贵州某电站灯泡贯流式水轮发电机增容改造设计

周祥德

（湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙410100）

1 概况

贵州某电站是20世纪80年代投产的灯泡贯流式水轮发电机组，发电机为国内某水电设备制造厂家制造的带有试验性质的机组，由于受当时的技术水平限制，存在着效率较低、绝缘老化、轴承漏油、漏水、机组结构复杂落后、机组安装维护不便等缺陷及安全隐患。原发电机的参数如表1。

表1 原发电机的技术参数

原发电机的总装配图如图1所示，定子装配如图2所示。

原发电机组轴承采用两支点布置，径向推力组合轴承位于转子上游侧，固定在发电机的机架上，另一个座式导轴承位于发电机转子下游侧靠水轮机转轮端，发电机的转子支承在这两道座式轴承上。发电机座环与发电机基础浇筑紧固，是发电机的主要支撑，定子固定其上，发电机座环还作为发电机通风系统的重要部件。发电机采用密闭自循环空气冷却，空冷器位于外置的通风管道内，空冷器冷却后的冷风经钢制的通风管进入发电机内，吹拂冷却发电机后进入发电机座环，经发电机座环汇集后由座环上方的混凝土通风道进入空冷器，由空冷器进行冷却。为加强通风，在钢制通风管内设置1台双风叶的通风机进行加压。

图1 原发电机总装配

图2 原发电机定子装配

原发电机定子外径Φ2 980 mm，定子采用铁心贴壁结构，定子铁心由鸽尾筋定位，鸽尾筋用螺栓固定在定子机座上，定子机座下方设置2个辅助支撑。转子磁极铁心用铆钉紧固成一体，通过单“T”尾结构、磁极键固定在转子支架上，转子支架为双幅板结构，转子支架同发电机主轴采用热套永久配合，发电机主轴与水轮机主轴通过法兰刚性联接。在空冷器与发电机机架之间设置钢制通风筒，将冷风导入发电机。在泡头外侧设置八字型辅助支撑。发电机4台制动器位于机组下游侧，固定于电机座环上的制动器底座。组合轴承采用外油循环冷却，发电机为B级绝缘。

电站业主对发电机的改造要求是保留原发电机的基础部分，对原发电机进行整体更换改造。

2 发电机改造

2.1 原发电机的缺陷及不足之处

原发电机的转子支承在转子上下游侧的两道座式轴承上，这种布置方式的灯泡贯流发电机结构复杂，重量较重，机组安装工序多且复杂。为保证组合轴承的稳定运行，设置的发电机机架需具有足够的刚强度以支撑组合轴承，原机架采用钢板组焊框架结构，制造成本较高。原转子结构落后复杂，转子磁极通过单“T尾”结构与转子支架联接，需加厚转子支架磁轭圈才能布置“T尾”结构，为保证转子支架与发电机主轴的热套联接，设置了转子支架的轮毂，并且转子支架采用双幅板的结构，进一步增加了转子的重量以及成本，增加了组合轴承的负载。原定子铁心采用贴壁结构，铁心鸽尾筋用螺栓固定在机座壁上，当发电机长时间运行后，存在水轮机流道内的河水通过螺栓进入发电机定子内部的严重安全隐患。

原发电机的制动器等位于机组的下游侧，因发电机外形尺寸较小，电站检修人员从下游侧进入发电机内部更换维护十分不便。原发电机的冷却空气通过钢制通风筒送入发电机转子上方，进入发电机的进风口面积较小且偏向转子一侧，通风冷却效果较差。

2.2 发电机改造措施

2.2.1 发电机电磁参数

改造后的水轮机改为卧式定浆轴流式，额定转速为166.7 r/min，新发电机保持定子外形尺寸Φ2 980 mm不变，整体更换改造后的发电机参数如表2。

表2 改造后的发电机参数

2.2.2 结构设计

改造后的水轮机为定浆轴流式，转速由150 r/min提高至166.7 r/min，发电机额定功率由2 500 kW增加至3 000 kW。经现场考察，改造后的发电机可保留利用原发电机的厂房盖板、水轮机流道盖板、混凝土通风管道、泡头辅助支撑、定子辅助支撑。拆除原发电机，设计制造更换新的发电机。为改善新发电机的安装环境，加大安装空间，对原电机座环进行适当局部改造。改造后的发电机总装配图如图3所示。

