公伯峽水電站水輪發電機組的結構特點及安裝技術介紹

孫彥龍

【摘 要】 對于大、中型水電站水輪發電機組，不斷降低制造成本、減少安裝費用、縮短安裝工期、保證機組的正常運行，是業主、設備制造商、施工單位共同的追求。水輪發電機組不同的結構特點影響著業主的投資成本、制造商的生產成本，決定著施工單位安裝工藝的不同。本文將重點介紹在建的公伯峽水電站與已投入運行李家峽電站發電機組不同的結構特點及安裝技術。

【關鍵詞】 水輪發電機組 ?結構改進 ?安裝技術

1 前言

公伯峽水電站位于青海省境內化隆縣與循化縣交界處的黃河干流上，電站樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、引水發電系統及泄水系統組成;機電工程主要分水輪機組、水輪發電機組及其附屬設備、勵磁、調速、主變壓器等部分。電站主廠房內設計安裝5臺容量300MW的混流式水輪發電機組及其配套設備（參見表1）。電站總裝機容量1500MW，保證出力492MW，年發電量51.4億KW*h。發電機組設備由東方電機股份有限公司供貨。1#～5#水輪發電機組已于2004年至2006年6月先后實現投產。黃河李家峽水電站設計安裝5臺400MW混流式水輪發電機組，Ⅰ期工程的1～4#機組已于1997年至1999年先后實現并網發電。

2 發電機定子

發電機定子結構特點有以下三個方面：

（1）分瓣機座的組合采用了精加工的合縫板，并且環板的焊接接頭采用了搭接形式，易于控制機座在焊接過程中的變形。

李家峽水電站定子機座的組合方式是在環板接縫處安裝定位組合塊，環板的焊接接頭通常采用對接焊的形式。具有這種結構形式的定子機座，由于其環板采用對接焊，要保證機座焊接后的關鍵尺寸，施工難度較大，對焊接工藝要求較高。尤其是機座下環板的圓度、半徑及波浪度。這不但增加了控制機座焊接變形的難度，而且焊后還要求焊縫進行無損檢驗，增加了成本和施工工期。公伯峽水電站的發電機定子機座分6瓣在工地裝配、焊接而成。機座組裝后其下環板的設計半徑為6370mm，高度為2165mm。分瓣機座的組合方式是在機座連接部位分內、外兩側采用了精加工的合縫板，合縫板用M30的螺栓把合，合縫板的結構形式易于保證機座組圓后的尺寸更接近設計值。機座環板的接頭形式采用了搭接形式，在每層環板的連接處搭接一塊魚尾板，這種搭接形式便于焊接，不需背縫清根，可有效地減小機座因焊接而發生的變形。

（2）定位筋采用了活筋結構。傳統的定子定位筋大都直接與托塊焊接，托塊又與機座環板直接焊接。具有這種定位筋固定形式的定子機座，主要有兩大不利因素存在：其一，定位筋直接與托塊焊接，焊后定位筋易發生扭曲或彎曲變形，施工難度較大，工作程序較為煩瑣。其二，定位筋與定子機座直接焊接后，鐵芯在徑向受定位筋的拘束力較大，不利于鐵芯在不同環境溫度下和不同工作狀態下沿徑向浮動;另外，由于定位筋在各環板處分別與機座焊接，整個定位筋不能隨環境溫度的變化在自身全長范圍內作相應的變化，相當于把定位筋分為幾個小段，在每個小段內由于環境溫度的不同，各小段將發生不同的變形，主要表現在變形的趨勢及變形的程度上，影響鐵芯的圓度及同軸度，進而影響發電機空氣氣隙的均勻程度、發電機組的運行狀況。公伯峽水電站發電機定子的定位筋共90根，長度2100mm，材料型號：st52-3k，機械性能：Qs≥400Mpa，Qs=521 Mpa，δ=12%。其定位筋的安裝方式采用活筋結構，固定定位筋的托塊在機座出廠前已全部焊接在機座上，定位筋與托塊不直接焊接，定位筋與托塊沿徑向有2mm的伸縮量。定位筋調整、焊接前先用小楔子與托塊臨時固定，待鐵芯疊裝后，熱壓試驗及鐵損試驗結束后拆除小楔子。這樣，定位筋沿徑向和軸向都有足夠的伸縮量，定位筋的這種固定形式，不但降低了安裝難度，而且還可隨鐵芯的變化趨勢做相應的伸縮，實際上減少了機座對鐵芯的徑向拘束力。

（3）鐵芯設計為徑向浮動式結構。以往的定子鐵芯多數因定位筋與機座焊接，鐵芯與機座連接的剛性較大，難以實現鐵芯在不同工況下沿徑向浮動。而公伯峽發電機定子因定位筋采用活筋結構，定位筋與托塊之間沿徑向有2mm的伸縮間隙，這就有效地解決了這一難題。

