基于高精度径向开孔和定子高程测量的定子基础板更换方法

刘元峰，袁成建

(1. 广东能源集团新丰江发电公司检修部，广东 河源 517000；2. 华中科技大学土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074)

水轮发电机组发电机定子安装过程中，为考虑定子因温度变化产生的形变量，在定子基础板与定子机架间会设置径向销钉装配。但部分电站在增容改造后，由于机组固定部件中心调整困难，存在取消发电机定子的径向销钉而采取配装竖向销钉的情况。竖向销钉的限位形式并不适用于存在一定温度变形的定子机架，容易导致销钉、销孔变形，进而引起机组运行时振动幅度增大的问题，导致部分位置绝缘磨损过度，直接影响发电机绝缘效果[1-3]，威胁水轮发电机组运行安全[4]。因此，对于该类机组，为保证设备部件定位效果和设备整体运行稳定，需及时恢复定子径向定位销钉[5]。

本文设计了一套基于高精度径向开孔和定子高程测量的定子基础板更换方法，通过设置定子开孔工序流程和限制定子高程位置，保证了孔轴线精度和定子位置精度，从根本上解决了部分增容改造后机组定子采用竖向销钉固定方式时的问题，有效提升了设备运行稳定性。

1 工程概况

在某发电公司对其所属4台水轮发电机组进行增容改造的过程中，出现了机组固定部件中心调整困难的问题，且现场条件无法重新配置定子基础板径向销钉。因此，在定子基础板与定子机架的固定中，采用竖向销钉对原径向销钉进行了替代，且由于操作空间所限，仅配制了直径较小的竖向销钉。在机组改造完成运行多年后，检查发现竖向销钉的定位效果不太理想，销钉存在剪切痕迹；同时，该发电公司机组大修每次均需吊出定子，经过多次的拆装，定子基础板上定子基础螺丝的底牙已产生较大磨损，定子地脚螺丝难以紧固到位。以上原因导致该电站机组上机架水平振动明显增大，其中3号机组上机架水平振动超过5丝，其他机组上机架水平振动也达到3～5丝不等。

经研究分析，提出更换基础板，恢复原有的径向销钉固定形式。编制定子基础板更换方案并经业主方认同后实施。

2 工程难点及对应解决方案

实施过程中的难点主要有以下两个方面。

2.1 定子径向销钉孔的高精度钻铰

定子径向销钉尺寸为φ30×120，为准确钻孔铰孔，具体主要解决两个问题：

1)定子机座外壁的精准四等分；

2)钻孔过程中保持钻头与机座外壁的垂直并使孔中心通过机组中心线。

2.2 定子高程的高精度测量

定子机座上机架安装面标高及上机架顶面标高，以水准仪测量数据作为安装数据(改造前后)进行记录。

为保证机组改造质量，最终需要满足以下三点基本要求：①定子与转子磁极中心偏差与修前基本一致(误差小于0.2 mm)；②转轮与底环错牙小于0.5 mm；③定子高程修前修后误差小于0.5 mm。

针对以上工程难点，对应的解决方案如下。

1)制定定子径向销钉孔高精度钻铰方案。为保证定子径向销钉孔钻铰的精度，必须注意以下步骤和质量保证措施：①在定子机座底部外圆周面上进行四等分，等分点分别在四块基础板上且与原来旧的销钉孔错开。等分点的样冲眼打在定子机座与基础板的结合部。四个等分点相邻两点的距离应基本相等(误差小于2 mm属合格范围)。②制作及安装磁力钻钻孔底座，底座的制作及安装要求是使钻头与定子机座外壁圆弧面垂直，为保证垂直，可从等分点的样冲眼等距离向两侧划线，再从磁力钻顶部轨道侧测量到这两条线的距离，使两个距离相等即可；如果距离不相等，则通过在支撑底板下方加楔子板调整，达到要求后，进行点焊定型。③起钻时，先使钻头对准样冲眼中心，钻出一浅坑，观察钻孔位置是否正确，并要不断纠正，使钻孔浅坑与划线圆周同轴。

