摘要∶ 文章主要介紹了上世紀60 年代由日本國他社設計制造的韓國某電站立式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機整體改造設計，改造后機組各項參數(shù)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(zhuǎn)槳式；水輪發(fā)電機；整體改造
1 前言
韓國某電站隸屬于韓國水力原子力株式會社，位于流經(jīng)韓國江原道春川市的北漢江上，上游為春川電站，下游為清平電站。距首爾東北方向85.3 km。該電站原來設置的2 臺25 MVA 立式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機由日本國他社1967 年設計制造，運行了40 多年，機組出現(xiàn)了嚴重老化現(xiàn)象。為了確保今后的穩(wěn)定運行，客戶希望對機組進行改造。2008 年10月應業(yè)主邀請，東芝公司和其他公司分別對機組進行診斷，提出機組改造方案。由于提出的改造方案可行可靠，性能優(yōu)良，最終東芝公司于2009 年中標該項目。筆者在東芝公司工作期間，負責該項目的投標設計和改造設計工作。
2 概述
發(fā)電機改造前后的基本參數(shù)見表1。
該電站原設計機組為全傘式結構，推力軸承支撐在水輪機頂蓋上。發(fā)電機導軸承位于轉(zhuǎn)子下方，不設上導軸承。原設發(fā)電機剖面圖參見圖1。
從圖1 可以看出，原設機的勵磁機和永磁發(fā)電機位于轉(zhuǎn)子上方，轉(zhuǎn)子支架為下傾圓錐形，水輪機槳葉操作接力器設置在轉(zhuǎn)子中心體輪轂內(nèi)，操作油管的高壓油導油裝置與下導軸承共用。下導軸承采用圓筒形結構。推力頭采用分瓣式結構，用卡環(huán)安裝在水輪機軸上。
根據(jù)電站機組改修計劃，對發(fā)電機除風道、基礎和上機架之外，其余全部更新改造。由于兩個公司的技術差異，從投標開始，東芝公司就取消了勵磁機和永磁發(fā)電機直接與發(fā)電機轉(zhuǎn)動部件連接的方式。為了簡化轉(zhuǎn)子中心體的設計，槳葉操作接力器也從轉(zhuǎn)子中心體輪轂移至發(fā)電機軸與水輪機軸連接處。具體結構參見圖2。
從圖2 可以看出，改修后的電站發(fā)電機仍然為全傘式結構。轉(zhuǎn)子支架為圓盤結構，推力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輪機頂蓋上。由于是改修項目，留用部件的相關接口必須事先進行調(diào)查。該機組由于制造年月比較久遠，沒有電子版存檔的圖紙資料，并且由于存檔時間太長，發(fā)電機相關的許多印刷版資料也無法查到，給相關接口調(diào)查帶來了不便。因此只能在制造圖設計之前利用機組停機的機會到現(xiàn)場進行尺寸測量。由于測量結果存在誤差，也給設計工作帶來一定的難度。
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，設置有8 個定子基礎，為配合定子基礎設計，定子機座改造設計為正十六邊形焊接結構。
機座在工廠組焊加工，分4 瓣運至工地，在現(xiàn)場用螺栓把合成整體。機座設置頂環(huán)、上環(huán)、下環(huán)，沿圓周與鴿尾筋相對應的適當位置設置支撐棒，鴿尾筋把合在拉緊螺桿上。
由于基礎埋件不進行更新改造，改修機和原設機一樣設置8 個定子基礎，機座與基礎間采用螺栓連接，通過徑向銷定位并傳遞扭矩，這種結構可適應機座熱變形而產(chǎn)生的徑向膨脹。由于沒有相關的存檔資料，現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量時對定子基礎埋件進行了詳細測量，但是由于各種因素，測量數(shù)據(jù)存在一定誤差，因此設計了特殊的結構進行了調(diào)整，調(diào)整后的定子基礎通過采取一定的措施現(xiàn)場與埋設基礎焊接成一體。
3.1.2 定子鐵心
定子鐵心采用低損耗，無時效、優(yōu)質(zhì)冷軋高磁導率薄硅鋼片疊壓而成。在沖片兩面均勻涂覆F 級絕緣漆。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。定子鐵心疊裝工作在機座組圓后進行。這種整體結構的定子鐵心無接縫，運行中的鐵心振動小，無槽底錯位，剛度、圓度、整體性好。