图3 改造后的发电机总装配

改造后的发电机转子见图4。改造后的发电机转子采用无主轴结构，转子与水轮机主轴联接，由水轮机主轴驱动。灯泡贯流机组的组合轴承位于发电机转子的下游侧，发电机转子、水轮机转轮分别位于水轮机主轴的两端，轴系构成双悬臂结构，发电机的转子支架与水轮机主轴通过法兰刚性联接。这种结构使灯泡贯流机组的安装流程大为简化。为减轻转子支架的重量，降低组合轴承的径向负载，转子支架采用单幅板结构并减少发电机转子支架磁轭圈的厚度，为此发电机转子磁极与转子支架采用联接螺杆固定而不采用“T尾”结构联接固定。为改善转子磁极的通风条件，提高转子磁极线圈的散热系数，转子线圈采用五边型铜排绕制。转子磁极冲片极靴外侧圆弧半径加大，以增加转子磁极间的轴向通风面积。

图4 改造后的转子装配

改造后的发电机定子见图5。定子采用铁心贴壁结构，定子铁心鸽尾筋焊接在定子机座内壁，避免了原电机定子铁心鸽尾筋用螺栓固定在机座壁上，水轮机流道内的河水可能渗入定子铁心内部的安全隐患。为提高定子铁心的压装质量，采用穿心绝缘螺杆拉紧铁心。在定子齿间设置轴向通风孔，提高定子的通风冷却效果。定子机座下方设置了固定地脚，与原定子下方的辅助支撑底座固定联接。对定子机座与铁心接触面进行喷铝处理，以加强定子铁心通过机座壁向流道内河水传热的能力。

图5 改造后的定子装配

改造后的组合轴承见图6。改造后的组合轴承位于发电机的下游侧，新电机改进了原电机通过采用钢板组焊框架结构的机架来固定组合轴承的方案，新电机采用钢板制成的过渡环板用螺栓固定在原电机座环上，并在过渡环板与电机座环之间焊接加强筋板，将二者联接为一体，利用原电机座环来增加过渡环板的支撑刚度。新电机的定子及组合轴承固定在过渡环板上。通过设置过渡环板，简化了新机的结构，大幅降低了制造成本。为保证发电机的通风需要，在过渡环板上设置了多个通风孔。

图6 改造后的组合轴承

组合轴承采用外油循环。导轴承瓦、推力轴瓦均采用巴氏合金。正推力轴承采用支钉刚性支撑，反推力轴承采用橡皮垫弹性支撑。正、反推力轴承均为8块扇形瓦。导轴承为分瓣卧式筒式瓦。为减少轴承油雾的溢出，轴承油箱与主轴的配合采用接触式随动密封。为简化结构，导轴承不设置高压油顶起装置。

改造后的发电机采用常压密闭自循环通风冷却，取消了原发电机的钢制通风管及其中的双风叶的通风机。将空冷器由绕簧式空冷器更换为高效穿片胀接式空冷器，提升空冷器的冷却效果。保留利用原电机的基础混凝土中的通风道，空冷器冷却后的空气经厂房盖板与流道盖板之间的密闭空间进入发电机泡头，在泡头环板上布置4台高压风机补充提供风压，冷却空气经4台高压风机分四路送入发电机内进行冷却，通风冷却效果优于原电机只采用一路进风的方式，冷空气吹拂冷却了发电机后由电机座环汇集进入基础混凝土中的通风道并进入空冷器进行冷却。

为便于进入更换调整，新发电机配置的4台制动器以及集电环、刷架布置于空间较大的泡头侧，制动器活塞由弹簧复位改为压缩空气复位，改善了新机的运行维护条件，制动闸板改为不含石棉的新型制动材料。为保证机组检修人员的安全，新机配置了转子锁定装置，当机组停机，检修人员进入发电机内部前，将转子锁定装置投入，防止转子自行转动。

新机组为一根轴结构，为了便于安装水轮机主轴，对原电机座环进行了改造，加大了电机座环的内圆环内部空间。

原电机座环改造见图7。在电站现场，割除了原电机制动器底座、原座环的内园环及相应的筋板。将内径加大的新内园环与原电机座环焊接牢固。重新配制了新挡风板。

图7 原电机座环的改造

3 运行情况及结语

贵州某电站SFWG3000-36/2860发电机组在电站已改造完成投入运行，电机各部温升较低，安全裕度较大。振动等指标全面优于国标要求，安全可靠性、安装检修维护性能全面提升，综合性能指标达到国内先进水平，达到了电站增容改造的目的。实践证明贵州某电站SFWG3000-36/2860发电机组增容改造整体更换的设计、制造是成功的，为早期灯泡贯流式发电机的增容改造闯出了一条新路，采用的技术、措施可供灯泡贯流式发电机的设计制造借鉴。