發電機定子鐵心組裝工藝方法

馬金東

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

發電機定子鐵心組裝工藝方法

馬金東

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

通過對水電站發電機定子機座及定子鐵心結構和工藝進行詳細的介紹和分析，提出了采用浮動式發電機定子機座焊接、雙鴿尾定位筋快速安裝的工藝方法，并通過現場實踐，證明該方法屬于國內領先的工藝技術。

發電機；定子機座；定子鐵心；結構；工藝

0 引言

發電機定子是機組的關鍵部件,定子組裝質量決定了定子圓度、鐵心緊度等造成的振動的大小。本文通過定子機座和鐵心結構技術的研究，介紹了浮動式發電機定子機座焊接、雙鴿尾定位筋快速安裝的工藝方法，制定并形成了一整套科學、合理、有效的安裝程序和安裝工藝方法。

1 定子機座

定子機座由優質軋制鋼板焊接而成，其中一些核心部件如大齒壓板等，選用高等級的Q345材料；機座根據運輸的限制條件分成6瓣，在工地進行組圓。分瓣處環板需到工地焊接，預先在工廠加工好坡口，到工地后不再進行焊接坡口的機械加工。定子機座具備足夠的強度和必要的剛度，能承受定子繞組短路時產生的切向力和轉子半數磁極短路時產生的單向磁拉力；能承受在各種運行工況下所受的熱膨脹力、切向力及定子鐵心通過定位筋傳來的100Hz交變力等。定子機座具有支撐上機架及其附件的能力。

為了使定子機座能適應發電機運行期間產生的熱膨脹和收縮，防止定子鐵心產生瓢曲，定子機座與基礎板及上機架之間的連接結構設計成允許機座作徑向移動的浮動式結構。機座中的盒形筋主要是起承受和將力傳遞到機座支墩部分的作用。支墩安裝在基礎板上，在機座支墩與基礎板的結合面涂上穩定的潤滑劑以減小結合面的摩擦力，保證接觸部分摩擦力一致，從而確保機座在熱膨脹時沿圓周均勻膨脹，避免膨脹不均。基礎的固定螺栓僅保證軸向鎖定。機座徑向可以滑移，機座切向位置由鍵精確定位。基礎板上有徑向鍵槽，鍵與鍵槽配合，圓周方向間隙可由偏心銷來補償，這樣可以傳遞可能發生的、最危險工況時所產生的最大作用力或扭矩。該連接結構增加了機座的自由度，既有利于機座熱膨脹，也可有效地傳遞最大力矩，而且便于拆卸定子機座，對基礎板沒有影響。定子機座基礎板定位系統如圖1所示。

圖1 定子機座基礎板定位

定子機座下環板與定子鐵心的結合形式采用大齒壓板結構，以加強機座整體性和剛度，且便于工地安裝和調整。該下環板選用具有較好機械性能的Q345材料，有足夠的剛度，能承受鐵心和繞組重量；并與下支撐元件采用機械把合結構構成一個穩定的機械結構，與基礎板連接采用徑向鍵定位以適應機座熱膨脹時均勻浮動的要求。

2 定子鐵心

定子鐵心由高導磁率、低損耗、無時效的、優質冷軋薄硅鋼片疊成。每片扇形硅鋼片沖壓成形后，經去毛刺、磨光等工藝特殊處理后，并在兩面涂F級絕緣漆，形成完整的漆膜，以減少層間渦流損耗。每個扇形片的外圓側標有記號以便辨別正反面，扇形片易于在定子機座內疊裝，與定位筋的配合設計也方便安裝。疊片交錯重疊，以形成一個整體連續的鐵心。為了保證鐵心疊片的質量，采用分段及整體壓緊，并在磁化試驗后在常溫狀態再次壓緊的措施，即在分段及整體壓緊過程中，每隔一定的高度壓緊一次，用工具螺桿在齒部和軛部同時壓緊，待磁化試驗(即工頻渦流加熱作用)完成后，鐵心溫度降到常溫狀態時再次把緊。這樣可有效釋放定子沖片在裁剪、疊片以及其它工序過程中產生的應力，增加疊片的平整度；對提高疊壓系數、減少產生瓢曲的內在因素(應力)十分有效。

