：圓盤支架（jià）－磁軛－磁極－定子－空（kōng）氣冷卻器－風道－圓盤支架。定子（zǐ）機座外裝設8 隻空氣冷卻（què）器。

     原設機下部回路利（lì）用了混凝土風道進行通風循環，而改修機利（lì）用定子（zǐ）基（jī）礎之間的空間進行通風（fēng）循環（huán），因此對混凝土（tǔ）風道采取（qǔ）了封堵措施。

     3.8.2 製動（dòng）裝（zhuāng）置

     在下機架上設6 隻雙活塞油氣（qì）腔分開、彈簧複位式製動器。每隻製動器上（shàng）設雙接點行程開關，能反映製（zhì）動器是否動作（zuò）或（huò）全部（bù）複位。製動塊（kuài）采（cǎi）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（huán）境。在製動器下層活塞下可送高壓油以頂起轉子。

      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（dào）150℃時自動聲光（guāng）報警，並指示過熱位置。當溫度達到200℃時再次報（bào）警（jǐng），信號可接至停（tíng）機（jī）回路和（hé）投CO2 滅火回路。

     3.8.4 其它

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

4 結語

      該電站1 號機（jī）組已於2012 年6 月28 日完成一係（xì）列現場（chǎng）試驗後，投入商業運（yùn）行。機組各部溫升和振動均滿足合同要（yào）求（qiú），並有一（yī）定裕量。根據（jù）改修計劃（huá）2號機組預（yù）計相隔一年後投入運行。該電站是東芝公司（sī）繼（jì）韓國春川電站改修後的又一個成果，得（dé）到韓國客戶（hù）的好評，為東芝（zhī）公司在韓（hán）國後續改修項目的中（zhōng）標奠（diàn）定了一（yī）定的基礎。