轴流式水轮机转子部件的设计与安装技术

2011-09-03李厚涛

中国水能及电气化 2011年11期

李厚涛

（东芝水电设备有限公司，杭州 310016）

深溪沟水电站是大渡河干流规划的第18级电站，其主要任务为发电，电站设计安装4台单机容量为165MW的SF165-66/13640轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量660MW。该水轮机组由东芝水电设备（杭州）有限公司制造并负责安装，目前1号机组和2号已完成72h试运行；3号机组和4号机组正在安装中。本文主要介绍SF165-66/13640轴流转桨式水轮机转子支架等大型部件的设计与安装技术。

1 水轮机转子结构

SF165-66/13640轴流转桨式水轮机为立轴半伞式、三相凸极同步发电机，额定容量为183.34MVA/165MW，额定转速为90.9r/min，飞逸转速为273 r/min，GD2> 61000 t·m2，冷却方式为密闭自循环空气冷却。水轮机转子由转轴、转子支架、磁轭、磁极、制动环板等部件以及其他辅助件组成，其中转轴为三段结构，即上端轴+转子中心体+发电机主轴。转子结构剖面如图1所示。

图1 水轮机转子结构（剖面）

2 转子部件的设计特点

该水轮机转子的尺寸为 12 804mm×12 804mm×2050mm，飞逸转速为273r/min（是额定转速的3倍）；转子的机械应力是按飞逸转速工况进行设计，整个转子的飞逸离心力为931 000kN。为保证转子在飞逸工况下各部件能长期安全、稳定地运行，转子磁极、磁轭、转子支架的材料选择各项机械性能好、强度高的优质钢材，并保证一定的安全系数。

2.1 转子支架

转子支架的外径达到Φ10 650mm，由于深溪沟水电站道路运输尺寸限制，因此将转子支架设计为分体制造、运输，现场组装焊接成整体。根据转子的磁极数、刚强度要求和立筋周向布置特点，将转子支架设计成圆盘式现场焊接结构，由1个中心体和4个外环件组成，制动环把合在外环件的下辐板的下侧，共设计了16根主立筋与外环件组焊为一体。转子支架的高度为2050mm，其结构剖面如图2所示。中心体由上下圆板、上下辐板、中心圆筒和筋板组成，外径为Φ4800mm，最大高度为2015mm,重量为46t。外环件由上下辐板、主立筋、立筋和制动环补强板组成，每个外环件重量约为15t。转子支架的总重量为106t。

图2 转子支架结构剖面图

考虑到转子支架在分体运输和现场焊接的过程中各部件会有一定的变形，设计时在副立筋上预留10mm现场加工余量，根据转子支架焊接后的主立筋外形尺寸来确定副立筋的尺寸，在现场对副立筋配刨加工后焊接在主立筋上，以保证达到准确的转子支架外径尺寸。

设计充分考虑了该水轮机组飞逸转速高的特点，为保证转子支架的强度及刚度，中心体下法兰面和主轴均采用锻件，材质为20SiMn；中心体与主轴通过联轴螺栓把紧，并采用扭矩键来传递转矩。

2.2 转子磁轭

转子磁轭的外径达Φ12 270mm，重量为370t，其飞逸离心力为320 000k N，因此其材料采用高强度钢板（屈服极限大于650MPa）。根据转子磁极数和周向键槽个数，并考虑运输和安装的方便性，每周采用5极扇形磁轭片2张和4极扇形磁轭片14张。磁轭整体由磁轭端板、磁轭片、拉紧螺杆、螺母、磁轭挡风板、磁轭调整片和磁极止落块等构成，通过螺栓传递磁轭片间的作用力，使磁轭成为一个刚度和强度都很好的整体；拉紧螺杆采用冷拉高强度螺栓来承受飞逸工况下的剪切应力。磁轭与转子支架采用16付径向、切向组合键连接，以保证正常运行时磁轭的圆度和有效传递扭矩。