鐵心上、下兩段階梯采用F級環氧硅鋼片粘接膠粘成整體，以增強鐵心剛度，減少鐵心振動和降低端部附加損耗。鐵心壓緊方式采用液壓拉伸方式，鐵心的最終疊壓應力不小于1.9MPa，以保證鐵心疊片在運行期間不致松動且不傷及漆膜。壓緊系統設有優質的蝶型彈簧墊圈，能保持恒定、足夠的鐵心預緊壓力，保證鐵心在運行期間不致松動，確保在運行中鐵心沒有明顯的蜂鳴聲。上部齒壓板采用獨立的分塊壓板，以方便安裝和拆卸，大環板與機座焊接成一體以增強剛度，兩者均焊有壓指，如圖2所示。

圖2 鐵心壓緊示意圖

定子鐵心通過雙鴿尾形定位筋固定在機座上。定位筋和鐵心之間的結合，設計時考慮到允許定子鐵心的徑向熱膨脹，采用雙鴿尾筋定位是防止定子鐵心瓢曲的有力措施之一。雙鴿尾筋的突出優點是允許徑向自由位移，從而避免了因熱膨脹，以及事故狀態受熱不均的緣故在機座或鐵心里產生較大的內應力，防止定子鐵心產生瓢曲，保證鐵心的圓度和同心度，如圖3所示。

圖3 定子鐵心與機座固定結構(雙鴿尾筋)

定位筋與托塊、托塊與機座的焊接按承受發電機突然短路產生的切向力和磁拉力產生的徑向力同時作用時的剪應力設計。定子鐵心通風槽的布置，可使空氣流動順暢，鐵心冷卻均勻、高效和充分，并使風阻損耗最小。通風槽采用截面為工字形或矩形的非磁性鋼條隔成，入口通風槽鋼制成彎形以減少進口風阻，通風槽鋼能承受安裝和運行時所施加的壓力而不產生有害變形。通風槽的布置經通風計算確定，穩定運行時，配合通風系統可保證鐵心在圓周方向溫度分布均勻，如圖4所示。

圖4 定子通風槽布置

避免進相欠勵運行時鐵心端部過熱的措施

(1)所有鐵心壓指、固定定子繞組的端箍等都用非磁性材料制造，以減少漏磁；

(2)在結構設計時，根據端部漏磁發熱情況，確定定子鐵心端部臺階數及尺寸，以減少漏磁對端部的影響；并根據精確計算結果來確定定子端部鐵心齒部開窄深小槽的措施，以增加散熱面積、減少磁滯渦流損耗和鐵心發熱；

(3)定子上、下端部沖片采用粘結工藝，保證整體性，減少附加損耗，見圖5；

(4)通過調節轉子磁極極靴形狀來調節定轉子間氣隙，從而減少漏磁。

圖5 定子上下端部沖片采用粘結工藝

鐵心壓緊螺桿采用可靠絕緣的高強度微磁性低碳合金鋼制成，并配置性能優良的蝶形彈簧墊圈，保證壓緊系統具有恒定的彈性儲備，以維持機組運行冷熱交替時鐵心膨脹和收縮對鐵心疊片的壓緊力，防止鐵心長期運行后的松動。

3 發電機定子組裝工藝

3.1 定子參數

發電機定子由定子機座、定子鐵心及定子線圈組成。整體定子最大外徑16890mm，最大高度5535.5mm，定子鐵心高度3295mm，定子鐵心內徑13800mm，整體定子總重772.2t。

3.2 定子機座組裝

檢查和清掃組裝塊、定位塊、及基礎組裝面、基礎板等，并對焊縫坡口進行打磨。將分瓣定子機座按方位依次吊入組裝機坑進行組合。首瓣定子機座吊入后，放置在預先調平的支墩上，用導鏈、鋼絲繩將機座上部拉緊在風洞墻壁上的錨鉤及上機架基礎上，以防分瓣定子機座傾覆，然后調整其位置和水平。將分瓣定子機座利用把合塊和定位銷、螺栓組合成圓，并用力矩扳手緊固螺栓。用測圓架檢查定子機座調整情況和同心度，必要的話重新調整。

3.3 機座焊接

機座組合縫第1～8環坡口為單邊坡口，夾角為50°。焊接方法采用80%氬氣+20%CO2富氬混合氣體保護的短路過渡MAG焊，下環板焊接前應預熱至105℃～120℃，其余各環板不需加溫，但焊接件溫度不得低于10℃，上環板為異種鋼的焊縫處預熱到75℃左右。背部清根方法為氣刨清根，并對表面打磨處理。焊縫要求做100%PT和100%UT檢驗。

