摘要∶ 文章主要介绍了上世纪60 年代由日本国他社设计制造的韩国某电站立式轴流转桨式水轮发电机整体改造设计，改造后机组各项参数满足合同要求，达到满意效果。为类似机组改造设计提供参考。

关键词∶ 轴流转桨式；水轮发电机；整体改造

1 前言

      韩国某电站隶属于韩国水力原子力株式会社，位于流经韩国江原道春川市的北汉江上，上游为春川电站，下游为清平电站。距首尔东北方向85.3 km。该电站原来设置的2 台25 MVA 立式轴流转桨式水轮发电机由日本国他社1967 年设计制造，运行了40 多年，机组出现了严重老化现象。为了确保今后的稳定运行，客户希望对机组进行改造。2008 年10月应业主邀请，东芝公司和其他公司分别对机组进行诊断，提出机组改造方案。由于提出的改造方案可行可靠，性能优良，最终东芝公司于2009 年中标该项目。笔者在东芝公司工作期间，负责该项目的投标设计和改造设计工作。

2 概述

      发电机改造前后的基本参数见表1。

      该电站原设计机组为全伞式结构，推力轴承支撑在水轮机顶盖上。发电机导轴承位于转子下方，不设上导轴承。原设发电机剖面图参见图1。

      从图1 可以看出，原设机的励磁机和永磁发电机位于转子上方，转子支架为下倾圆锥形，水轮机桨叶操作接力器设置在转子中心体轮毂内，操作油管的高压油导油装置与下导轴承共用。下导轴承采用圆筒形结构。推力头采用分瓣式结构，用卡环安装在水轮机轴上。

      根据电站机组改修计划，对发电机除风道、基础和上机架之外，其余全部更新改造。由于两个公司的技术差异，从投标开始，东芝公司就取消了励磁机和永磁发电机直接与发电机转动部件连接的方式。为了简化转子中心体的设计，桨叶操作接力器也从转子中心体轮毂移至发电机轴与水轮机轴连接处。具体结构参见图2。

      从图2 可以看出，改修后的电站发电机仍然为全伞式结构。转子支架为圆盘结构，推力轴承布置在下机架中心体内，考虑到下机架基础的承受能力，推力轴承仍然支撑在水轮机顶盖上。由于是改修项目，留用部件的相关接口必须事先进行调查。该机组由于制造年月比较久远，没有电子版存档的图纸资料，并且由于存档时间太长，发电机相关的许多印刷版资料也无法查到，给相关接口调查带来了不便。因此只能在制造图设计之前利用机组停机的机会到现场进行尺寸测量。由于测量结果存在误差，也给设计工作带来一定的难度。

3 结构改造设计

      3.1 定子

      3.1.1 定子机座

      原设定子机座为圆筒形结构，设置有8 个定子基础，为配合定子基础设计，定子机座改造设计为正十六边形焊接结构。

      机座在工厂组焊加工，分4 瓣运至工地，在现场用螺栓把合成整体。机座设置顶环、上环、下环，沿圆周与鸽尾筋相对应的适当位置设置支撑棒，鸽尾筋把合在拉紧螺杆上。

      由于基础埋件不进行更新改造，改修机和原设机一样设置8 个定子基础，机座与基础间采用螺栓连接，通过径向销定位并传递扭矩，这种结构可适应机座热变形而产生的径向膨胀。由于没有相关的存档资料，现场数据测量时对定子基础埋件进行了详细测量，但是由于各种因素，测量数据存在一定误差，因此设计了特殊的结构进行了调整，调整后的定子基础通过采取一定的措施现场与埋设基础焊接成一体。

     3.1.2 定子铁心

      定子铁心采用低损耗，无时效、优质冷轧高磁导率薄硅钢片叠压而成。在冲片两面均匀涂覆F 级绝缘漆。在定子铁心合适位置设有多道通风沟。

      定子铁心采用四片一叠，2/3 搭接叠片方式。定子铁心叠装工作在机座组圆后进行。这种整体结构的定子铁心无接缝，运行中的铁心振动小，无槽底错位，刚度、圆度、整体性好。

      定子铁心采用东芝传统的分块式上、下齿压板压紧结构，通过设置于铁心轭部的拉紧螺杆压紧，并依靠装于螺杆内径侧的鸽尾键定位。压指采用非磁性材料。这种压紧结构使铁心具有较高抗“翘曲”的强度。