定子鐵心采用東芝傳統(tǒng)的分塊式上、下齒壓板壓緊結構，通過設置于鐵心軛部的拉緊螺桿壓緊，并依靠裝于螺桿內(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有較高抗“翹曲”的強度。
3.1.3 定子繞組
定子繞組為雙層條式波繞組、1 支路星形連接。繞組絕緣為F 級, 線棒主絕緣采用VPR 工藝。定子線棒采用槽內(nèi)540°羅貝爾換位, 以降低附加損耗和均衡線棒股線間的溫差。線棒的槽部、出槽口及彎曲過渡部分均作防暈處理。上、下層線圈端頭采用連接片一體銀焊的結構。
為了防止發(fā)電機長期運行后定子線圈下沉，在定子線圈上端出槽口的斜邊處，每隔一節(jié)矩設置一組線棒止沉塊，止沉塊支撐于上齒壓板的壓指上，并綁扎在線棒上。繞組端部用非磁性端箍固定。
3.2 轉(zhuǎn)子
3.2.1 轉(zhuǎn)子支架
轉(zhuǎn)子支架由于運輸尺寸限制，采用2 分瓣把合式圓盤結構，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(zhuǎn)子支架通過螺栓固定在發(fā)電機大軸法蘭上，并通過徑向組合鍵傳遞扭矩。
3.2.2 磁軛
磁軛由高強度磁軛沖片在現(xiàn)場疊壓而成，通過鉸制螺栓把緊并傳遞沖片間的作用力。疊片采用3片一疊，一節(jié)矩搭接方式，用導向銷定位導向，不需要在現(xiàn)場對磁軛進行鉸孔。
根據(jù)設計基準，整體磁軛采用浮動式結構，磁軛與中心體之間通過組合磁軛鍵周向楔緊，運行時能保證轉(zhuǎn)子圓度并有效傳遞扭矩。
3.2.3 磁極
磁極鐵心由1.6 mm 厚PCYH250 高強度專用磁極沖片疊成，通過螺桿壓緊。
磁極線圈由異形斷面的半硬紫銅排繞制而成，具有散熱面積大，散熱效果好的特點。線圈匝間墊以Nomex 絕緣紙, 與銅排熱壓成一體。線圈與鐵心間用絕緣板塞緊，對地絕緣可靠。磁極到現(xiàn)場后無需脫出線圈清掃即可直接掛裝。
磁極掛裝時在磁極鐵心鴿尾側面打入長楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，楔形鍵用壓板鎖定。磁極線圈之間設置有可拆卸結構的擋風板。
3.2.4 勵磁繞組和阻尼繞組
極間連接采用多層薄銅片制成的柔性連接片連接，用螺栓把緊，安裝、拆卸和檢修方便。該電站發(fā)電機飛逸轉(zhuǎn)速390 r/min 非常高，通過計算確定極間連接必須進行固定，然而轉(zhuǎn)子外徑相對較小，磁極數(shù)量64 個。造成極間空間非常緊湊，采用常規(guī)的極間擋塊或者托塊方式無法布置。因此，上部極間連接片從定子側引出至轉(zhuǎn)子磁軛上，利用磁極壓板焊接固定座進行連接，同時考慮連接片自身的離心力，在磁極線圈上設置支撐塊對連接片進行固定，參見圖3。
下部極間連接片引出至磁極鍵壓板位置，利用螺栓進行連接且磁極鍵壓板做成特殊結構。參見圖4。
為了防止因振動和熱位移而引起故障，阻尼繞組間采用柔性連接。其連接既牢固可靠，又便于檢修拆卸。勵磁引線由銅排制成, 固定在轉(zhuǎn)子支架平面上,沿著上端軸接至集電環(huán)。
3.3 發(fā)電機軸
3.3.1 主軸
主軸為鍛件，軸身和推力頭為一體結構。轉(zhuǎn)子與大軸的聯(lián)接采用徑向組合鍵加聯(lián)軸螺栓的結構。這種結構定位精度高，拆裝方便。推力鏡板為整體鏡板，通過螺栓把合在推力頭上。
3.3.2 滑環(huán)軸
滑環(huán)軸由無縫鋼管和法蘭焊接而成，通過螺栓把合在轉(zhuǎn)子支架法蘭上。
3.4 軸承
3.4.1 推力軸承
推力軸承裝于下機架中心體的油槽內(nèi)。推力軸承承受水輪發(fā)電機組所有轉(zhuǎn)動部件的重量和水推力構成的組合載荷。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，支撐彈簧根據(jù)載荷分布、油膜形成的需要布置在推力瓦下的適當區(qū)域，使推力軸承具有自調(diào)節(jié)功能，推力瓦受力更加均勻，提高了推力軸承的運行穩(wěn)定性。另外，采用多支點彈簧支撐方式，推力瓦的熱變形和彈性變形方向相反，可以互相補償，使推力瓦在運行過程中基本保持平面，有效提高了推力軸承的潤滑性能和承載能力。彈性金屬塑料推力瓦可以利用旋轉(zhuǎn)推力軸承支撐座單獨取出，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 導軸承
