國內首例保留原磁軛直支臂更換為斜支臂轉子支架改造

王 維，秦亞軍，徐興友，唐衛東，曹 凱，朱 賽

(湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

本文針對湖北清江水布埡電廠3號機組水輪發電機轉子支架存在的強度偏弱、長期運行可能存在風險的問題，以保留原磁軛，更換轉子支架，將原轉子支架直支臂改造為斜支臂的方式對轉子進行改造，以確保轉子支架強度水平滿足機組的長期安全穩定運行需要，該項改造方式屬國內首次采用。

1 設備情況

1.1 設備基本情況

水布埡水電廠安裝有4臺單機容量460 MW立軸半傘式結構水輪發電機組，發電機轉子外徑為10 959 mm，高度為3 120 mm，重量為870 t。

原轉子支架為直支臂結構，包括中心體和外環組件，轉子支架和磁軛之間采用徑、切向鍵分開的結構。其中徑向鍵為彈性鍵，與轉子支臂配合；傳遞扭矩的切向主鍵與上下環板配合。磁軛采用兩段結構，在安裝時熱套在轉子支架上，以滿足1.15倍額定轉速的分離轉速下不分離[1-3]。

1.2 存在隱患

3號機組于2008年投入運行，每年兩次對轉子變形情況進行了測量，在機組投入運行的前三年，先后發現10個轉子支臂發生垂直度最小為0.5 mm，最大1.64 mm的不等量塑性變形；轉子支架上圓盤波浪變形最大達到60 mm；切向主鍵與磁軛徑向間隙平均值從初始值6 mm增加到10 mm，說明一對切向主鍵的配合面各變小，傳遞扭矩能力變弱，磁軛在運行時浮動后并未完全恢復到原始狀態。

2010年上半年起，測量發現以上數據逐步穩定，分析為近幾年在轉子自身約束下，沒有出現惡化情況。

2012年4月，發現與10個彈性鍵相配合的墊板中有6個從轉子上平面上竄，高度最高至8 mm。

以上現象說明轉子存在強度偏弱的可能性，機組長期運行存在一定的風險。

1.3 改造分析

1.3.1 對轉子支架強度的分析

對通過對原轉子直支臂結構分離轉速按1.15倍額定轉速計算并進行有限元分析計算，結果如下：

1)靜止工況(過速前)

2)靜止工況(過速后)

3)額定工況

4)飛逸工況

σv,max=252.21 MPa<[σ]=σs1=325 MPa

通過對原轉子直支臂結構分離轉速按1.4倍額定轉速計算并進行有限元分析計算，結果如下：

1)靜止工況(過速前)

2)額定工況

3)飛逸工況

σv,max=239.84 MPa<[σ]=σs=216.67 MPa

應力最大值：434.25 MPa，位于立筋與打鍵交接處。

通過對擬用斜支臂結構分離轉速按1.4倍額定轉速計算并進行有限元分析計算，結果如下：

1)靜止工況(過速前/打鍵工況/過速后)

2)額定工況

3)飛逸工況

σv,max=305.94 MPa<[σ]=σs1=325 MPa

4)甩負荷工況

σv,max=185.35 MPa<[σ]=σs1=325 MPa

正常運行工況的最大綜合應力不應大于屈服極限的2/3，故障工況的最大綜合應力不應大于屈服極限。

1.3.2 失穩分析

機組運行10年來上圓盤已有明顯變形，對失穩進行計算可以看出原結構轉子支架上圓盤翹曲安全系數為2.56。該系數較低，會引起上圓盤失穩變形，見圖1。

圖1 原結構翹曲示意圖

為解決上圓盤翹曲變形問題，提高轉子支架剛強度和翹曲安全系數，將支架外環組件直支臂改為斜支臂進行了計算，新結構翹曲圖見圖2和圖3。

圖2 第一階翹曲形式-上圓盤翹曲

圖3 第二階翹曲形式-上圓盤翹曲

斜支臂方案第一階翹曲形式位于主立筋，翹曲系數為6.8>5.0, 滿足翹曲穩定性要求。第二階翹曲形式位于上圓盤，翹曲系數為7.5>5.0，計算表明，如將直支臂改為斜支臂，可滿足翹曲穩定性要求。

1.3.3 分析結論

隨著機組運行之初圓盤內應力逐漸釋放，上圓盤出現局部波浪變形，經過一段時間已趨于穩定，暫時不會影響運行。但仍有以下問題：

1)原直支臂結構分離轉速按1.15倍和1.4倍額定轉速計算，靜止工況、額定工況下原直支臂結構最大應力均超材料許用應力(Q345B)，導致上下環板在這兩種常用工況下，局部受磁軛熱套力和切向力偏大，轉子支架發生變形、彈性鍵受力減小，轉子產生不可控的塑性變形。

2)水布埡電廠系華中電網骨干調峰電廠，機組啟停頻繁，在此過程中加劇了疲勞破壞。

3)原轉子支架立筋數量為10個，使圓盤支架兩腹板之間的跨度略大，容易出現梅花瓣變形，對機組的低頻振動帶來不利影響。

4)原立筋在廠內加工，轉子支架工地組焊好后靠多對調節鍵調整大立筋與磁軛鍵的接觸面，該結構為三峽引進的調節鍵加彈性鍵的磁軛主鍵結構，雖然安裝簡潔方便，但是立筋與主鍵無法充分接觸，使局部區域的緊量達不到設計要求。