焊接結束后，用測圓架測量機座半徑和水平，機座焊接完成后進行，下壓指焊接。焊接完成后，進行定子機座下放與基礎板連接。

3.4 定位筋安裝及預疊片

裝配定位筋安裝采用大等分弦距的方法，先安裝和調整12根定位筋合格后，再以12根定位筋為基準進行192根定位筋的安裝，定位筋托板此時采用C型夾夾住。

在所有定位筋調整就位并用C型夾固定后，進行鐵心的模擬疊片。模擬疊片的目的是校正定位筋的垂直度和直線度。模擬疊片時，分別進行在鐵心的下、上、中部進行15mm的試疊片。疊片時注意沖片的正反面，應參照沖片側面的標記孔，使沖片的正面始終朝上，預疊片時采用正式疊片便準控制質量，預疊片結束前，檢查定位筋的半徑、弦距、扭斜應滿足質量要求。

預疊片結束后開始定位筋托板焊接，焊接采用氣保焊，由6名焊工對稱逐環焊接，托板兩側各焊3道，焊角尺寸8mm。焊縫要求100%PT檢查，焊后尺寸復測合格后對焊縫進行防腐處理。焊接驗收后，拆除預疊片。

3.5 定子鐵心疊裝

定子鐵心由沖片、通風槽片、定位筋、上下齒壓板、拉緊螺栓等零部件組成。在預疊片完成后，疊裝沖片并壓緊，裝壓過程中需保證其緊密度和圓度。保證定子鐵心的緊密度是為了防止由于機械振動、溫度變化及電磁綜合作用而引起的鐵心松動，并使鐵心保持一個規則的形狀而不發生嚴重的扇張現象。保證圓度能避免由于最終空氣間隙不均產生的電磁拉力不平衡而產生的振動。

VHS定子鐵心由110段小段和109層通風槽片組成，共分5次壓緊，192個M20的穿心壓緊螺栓，在鐵心與螺栓之間設有絕緣套管，以避免螺栓與鐵心之間的金屬相撞。碟形彈墊的采用，可防止發電機長期運行而引起的鐵心松動。疊片設計片間壓力為1.9Mpa。

按照圖紙疊階梯片，按定子鐵心裝配圖要求疊裝下端階梯片。以1#定位筋為起始位置開始逆時針疊片(第一張沖片正對1#定位筋)，層間錯開1/4張沖片，按圖紙疊裝順序完成下端階梯片的疊裝工作。下端階梯段每個梯度上部疊裝廠內粘接成型的短齒片，并且通風槽片反面疊裝，其接縫應和下面沖片的接縫一致。

當疊片高度30mm左右，每張沖片放2個槽樣棒和2個槽楔槽樣棒，槽樣棒、槽楔槽樣棒正對定位筋，槽樣棒、槽楔槽樣棒高出已疊沖片100mm。隨鐵心疊片高度提高，相應調整槽樣棒、槽楔槽樣棒高度，保證新疊沖片必須有槽樣棒、槽楔槽樣定位。

鐵心疊至805mm、1615mm、2395mm、3175mm左右高度時各預壓一次(根據實際測量預壓螺桿、預壓套管、墊圈、下齒壓板、機座大齒壓板、預壓螺母等高度，計算出鐵心每次預壓實際疊片段高度)，共預壓4次。

安裝預壓壓板，壓板的接縫位置要和最后一層沖片的接縫位置錯開。在兩塊壓板之間焊接連接板，以保證鐵心壓緊時，沿周向不會產生臺階。插入臨時預壓螺桿，安裝螺母和墊圈，螺桿螺紋部位和墊圈要涂抹二硫化鉬。

每次分段壓緊鐵心，將鐵心上部槽樣棒放入槽底。分段壓緊鐵心結束后，再將槽樣棒重新調整放在正常疊片位置。

每次預壓完成后，利用緊量刀具檢查壓緊度，并利用卷尺抽測部分點在最終壓力下壓緊兩遍總高度變化情況(一般不超過0.5mm)，檢查滿足設計要求后停止壓緊，否則，根據實際情況再次壓緊一遍，直至檢查合格。