     3.1.3 定子绕组

      定子绕组为双层条式波绕组、1 支路星形连接。绕组绝缘为F 级, 线棒主绝缘采用VPR 工艺。定子线棒采用槽内540°罗贝尔换位, 以降低附加损耗和均衡线棒股线间的温差。线棒的槽部、出槽口及弯曲过渡部分均作防晕处理。上、下层线圈端头采用连接片一体银焊的结构。

      为了防止发电机长期运行后定子线圈下沉，在定子线圈上端出槽口的斜边处，每隔一节矩设置一组线棒止沉块，止沉块支撑于上齿压板的压指上，并绑扎在线棒上。绕组端部用非磁性端箍固定。

     3.2 转子

      3.2.1 转子支架

      转子支架由于运输尺寸限制，采用2 分瓣把合式圆盘结构，由轮毂、上下圆盘、以及立筋组成。这种结构刚度大、加工精度高。中心体的所有焊接和加工均在厂内完成。

      转子支架通过螺栓固定在发电机大轴法兰上，并通过径向组合键传递扭矩。

      3.2.2 磁轭

      磁轭由高强度磁轭冲片在现场叠压而成，通过铰制螺栓把紧并传递冲片间的作用力。叠片采用3片一叠，一节矩搭接方式，用导向销定位导向，不需要在现场对磁轭进行铰孔。

     根据设计基准，整体磁轭采用浮动式结构，磁轭与中心体之间通过组合磁轭键周向楔紧，运行时能保证转子圆度并有效传递扭矩。

     3.2.3 磁极

      磁极铁心由1.6 mm 厚PCYH250 高强度专用磁极冲片叠成，通过螺杆压紧。

      磁极线圈由异形断面的半硬紫铜排绕制而成，具有散热面积大，散热效果好的特点。线圈匝间垫以Nomex 绝缘纸, 与铜排热压成一体。线圈与铁心间用绝缘板塞紧，对地绝缘可靠。磁极到现场后无需脱出线圈清扫即可直接挂装。

      磁极挂装时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。磁极线圈之间设置有可拆卸结构的挡风板。

      3.2.4 励磁绕组和阻尼绕组

      极间连接采用多层薄铜片制成的柔性连接片连接，用螺栓把紧，安装、拆卸和检修方便。该电站发电机飞逸转速390 r/min 非常高，通过计算确定极间连接必须进行固定，然而转子外径相对较小，磁极数量64 个。造成极间空间非常紧凑，采用常规的极间挡块或者托块方式无法布置。因此，上部极间连接片从定子侧引出至转子磁轭上，利用磁极压板焊接固定座进行连接，同时考虑连接片自身的离心力，在磁极线圈上设置支撑块对连接片进行固定，参见图3。

      下部极间连接片引出至磁极键压板位置，利用螺栓进行连接且磁极键压板做成特殊结构。参见图4。

      为了防止因振动和热位移而引起故障，阻尼绕组间采用柔性连接。其连接既牢固可靠，又便于检修拆卸。励磁引线由铜排制成, 固定在转子支架平面上,沿着上端轴接至集电环。

      3.3 发电机轴

      3.3.1 主轴

     主轴为锻件，轴身和推力头为一体结构。转子与大轴的联接采用径向组合键加联轴螺栓的结构。这种结构定位精度高，拆装方便。推力镜板为整体镜板，通过螺栓把合在推力头上。

      3.3.2 滑环轴

      滑环轴由无缝钢管和法兰焊接而成，通过螺栓把合在转子支架法兰上。

      3.4 轴承

      3.4.1 推力轴承

      推力轴承装于下机架中心体的油槽内。推力轴承承受水轮发电机组所有转动部件的重量和水推力构成的组合载荷。推力轴承由10 块扇形瓦组成，采用弹性金属塑料瓦+ 弹簧簇支承结构，支撑弹簧根据载荷分布、油膜形成的需要布置在推力瓦下的适当区域，使推力轴承具有自调节功能，推力瓦受力更加均匀，提高了推力轴承的运行稳定性。另外，采用多支点弹簧支撑方式，推力瓦的热变形和弹性变形方向相反，可以互相补偿，使推力瓦在运行过程中基本保持平面，有效提高了推力轴承的润滑性能和承载能力。弹性金属塑料推力瓦可以利用旋转推力轴承支撑座单独取出，对推力轴承进行就近或机坑外检修。