5)根據同類機組的實際運用情況，原轉子支架中心體圓筒壁較薄、上環板和支臂較薄、剛度較弱。

以上因素可能導致機組在長期運行或多次出現甩負荷等工況之后，轉子產生嚴重缺陷，導致發電機轉子波浪度超標、定轉子空氣間隙變小、導軸承擺度增大等問題，因而對轉子進行改造。

2 改造情況介紹

2.1 改造簡介

水布埡電廠于2019年9月開始對3號機轉子改造，此次改造采用將原磁軛整體加熱脫出，更換轉子中心體，將10個直支臂的外環組件更換為20個斜支臂的外環組件，再將原磁軛整體與轉子支架熱套裝回的方案，轉子外環組件共分4瓣，每瓣由上圓盤、下圓盤、制動環和5個斜支臂組成，其中上、下圓盤和支臂厚50 mm，制動環厚70 mm，外環組件與轉子支架中心體圓筒在工地焊接成整體，焊接后，根據實測尺寸通過配刨副立筋的方式保證鍵槽的徑向、弦距尺寸以滿足后續安裝要求。磁軛熱套前焊接副立筋。原轉子結構和優化后的轉子結構如圖4、圖5所示。

圖4 原轉子支架圖

圖5 優化后轉子支架圖

詳細內容如下：

1)立筋數由原有的10根增加至20根，磁軛主鍵數目也相應增加至20根，切向主鍵由20處減少為10處，加強鍵不變；

2)扇形支臂增加中間環板；

3)立筋調圓由原有的調節鍵方式更改為現場加工，主鍵形式為彈性鍵加一對硬鍵的組合方式；

4)轉子解體方式：不拆磁軛，而是在拔鍵后將扇形支臂吊出磁軛圈。

改造后的轉子支架剛強度進一步提高，立筋采用工地加工工藝，有助于提高磁軛鍵與立筋的接觸面，改善轉子支架與磁軛鍵之間配合，使徑向受力更好，從而使機組穩定性更高。

2.2 轉子改造主要工藝流程

傳統的發電機組對轉子支架改造，必須要經過以下幾個主要工藝步驟：拆除磁極→整體吊出磁軛→工地組焊轉子支架→重新疊裝磁軛→掛裝磁極。

水布埡電廠3號機組轉子支架改造主要工藝步驟為：拆除磁極→熱拔轉子支架與磁軛彈性鍵→保留整體磁軛，轉子支架整體吊出→工地組焊轉子支架→轉子支架吊裝熱套整體磁軛內→掛裝磁極。其中，新的轉子支架改造工藝采用新轉子與舊磁軛整體熱套避免了拆除和重疊舊磁軛，見圖6，節省了將近3個月的工期以及大量人力成本，這種工藝在國內屬首次[4]。

圖6 新轉子與舊整體磁軛套裝

2.3 轉子支架與磁軛組裝中心定位方式

傳統轉子安裝是先在工地焊接轉子支架，通過轉子支架主立筋定位磁軛，使轉子支架與磁軛中心滿足設計要求。

本次改造保持整體磁軛不動，通過磁軛反向定位新轉子支架中心，為避免磁軛變形，現場無法采用將轉子支架套入磁軛后再利用磁軛作為支點調整中心的工藝。所以需在套裝的同時完成同心度調整定位，這種轉子支架與磁軛中心調整工藝在國內也是首次。

為保證同心度，此次改造專門制作了4套高精度對楔結構的復位工具，在套裝前先根據磁軛內鍵槽至中心的測量尺寸和轉子支架副立筋鍵槽至中心的測量尺寸計算出磁軛內鍵槽與轉子支架副立筋鍵槽的徑向實際尺寸[4]，根據計算值分別調整4套復位工具的厚度，并在試吊轉子支架上做好對應標記。在轉子支架將要落入磁軛中時，每隔一個副立筋使用木方進行引導，使轉子支架落入磁軛中并緩慢下降。待轉子支架下圓盤距中心體支墩上平面5～10 mm時停止下落，將轉子支架復位工具按做好的標記插入對應的磁軛凸鍵鍵槽中，同時調整副立筋鍵槽與磁軛鍵槽切向對稱性，調整合格后繼續下落轉子支架，直至轉子支架完全落在中心體支墩上。

2.4 磁軛與轉子支架連接方式

原磁軛直接落在轉子支架下環板上，再通過10根彈性鍵以熱打鍵方式與轉子支架連接。

此次3號發電機轉子改造將轉子支架套入磁軛后，在主力筋掛鉤處塞入卡鍵、護板和卡板，如圖7所示。

圖7 新轉子與磁軛固定件結構

再在轉子支架副立筋和磁軛鍵槽內用20根凸鍵熱加墊連接。這種磁軛與轉子支架連接方式，使轉子支架能夠承受較大在徑向緊量，保證機組在1.4倍額定轉速下運行時，磁軛與轉子支架之間不發生分離，從根本上解決了彈性鍵上竄的問題。

3 結 語

此次水布埡電廠3號機組改造將水輪發電機轉子支架直支臂結構改造為斜支臂結構，經計算，與舊轉子相比，新轉子整體和局部強度應力計算值均在允許范圍內，新結構的20個斜支臂與中心體焊接成整體，磁軛在熱膨脹、離心力下斜支臂有良好的回彈性，可以維持定子與轉子的同心度。相比較于原結構的直支臂，斜支臂方案的翹曲系數更大，滿足翹曲穩定性要求，能夠有效保證機組長時間的安全穩定運行。

機組通過各工況的穩定性試驗、過速試驗、甩負荷試驗及72 h試運行，各項參數指標在標準范圍內，可以長期穩定運行。