預壓完成后，應測量全圓周每張沖片處背部、槽底、端部鐵心總高度，并計算下次壓緊前各段補償片情況，編制詳細的補償片加/減計劃表。同時測量鐵心內圓上部和下部圓度、半徑，共計96點，將各項數據做好記錄報檢驗收。驗收合格后，方可松壓。

驗收后分步松開預壓螺母，預壓螺母旋轉擰開不能超過3圈。用液壓力矩扳手松開預壓螺母分多次逐步進行，全部松開螺母一圈后，再進行第二圈松開螺母，多次循環直至全部預壓螺母松開。

鐵心疊片全部完成后，按圖紙安裝上齒壓板、穿心螺桿等鐵心永久設備。安裝蝶形彈簧時要注意蝶形彈簧的數量和方向。檢查上壓板上壓指的位置，要求壓指中心與沖片齒中心偏差不大于2.0，壓指齒端與沖片齒端徑向距離符合設計要求，并且整個壓指與鐵心完全接觸，如有必要進行調整。

蝶形彈簧的壓縮量設計為3.75mm，測量并記錄實際結果。擰緊時，蝶形彈簧組的高度要比套筒的有效高度高1～2mm。

全部檢查工作完成后，進行最終壓緊。最終壓緊通過檢查蝶形彈簧的高度或擰緊力矩來檢查鐵心是否壓緊。

3.6 定子磁化試驗

定子磁化試驗是利用專用的勵磁線圈，在鐵心內部形成交變的磁通，使鐵心產生渦流損耗，溫度升高，并利用測溫裝置測量鐵心各部溫升；同時利用低功率因數瓦特表測量勵磁損耗，計算定子鐵心單位重量的損耗。根據溫度測量結果判斷鐵心內部是否存在短接點。磁化試驗時纏繞的勵磁線圈的匝數按下式確定

式中，W—匝數；V—勵磁線圈施加的電壓，v；f—頻率，Hz；S—定子鐵心有效截面積，cm2；B—鐵心磁通密度，Gs。規程要求按1T計算。

式中，K—鐵心填充系數，取0.93；L1—鐵心總高度，cm；L2—通風溝高度，cm；n—通風溝層數；D1——鐵心外徑，cm；D2—鐵心內徑，cm；b—槽深，cm。磁化試驗時通入勵磁線圈的電流按下式計算

式中，I—電流，A；H—定子鐵心單位長度所需安匝數，安匝/cm。一般取1.4～1.9，對使用穿心式絕緣壓緊螺栓結構選用較大值。

定子磁化試驗參數為：勵磁電壓10kV，計算磁通密度1.0T，勵磁線圈匝數43匝，勵磁電流202.82A，試驗所需供電容量3688.42kVA，試驗時間1.5h。試驗判斷標準：鐵心最高溫升不大于25℃，鐵心最大溫差不大于15℃。定子磁化試驗結束后，最終壓緊螺栓并測量其絕緣值。

4 結語

通過對水電發電機定子機座以及對定子鐵心的結構研究，確定了一整套科學、合理、行之有效的安裝程序，此安裝程序目前屬于國內領先，為以后的此類產品提供了更好的經驗及實例驗證。

[1] 付元初，張曄. GB 8564—2003 水輪發電機組安裝技術規范.

[2] 劉平安，張曄.GB/T 7894—2009 水輪發電機基本技術條件.

[3] 李啟章.大型水輪發電機組的振動穩定性問題[J].湖北電力，2001.4.

[4] 張橋，曾洪富，唐益民.龍灘水電站1號機定子鐵心裝配及主要問題分析[J].水電站電機技術，2007(4),58-61.

Assembly Technology Method of Stator Core of Generator

MaJindong

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Through introducing and analyzing structure and technology of stator frame and stator core of generator in hydropower station, this paper proposes a fast assembly technology method of adopting the floating-type stator frame welding and double-dove tail positioning rib. Based on field practice, it is proved that this method belongs to a domestic leading technological one.

Generator；stator frame；stator iron core；structure；technology

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.16

TM305.1

B

1008-7281(2017)03-0051-005

馬金東 男 1982年生；畢業于南昌工程學院水電站動力設備專業，現從事大型水輪發電機組的安裝與指導工作.

2016-03-29