钻孔完成后，用φ30的铰刀进行铰孔，铰孔时速度要慢，且用透平油进行润滑，并及时清理铁屑。

2)定子高程高精度测量方案。定子基础板改造中，定子高程的前后一致是改造成功与否的重要指标，而且是保证改造质量三点基本要求的首要条件。

机组定子基础板改造过程中要重点注意以下几点：①转轮与底环错牙质量控制措施。在机组拆卸开始以前和定子基础板改造结束后，分别测量记录转轮与底环+Y、+X、-Y、-X四个方向错牙情况；根据前后两次的数据比较，确定镜板标高调整量，从而使转轮与底环错牙小于0.5 mm或好于修前错牙情况。②定子与转子磁极中心偏差质量控制措施。定子与转子磁极中心偏差的质量控制主要是控制镜板标高的修前修后一致和转轮与底环错牙的修前修后一致。在机组拆卸过程至拨出推力头后，要测量镜板(不受力情况下)标高，并以此标高作为修后镜板标高的重要依据。③定子高程质量控制措施。为实现“定子高程修前修后误差小于0.5 mm”的质量要求，必须注意以下控制措施。

在以下实施步骤的第1步(具体步骤见表1)时，用水准仪测量定子机座上机架的四个安装面的高程，每个安装面2个地脚螺丝孔附近分别测量一个点的高程并进行记录；实施步骤第2步中水平测量位置也是这四个安装面的水平。

在实施步骤第1步测量标高的同时，用“红外线水平仪”将四个安装面的顶面水平引至机坑内壁，并做好不易擦掉的标记，更换好定子基础板在固定前用此标记进行校核，如有较大误差，要找出原因并进行处理。

在实施步骤第13步，测量与第1步要求一样，水平与高程调整时，先调整高程，上机架四个安装面的高程基本与修前数据相当时，再调整每个安装面的水平，水平与修前数据相差不多(每米10丝以内)即可。

在实施步骤第17步结束后，重新测量定子基座上机架四个安装面的高程，此测量数据作为档案数据，此数据应与调整完成时的数据相差不大，相差如果超过20丝以上则应分析原因，相差超过50丝时应返工处理。

3 实施步骤

综合以上方案设计及工程实际，机组定子基础板更换的完整操作步骤流程如表1所示。测中心原理图和基础板结构图见图1和图2。

表1 定子基础板更换实施步骤

其中，第5～7步骤中相关尺寸的测量是为了给新的基础板、楔子板和垫板的加工以及回装调整提供依据。

图2 基础板结构图

4 实施效果

从2016年到2019年，结合每年的机组大修安排，逐步对该发电公司4台机组进行了定子基础板更换工作。更换机组定子基础板后，机组上机架水平振动较更换以前均有不同程度减小。可见更换定子基础板后，4台机组上机架水平振动均在1.5丝及以下，主要原因是定子与基础间连接更加合理、牢靠。

更换前定子基础板的缺陷有：①采用轴向销钉固定定子，且基础板螺丝孔底牙存在损坏，定子定位不准、不稳，销钉受力情况恶劣；②基础板下方的二次灌浆混凝土风化严重，固定不牢；③基础板下方的楔子板宽度太窄，导致接触面积不符合要求；④部分机组基础板下方无垫板，存在基础板水平、高程调整不合格情况。

通过本轮改造，以上基础板所存在的缺陷全部消除，机组上机架水平振动明显减小，为机组的安全运行打下了坚实的基础。

5 结 语

定子基础板径向销钉在理想情况下，销钉中心线穿过定子圆心且与基础板平面平行，此时定子温度变化时产生的微量变形不会受到销钉限制；采用竖向销钉时，销钉在定子温度变化时将受到较大的剪应力，使得其定位效果不理想。本文所述的定子基础板改造方案，通过应用定子径向销钉孔高精度钻铰方案和定子高程高精度测量方案，辅以合理的工序流程，保证了基础板径向销钉孔的轴线和定子各部分的高程位置精度，克服了现场开孔精度不足、基础板与机组中心配合困难等问题。经改造后的机组从根本上改善了销钉受力，提升了定子定位精度。通过对某电站4台问题机组改造效果的分析，发现改造后各机组上机架水平振动均不同程度减小，显著提升了电站机组运行稳定性，验证了该方案的可行性与有效性。