下導軸承采用分塊、油浸式、自潤滑、可調(diào)式彈性金屬塑料瓦結構。通過調(diào)整螺栓即可方便調(diào)整軸承瓦與軸頸之間的間隙，瓦的背面有球面支承柱，徑向力通過支承柱傳到機架上。
下導軸承與推力軸承共用同一油槽，由12塊瓦組成，采用鏡板泵+ 外置油冷卻器冷卻方式。油冷卻器布置在機坑外，每臺機2 只，其中1 只備用。
3.5 機架
3.5.1 上機架
上機架為非負荷機架，承受轉(zhuǎn)子徑向機械不平衡力和因氣隙不均產(chǎn)生的單邊磁拉力的作用。由中心體和8 條支臂組成，原設機留用。
3.5.2 下機架
下機架由中心體和6 條支臂組成，其中4 條支臂在工廠與中心體焊為一體，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，因此，改修機下機架與水輪機蓋板之間利用圓錐筒形支撐，將推力軸承支撐在水輪機蓋板上。具體結構參見圖2。由于改修機推力軸承設置在轉(zhuǎn)子支架下方，而原設機推力軸承設置在水輪機軸上，結構區(qū)別較大，使得圓錐筒形支撐結構非常復雜，進行了專門的課題討論和解析后最終確定了相關結構設計。在下機架的下部，設有鋼密封隔板。由于下機架基礎沒有更新，因此現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)時對下機架基礎相關數(shù)據(jù)進行了詳細測量，但是由于各種因素，測量數(shù)據(jù)存在一定誤差，因此設計了特殊的連接厚板進行了調(diào)整，調(diào)整后的厚板與基礎埋件現(xiàn)場焊接。
3.6 風洞及機坑
電站機組為半藏式結構，水輪機裝于鋼筋混凝土機坑內(nèi)，發(fā)電機裝于鋼筋混凝土機坑上，外周設置封閉的圓形鋼板罩，構成封閉的風道。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(fā)電機層的進人門，以方便進出。
3.7 集電裝置
滑環(huán)置于發(fā)電機滑環(huán)軸的上端。刷架固定于發(fā)電機頂罩上。刷架與滑環(huán)均在密封的風罩內(nèi)，循環(huán)風路與發(fā)電機風室分開,以保證碳刷粉塵不污染定轉(zhuǎn)子。
3.8 附屬設備
3.8.1 通風、冷卻系統(tǒng)
通風冷卻系統(tǒng)采用密閉雙路徑向無風扇自循環(huán)通風冷卻系統(tǒng)。冷卻風壓由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的離心作用形成。風循環(huán)路徑為：圓盤支架－磁軛－磁極－定子－空氣冷卻器－風道－圓盤支架。定子機座外裝設8 只空氣冷卻器。
原設機下部回路利用了混凝土風道進行通風循環(huán)，而改修機利用定子基礎之間的空間進行通風循環(huán)，因此對混凝土風道采取了封堵措施。
3.8.2 制動裝置
在下機架上設6 只雙活塞油氣腔分開、彈簧復位式制動器。每只制動器上設雙接點行程開關，能反映制動器是否動作或全部復位。制動塊采用非石棉聚合樹脂材料，摩擦系數(shù)大，磨損率低，粉塵少，不污染環(huán)境。在制動器下層活塞下可送高壓油以頂起轉(zhuǎn)子。
3.8.3 滅火裝置
定子兩端裝有滅火環(huán)管，滅火介質(zhì)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，并指示過熱位置。當溫度達到200℃時再次報警，信號可接至停機回路和投CO2 滅火回路。
3.8.4 其它
改造后的機組還設有防潮裝置，油霧收集裝置，制動粉塵收集裝置，軸電流防止及檢測裝置等。
4 結語
該電站1 號機組已于2012 年6 月28 日完成一系列現(xiàn)場試驗后，投入商業(yè)運行。機組各部溫升和振動均滿足合同要求，并有一定裕量。根據(jù)改修計劃2號機組預計相隔一年后投入運行。該電站是東芝公司繼韓國春川電站改修后的又一個成果，得到韓國客戶的好評，為東芝公司在韓國后續(xù)改修項目的中標奠定了一定的基礎。
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