      不设高压油顶起装置。

      3.4.2 导轴承

     下导轴承采用分块、油浸式、自润滑、可调式弹性金属塑料瓦结构。通过调整螺栓即可方便调整轴承瓦与轴颈之间的间隙，瓦的背面有球面支承柱，径向力通过支承柱传到机架上。

     下导轴承与推力轴承共用同一油槽，由12块瓦组成，采用镜板泵+ 外置油冷却器冷却方式。油冷却器布置在机坑外，每台机2 只，其中1 只备用。

     3.5 机架

     3.5.1 上机架

     上机架为非负荷机架，承受转子径向机械不平衡力和因气隙不均产生的单边磁拉力的作用。由中心体和8 条支臂组成，原设机留用。

      3.5.2 下机架

      下机架由中心体和6 条支臂组成，其中4 条支臂在工厂与中心体焊为一体，另两条在工地与中心体通过螺栓把合成一体。各支臂通过螺栓固定在基础上。考虑到原设机推力轴承是支撑在水轮机顶盖上，下机架基础设计可能没有考虑整个推力负荷，因此，改修机下机架与水轮机盖板之间利用圆锥筒形支撑，将推力轴承支撑在水轮机盖板上。具体结构参见图2。由于改修机推力轴承设置在转子支架下方，而原设机推力轴承设置在水轮机轴上，结构区别较大，使得圆锥筒形支撑结构非常复杂，进行了专门的课题讨论和解析后最终确定了相关结构设计。在下机架的下部，设有钢密封隔板。由于下机架基础没有更新，因此现场测量数据时对下机架基础相关数据进行了详细测量，但是由于各种因素，测量数据存在一定误差，因此设计了特殊的连接厚板进行了调整，调整后的厚板与基础埋件现场焊接。

     3.6 风洞及机坑

      电站机组为半藏式结构，水轮机装于钢筋混凝土机坑内，发电机装于钢筋混凝土机坑上，外周设置封闭的圆形钢板罩，构成封闭的风道。圆形钢板罩原设机留用，在留用钢板罩上新设置一扇进入发电机层的进人门，以方便进出。

      3.7 集电装置

     滑环置于发电机滑环轴的上端。刷架固定于发电机顶罩上。刷架与滑环均在密封的风罩内，循环风路与发电机风室分开,以保证碳刷粉尘不污染定转子。

     3.8 附属设备

     3.8.1 通风、冷却系统

     通风冷却系统采用密闭双路径向无风扇自循环通风冷却系统。冷却风压由转子转动时的离心作用形成。风循环路径为：圆盘支架－磁轭－磁极－定子－空气冷却器－风道－圆盘支架。定子机座外装设8 只空气冷却器。

     原设机下部回路利用了混凝土风道进行通风循环，而改修机利用定子基础之间的空间进行通风循环，因此对混凝土风道采取了封堵措施。

     3.8.2 制动装置

     在下机架上设6 只双活塞油气腔分开、弹簧复位式制动器。每只制动器上设双接点行程开关，能反映制动器是否动作或全部复位。制动块采用非石棉聚合树脂材料，摩擦系数大，磨损率低，粉尘少，不污染环境。在制动器下层活塞下可送高压油以顶起转子。

      3.8.3 灭火装置

     定子两端装有灭火环管，灭火介质为CO2。线棒上、下端均安装线状火警探测器。当线圈温度达到150℃时自动声光报警，并指示过热位置。当温度达到200℃时再次报警，信号可接至停机回路和投CO2 灭火回路。

     3.8.4 其它

     改造后的机组还设有防潮装置，油雾收集装置，制动粉尘收集装置，轴电流防止及检测装置等。

4 结语

      该电站1 号机组已于2012 年6 月28 日完成一系列现场试验后，投入商业运行。机组各部温升和振动均满足合同要求，并有一定裕量。根据改修计划2号机组预计相隔一年后投入运行。该电站是东芝公司继韩国春川电站改修后的又一个成果，得到韩国客户的好评，为东芝公司在韩国后续改修项目的中标奠定了一定的基础。