某水电站发电机定转子挡风板结构优化研究及应用

侯俊龙，艾 斐，杨明扬

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌443002）

1 概述

水轮发电机组的发电机挡风板安装在发电机定转子上、下方，在通风冷却系统中的作用主要是减少定子与转子空气间隙处的漏风量[1]，从而增加通风循环系统的密闭性，使发电机产生的热风基本全部通过空冷器进行冷却，冷却后的冷风再次进入转子磁极、定子铁心，降低转子磁极、定子铁心温度[2]。

定转子挡风板是发电机在运行过程中循环通风的重要载体，对发电机的安全稳定运行发挥着至关重要的影响。某水电站A 机型的发电机定子挡风板在运行过程中存在振动过大、异响现象，在停机检查过程中发现挡风板出现了变形、凹陷、螺栓点焊部位脱焊、螺栓松动及螺纹损坏等缺陷[3]。现场临时对脱焊的定子挡风板螺栓进行补焊，对损坏的螺栓进行更换以及对挡风板薄弱区域焊接角钢进行加固。为彻底解决隐患，技术人员提出对该类型发电机定子挡风板结构进行研究，并最终利用研究成果对A 机型的某1台机进行了改造。改造应用结果表明，在机组运行过程中发电机定子挡风板振动大幅改善，且无异响，在运行1年后检查时发现挡风板螺栓无脱焊、无松动等现象，挡风板及连接螺栓整体情况良好，应用效果显著。

2 研究方法及过程

2.1 结构比较及分析

某水电站主要有2种机型，称为A 机型和B 机型。以下对2种机型挡风板结构差异做了详细比较及分析。

A 机型挡风板主要由上下横板、立板等组成，其中横板共48块，立板共24块，螺栓由止动垫片止动，转子上方未设置挡风圈，上挡风板与转子最小间隙40mm。上下挡风板与转子间隙均较小，漏风量较小。转子上挡风板检修时随上机架起吊，下挡风板单独拆除。

B 机型发电机挡风板由内外两圈横板及一圈立板组成，横板共96块，立板共12块。内圈横板和立板与上机架通过工字钢进行连接，外圈横板直接与上机架支臂连接，螺栓由止动垫片止动。转子下挡风板处的立板位置更加靠近转子下方中心体进风区域。由于转子上方未设置挡风圈，上挡风板内圈横板与转子间隙较大，达到350mm，通风效率相对较低，但是对整体密闭循环通风系统运行影响不大，且从结构上来说较该电站其他机型上挡风板强度高。下挡风板内圈立板与转子最小间隙26mm，外圈立板与转子最小间隙20mm，两道立板的设计使空气间隙下部密封性更好，漏风量更小，一定程度上弥补了上部漏风大的缺陷。

A 机型和B 机型具体结构如图1、2所示。

图1 A 机型发电机挡风板装配

图2 B 机型发电机挡风板装配

通过比较发现A、B 机型发电机挡风板主要结构型式基本类似，通风效果无明显差别。主要不同点为B 机型上挡风板处设有支撑臂。支撑臂能有效对上挡风板形成加固。

但在机组实际运行及维护情况发现A、B 机型发电机挡风板各有优劣。

A 机型发电机挡风板主要问题及危害表现为：

（1）上挡风板设计强度不够，挡风板容易变形，出现凹陷情况。

（2）机组运行时，挡风板会出现振动现象。长期振动会导致挡风板螺栓螺纹损坏，紧固力丧失，加剧振动[4]。

（3）长期剧烈振动作用下，挡风板紧固螺栓及螺帽点焊部位开焊，螺栓及螺帽有掉入定、转子的风险，由此可能引起发电机扫膛，后果不堪设想。

（4）结构简单、机组检修过程中便于拆装。

B 机型发电机挡风板主要问题表现为：

（1）上挡风板结构稳固。机组运行时表现稳定，基本无振动。

（2）该结构复杂，造成现场检修环境受限，且不利于拆装。

2.2 改进方法建议

结合分析比较，A 机型发电机挡风板存在一定的设计缺陷，其挡风圈从挡风板固定处至挡风圈末端（长度约为880mm）没有其他固定支撑，为悬臂结构[5]。因此在运行过程中出现振动大、异响以及螺栓开焊、松动等问题。

通过研究认为需要对A 机型发电机挡风板结构进行改进。结构改进主要围绕3个方面：（1）削弱振动，原结构中挡风圈的受力类似悬臂梁，刚度较差，易产生摆动引起振动；（2）增加刚度，原结构中挡风圈、挡风板厚度较薄，分块较多；（3）增加强度，原结构中螺栓尺寸偏小。改进后结构强度增大。

3 改造应用及效果评估

3.1 方案实施

结合研究分析，最终技术人员提出了具体改造方案。主要包含以下6点：

（1）挡风圈增加水平挡风板及拉紧螺杆，使挡风板截面形成框体结构，显著提高挡风圈刚度，大幅削弱挡风圈的振动。结构比较如图3、4所示。

图3 原挡风板

图4 新挡风板

（2）上挡风板整体布局不变，整体更换挡风板本体，挡风板钢板厚度由原4mm 增加至5mm，增加挡板本身的强度。

（3）内圈挡风板的数量由24件减少为12件，减少连接件。

（4）挡风圈的数量由24件减少为12件，提高挡风圈的整体性、刚性。

（5）在每一块外圈挡风板上焊接角钢，以增加刚度。结构比较如图5、6所示。

图5 原挡风板

图6 新挡风板（焊接角钢）

（6）原挡风板连接螺栓规格由4.8级M10变为8.8级M12。螺栓采用止动垫圈，所有螺母预装时焊接牢固（焊2～3处六角侧面），螺栓安装时涂抹螺纹锁固胶。

3.2 效果评估

根据电站机组检修计划，在某A 机型机组大修期间对其发电机挡风板按照上述研究方案进行整体改造。

A 机型某机组发电机挡风板改造后，跟踪观察该机组发电机挡风板运行情况发现发电机风洞内无异常响声，发电机内部通风循环及各温度指标正常，检查挡风板发现其运行稳定无明显振动。为了验证其长期运行后的效果，在经过机组1年运行后停机对挡风板螺栓等各连接件检查时发现，各连接螺栓无松动、螺帽无异动无脱焊情况。经过时间检验证明该机型发电机挡风板改造后此前的问题得到大幅改善和消除。

4 结语

水轮发电机定子挡风板安装布置位置一般处于巡检人员的视野之外，因此挡风板紧固螺栓松动缺陷具有一定的隐蔽性，不易发现，缺陷出现后有较大可能性导致发电机扫膛的重大事故。通过对A 机型发电机挡风板结构进行研究，存在的问题进行分析，最终利用研究成果对该机型某一机组定子挡风板进行改造，经过实践证明该方案能有效解决挡风板长期振动、异响等严重问题，消除发电机事故隐患。该改造方案为后续相同机型挡风板改造提供了成熟经验，同时也可供其他同类型水电机组借鉴及参照。