3 發電機轉子

發電機轉子結構上的突破點包括以下三個方面：

（1）轉子支架與中心體腹板的焊接接頭采用了塔接形式。傳統的轉子支架與中心體腹板的焊接接頭較多采用對接接頭，這種接頭焊接后的主要缺點是焊縫收縮量較大，公伯峽1#機轉子由4人對稱施焊，由于各個焊工所在焊接過程中焊接工藝參數不完全相同，加上焊縫間隙不是完全均勻，難免會產生焊縫收縮量不均勻的情況。這些不良情況的出現將直接影響轉子焊后主力筋的半徑的偏小和不均勻，還會直接影響轉子制動環板的徑向水平、圓度以及制動環板工作面與中心體下法蘭面的設計高度差。而公伯峽水電站發電機轉子支架與中心體腹板的焊接接頭采用了搭接的形式，減少了焊縫收縮量較大或不均勻的弊病，有效的控制了轉子焊后的主要加工面的相對幾何尺寸。

（2）轉子支架與中心體翼板環縫與縱縫的交叉處采用了分散式的焊接接頭。李家峽水電站發電機轉子支架與中心體翼板環縫與縱縫的交叉處一般采用T型接頭，這種接頭的最大缺點是，整個轉子焊接后的應力在T型處過于集中，不利于焊接應力的釋放，轉子在高速、長期運轉過程中，T型處的焊縫最為薄弱，容易產生裂紋、甚至開裂等事故。而公伯峽轉子在此部位結構做了重大改進，預留了一塊“三角形”空擋，待其他焊縫都結束后最后焊接該部位，這種接頭相當于將一個T型接頭轉變為3個T型接頭，有效地分散了焊接應力過分集中。

（3）轉子主力筋上設計了調節鍵。對于大型水輪發電機組，轉子支架在工地組焊后發生的變形是再所難免的，如何消除轉子支架焊后變形對磁軛疊裝的影響，是我們探討問題的關鍵。李家峽電站轉子采用的是焊后在主力筋表面焊接腹立筋，腹立筋按等弦長焊接后，在工地利用立式銑床加工腹立筋表面，加工后腹立筋的垂直度、分布半徑及相對弦長可以滿足轉子磁軛的疊裝要求。但這種方法增加了一道銑立筋的工序，不僅需要一臺大型立式銑床，增加了成本，而且銑立筋前對銑床的調整要求非常高，以免腹立筋加工后，出現半徑、扭斜、及垂直度不合適而影響磁軛疊裝的問題。而在公伯峽水電站，彌補轉子焊后主力筋半徑、垂直度的變化的方法是，在每個主力筋上橫向加工了各加工7個鍵槽，每個鍵槽都配加工了1對調節鍵。在磁軛疊裝過程中，利用調節鍵調整所對應的主力筋的半徑及垂直度，來消除轉子因焊接其主力筋半徑及垂直度等所發生的變化。采用調節鍵來調整磁軛主鍵，可以有效地保證磁軛的疊裝的質量。

4 發電機下機架及推力軸承

公伯峽水電站與李家峽水電站發電機下機架的結構基本相同，推力軸承均設計為彈簧油箱結構。主要不同之處是公伯峽采用的是推力內循環冷卻方式，而李家峽采用的是推力外循環的形式。

5 發電機上機架

發電機上機架結構上的特點分為三個方面：

（1）支臂間采用了三角支撐的結構。李家峽水電站上機架采用螺旋式彈性支撐直接將支臂所承受的徑向作用力沿同一方向傳遞到基礎，但基礎給機架會施加同樣大小的反作用力，且力的方向正好相反，不利于機架所受徑向力的分解。公伯峽水電站上機架采用的三角支撐結構最大的優點是將上機架所承受的一部分徑向作用力分散到切向，可有效地減少機架的振動。

（2）上機架支墩采用法蘭-套管式結構。李家峽上機架支墩采用的是鋼支墩，利用這種鋼支墩調整上機架的方法一般是加墊片或配刨，若加墊片使機架抬高，不能保證機架與支墩緊密結合，難免會增加機架的振動和擺度。若配刨支墩使機架降低，這將增加了安裝費用、延長了工期。公伯峽解決這一問題的辦法是，上機架支墩采用的是法蘭-套管式結構，上機架調整合格后，根據各個支臂與定子機座的實際距離，確定套管的高度，這種方式簡便易行。

（3）上蓋板直接鋪設在上機架支臂上，拆裝簡單。李家峽水電站機組的上蓋板在工地現場拼裝，現場鉆孔、攻絲，施工工序煩瑣，而且檢修時上蓋板的拆裝比較麻煩。公伯峽水電站發電機上蓋板設計為正8邊形，內、外2圈各有8塊厚度為70mm的梯形板直接拼裝而成，無需螺栓連接，施工工藝簡單，并且拆裝方便。

6 結語

黃河公伯峽水電站與李家峽水電站這兩個大型水電站，其水輪發電機組在結構上都屬混流式水輪發電機組，但通過實際對比可以看出公伯峽水電站水輪發電機組在結構上有了明顯的改進，特別是定子、轉子等主要部件。這種改進降低了施工難度、縮短了安裝工期、并增加了機組的運行效率。