2.3 转子磁极

磁极由磁极铁心、阻尼绕组及套于铁心的线圈组成。

磁极铁心由1.5mm厚的高强度钢板冲片叠压而成，屈服极限达250MPa以上，并用冷拉高强度拉紧螺杆固定。铁心设鸽尾挂装在磁轭上，可满足强应力的需要。

磁极线圈由异形断面的半硬紫铜排焊接而成，具有良好的散热性能。线圈匝间垫以Nomex绝缘纸，与铜排热压成一体。线圈对地绝缘除了极身绝缘外，在极身四周角部设置角部绝缘。磁极线圈上、下部各设置整体绝缘法兰，避免运行时在离心力作用力下绝缘法兰逃离。线圈靠近磁轭侧用硅胶填充间隙后整个线圈一起热压，以增加对地绝缘性能。

磁极采用鸽尾挂装方式，在磁极铁心鸽尾侧面打入长楔形键将磁极楔紧在磁轭上，楔形键用压板锁定，这种结构便于磁极拆装。磁极线圈之间设置有挡风板，采用可拆卸结构，不吊出转子即可进行磁极的检修及更换。

磁极铁心上设有纵、横阻尼绕组。阻尼环固定于磁极端板上，阻尼环连接、磁极上部极间连接均采用软连接，磁极下部极间引出线采用铜排固定座固定在磁轭端板上，可承受离心力的作用。励磁引线由铜排制成，使用固定座固定，布置在磁轭、转子支架上端面沿发电机上端轴接至集电环。

3 转子部件的安装特点

3.1 转子支架的制造及安装

设计的转子支架工厂制造流程如图3所示。通过此制造流程，可以有效地控制各环节的加工质量，保证中心体、外环件在现场焊接组装时对平面度、平行度、圆度和垂直度等的精度要求。

图3 转子支架制造流程

设计的转子支架现场焊接流程如图4所示。严格按照此流程操作，通过对转子支架半径方向上的焊接收缩量以及中心体水平、外环件半径、辐板水平、立筋间弦距、立筋垂直度、制动环水平等的有效控制，并合理确定副立筋的配刨量，可以防止现场焊接过程中极易产生焊接变形，使焊接组装后的转子支架尺寸满足设计要求。

3.2 转子磁轭的叠装及热套

图4 转子支架现场焊接流程

转子磁轭总高1840mm，冲片采用4.5mm厚的高强度磁轭钢板激光切割而成，整周为16张扇形片（4极片14张，5极片2张）组成，根据磁轭键、定位销、定位键夹具等确定磁轭叠装基准。每2张冲片为一叠，层间错开一个磁极搭叠。磁轭预压紧分4次进行，预压紧使用预紧螺杆，预压紧高度分别为500、750、1500mm，最后一次总高度为1840mm。磁轭叠装过程中，每叠100mm高度，必须对磁轭的内、外径高度、周向波浪度进行测量，然后根据测量数据使用0.5mm厚的垫片进行调整；同时，使用磁轭孔调整工具对各层磁轭片进行调整。磁轭叠压合格后更换磁轭拉紧螺杆，然后按照设计要求，将各种规格的螺杆按指定的伸长量配合适当的力矩进行最终把紧和锁定。

磁轭叠装完毕后，需进行磁轭键的热打。热打紧量按1.25倍的额定转速进行设计，使转子中心体与磁轭之间产生必要的紧量，磁轭热打量的单边紧量为2.26mm。为保证磁轭热打后磁轭的同心度、圆度不发生偏移，在冷态情况下应保持磁轭键槽中径向、切向组合键的楔紧度均匀、平衡，然后再进行加热热打。

根据转子磁轭体积大等特点，选择加热容量大、利用系数高、加热均匀的方式才能取得良好的热打效果。方法是在磁轭片上开加热孔，磁轭叠装完成后插入电阻加热管通电加热。根据磁轭冲片特点，加热孔布置于磁轭片极与极之间的内外径侧，共采用了132根加热管，单根容量为3k W，总容量为396k W，留有一定的加热余量。根据计算，单边磁轭热膨胀2.26mm，加热温升为40K，磁轭加热总容量为294.7k W。当磁轭被加热到所需的膨胀时，将磁轭键槽中各处径向楔形键均匀的打入到指定长度，关闭电源，待磁轭自然冷却后打入两侧楔形键。采用这种组合磁轭键具有径向轴向配合紧密、运行中保证转子圆度、抗过速性能强的优点。