周祥德

（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙410100）

1 概況

貴州某電站是20世紀80年代投產(chǎn)的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，發(fā)電機為國內(nèi)某水電設備制造廠家制造的帶有試驗性質的機組，由于受當時的技術水平限制，存在著效率較低、絕緣老化、軸承漏油、漏水、機組結構復雜落后、機組安裝維護不便等缺陷及安全隱患。原發(fā)電機的參數(shù)如表1。

表1 原發(fā)電機的技術參數(shù)

原發(fā)電機的總裝配圖如圖1所示，定子裝配如圖2所示。

原發(fā)電機組軸承采用兩支點布置，徑向推力組合軸承位于轉子上游側，固定在發(fā)電機的機架上，另一個座式導軸承位于發(fā)電機轉子下游側靠水輪機轉輪端，發(fā)電機的轉子支承在這兩道座式軸承上。發(fā)電機座環(huán)與發(fā)電機基礎澆筑緊固，是發(fā)電機的主要支撐，定子固定其上，發(fā)電機座環(huán)還作為發(fā)電機通風系統(tǒng)的重要部件。發(fā)電機采用密閉自循環(huán)空氣冷卻，空冷器位于外置的通風管道內(nèi)，空冷器冷卻后的冷風經(jīng)鋼制的通風管進入發(fā)電機內(nèi)，吹拂冷卻發(fā)電機后進入發(fā)電機座環(huán)，經(jīng)發(fā)電機座環(huán)匯集后由座環(huán)上方的混凝土通風道進入空冷器，由空冷器進行冷卻。為加強通風，在鋼制通風管內(nèi)設置1臺雙風葉的通風機進行加壓。

圖1 原發(fā)電機總裝配

圖2 原發(fā)電機定子裝配

原發(fā)電機定子外徑Φ2 980 mm，定子采用鐵心貼壁結構，定子鐵心由鴿尾筋定位，鴿尾筋用螺栓固定在定子機座上，定子機座下方設置2個輔助支撐。轉子磁極鐵心用鉚釘緊固成一體，通過單“T”尾結構、磁極鍵固定在轉子支架上，轉子支架為雙幅板結構，轉子支架同發(fā)電機主軸采用熱套永久配合，發(fā)電機主軸與水輪機主軸通過法蘭剛性聯(lián)接。在空冷器與發(fā)電機機架之間設置鋼制通風筒，將冷風導入發(fā)電機。在泡頭外側設置八字型輔助支撐。發(fā)電機4臺制動器位于機組下游側，固定于電機座環(huán)上的制動器底座。組合軸承采用外油循環(huán)冷卻，發(fā)電機為B級絕緣。

電站業(yè)主對發(fā)電機的改造要求是保留原發(fā)電機的基礎部分，對原發(fā)電機進行整體更換改造。

2 發(fā)電機改造

2.1 原發(fā)電機的缺陷及不足之處

原發(fā)電機的轉子支承在轉子上下游側的兩道座式軸承上，這種布置方式的燈泡貫流發(fā)電機結構復雜，重量較重，機組安裝工序多且復雜。為保證組合軸承的穩(wěn)定運行，設置的發(fā)電機機架需具有足夠的剛強度以支撐組合軸承，原機架采用鋼板組焊框架結構，制造成本較高。原轉子結構落后復雜，轉子磁極通過單“T尾”結構與轉子支架聯(lián)接，需加厚轉子支架磁軛圈才能布置“T尾”結構，為保證轉子支架與發(fā)電機主軸的熱套聯(lián)接，設置了轉子支架的輪轂，并且轉子支架采用雙幅板的結構，進一步增加了轉子的重量以及成本，增加了組合軸承的負載。原定子鐵心采用貼壁結構，鐵心鴿尾筋用螺栓固定在機座壁上，當發(fā)電機長時間運行后，存在水輪機流道內(nèi)的河水通過螺栓進入發(fā)電機定子內(nèi)部的嚴重安全隱患。

原發(fā)電機的制動器等位于機組的下游側，因發(fā)電機外形尺寸較小，電站檢修人員從下游側進入發(fā)電機內(nèi)部更換維護十分不便。原發(fā)電機的冷卻空氣通過鋼制通風筒送入發(fā)電機轉子上方，進入發(fā)電機的進風口面積較小且偏向轉子一側，通風冷卻效果較差。

2.2 發(fā)電機改造措施

2.2.1 發(fā)電機電磁參數(shù)

改造后的水輪機改為臥式定漿軸流式，額定轉速為166.7 r/min，新發(fā)電機保持定子外形尺寸Φ2 980 mm不變，整體更換改造后的發(fā)電機參數(shù)如表2。

表2 改造后的發(fā)電機參數(shù)

2.2.2 結構設計

改造后的水輪機為定漿軸流式，轉速由150 r/min提高至166.7 r/min，發(fā)電機額定功率由2 500 kW增加至3 000 kW。經(jīng)現(xiàn)場考察，改造后的發(fā)電機可保留利用原發(fā)電機的廠房蓋板、水輪機流道蓋板、混凝土通風管道、泡頭輔助支撐、定子輔助支撐。拆除原發(fā)電機，設計制造更換新的發(fā)電機。為改善新發(fā)電機的安裝環(huán)境，加大安裝空間，對原電機座環(huán)進行適當局部改造。改造后的發(fā)電機總裝配圖如圖3所示。

圖3 改造后的發(fā)電機總裝配

改造后的發(fā)電機轉子見圖4。改造后的發(fā)電機轉子采用無主軸結構，轉子與水輪機主軸聯(lián)接，由水輪機主軸驅動。燈泡貫流機組的組合軸承位于發(fā)電機轉子的下游側，發(fā)電機轉子、水輪機轉輪分別位于水輪機主軸的兩端，軸系構成雙懸臂結構，發(fā)電機的轉子支架與水輪機主軸通過法蘭剛性聯(lián)接。這種結構使燈泡貫流機組的安裝流程大為簡化。為減輕轉子支架的重量，降低組合軸承的徑向負載，轉子支架采用單幅板結構并減少發(fā)電機轉子支架磁軛圈的厚度，為此發(fā)電機轉子磁極與轉子支架采用聯(lián)接螺桿固定而不采用“T尾”結構聯(lián)接固定。為改善轉子磁極的通風條件，提高轉子磁極線圈的散熱系數(shù)，轉子線圈采用五邊型銅排繞制。轉子磁極沖片極靴外側圓弧半徑加大，以增加轉子磁極間的軸向通風面積。

圖4 改造后的轉子裝配

改造后的發(fā)電機定子見圖5。定子采用鐵心貼壁結構，定子鐵心鴿尾筋焊接在定子機座內(nèi)壁，避免了原電機定子鐵心鴿尾筋用螺栓固定在機座壁上，水輪機流道內(nèi)的河水可能滲入定子鐵心內(nèi)部的安全隱患。為提高定子鐵心的壓裝質量，采用穿心絕緣螺桿拉緊鐵心。在定子齒間設置軸向通風孔，提高定子的通風冷卻效果。定子機座下方設置了固定地腳，與原定子下方的輔助支撐底座固定聯(lián)接。對定子機座與鐵心接觸面進行噴鋁處理，以加強定子鐵心通過機座壁向流道內(nèi)河水傳熱的能力。

圖5 改造后的定子裝配

改造后的組合軸承見圖6。改造后的組合軸承位于發(fā)電機的下游側，新電機改進了原電機通過采用鋼板組焊框架結構的機架來固定組合軸承的方案，新電機采用鋼板制成的過渡環(huán)板用螺栓固定在原電機座環(huán)上，并在過渡環(huán)板與電機座環(huán)之間焊接加強筋板，將二者聯(lián)接為一體，利用原電機座環(huán)來增加過渡環(huán)板的支撐剛度。新電機的定子及組合軸承固定在過渡環(huán)板上。通過設置過渡環(huán)板，簡化了新機的結構，大幅降低了制造成本。為保證發(fā)電機的通風需要，在過渡環(huán)板上設置了多個通風孔。

圖6 改造后的組合軸承

組合軸承采用外油循環(huán)。導軸承瓦、推力軸瓦均采用巴氏合金。正推力軸承采用支釘剛性支撐，反推力軸承采用橡皮墊彈性支撐。正、反推力軸承均為8塊扇形瓦。導軸承為分瓣臥式筒式瓦。為減少軸承油霧的溢出，軸承油箱與主軸的配合采用接觸式隨動密封。為簡化結構，導軸承不設置高壓油頂起裝置。

改造后的發(fā)電機采用常壓密閉自循環(huán)通風冷卻，取消了原發(fā)電機的鋼制通風管及其中的雙風葉的通風機。將空冷器由繞簧式空冷器更換為高效穿片脹接式空冷器，提升空冷器的冷卻效果。保留利用原電機的基礎混凝土中的通風道，空冷器冷卻后的空氣經(jīng)廠房蓋板與流道蓋板之間的密閉空間進入發(fā)電機泡頭，在泡頭環(huán)板上布置4臺高壓風機補充提供風壓，冷卻空氣經(jīng)4臺高壓風機分四路送入發(fā)電機內(nèi)進行冷卻，通風冷卻效果優(yōu)于原電機只采用一路進風的方式，冷空氣吹拂冷卻了發(fā)電機后由電機座環(huán)匯集進入基礎混凝土中的通風道并進入空冷器進行冷卻。

為便于進入更換調整，新發(fā)電機配置的4臺制動器以及集電環(huán)、刷架布置于空間較大的泡頭側，制動器活塞由彈簧復位改為壓縮空氣復位，改善了新機的運行維護條件，制動閘板改為不含石棉的新型制動材料。為保證機組檢修人員的安全，新機配置了轉子鎖定裝置，當機組停機，檢修人員進入發(fā)電機內(nèi)部前，將轉子鎖定裝置投入，防止轉子自行轉動。

新機組為一根軸結構，為了便于安裝水輪機主軸，對原電機座環(huán)進行了改造，加大了電機座環(huán)的內(nèi)圓環(huán)內(nèi)部空間。

原電機座環(huán)改造見圖7。在電站現(xiàn)場，割除了原電機制動器底座、原座環(huán)的內(nèi)園環(huán)及相應的筋板。將內(nèi)徑加大的新內(nèi)園環(huán)與原電機座環(huán)焊接牢固。重新配制了新?lián)躏L板。

圖7 原電機座環(huán)的改造

3 運行情況及結語

貴州某電站SFWG3000-36/2860發(fā)電機組在電站已改造完成投入運行，電機各部溫升較低，安全裕度較大。振動等指標全面優(yōu)于國標要求，安全可靠性、安裝檢修維護性能全面提升，綜合性能指標達到國內(nèi)先進水平，達到了電站增容改造的目的。實踐證明貴州某電站SFWG3000-36/2860發(fā)電機組增容改造整體更換的設計、制造是成功的，為早期燈泡貫流式發(fā)電機的增容改造闖出了一條新路，采用的技術、措施可供燈泡貫流式發(fā)電機的設計制造借鑒。