空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具優化設計

金曉華

（南京汽輪電機（集團）有限責任公司，南京 210037）

轉子線圈端部結構烘壓固化成形是一種轉子線圈裝配成形固化方式。常規烘壓工裝有6片分瓣瓦形塊，呈圓周分布組成一個整圓。它的內圓與轉子線圈端部外圓尺寸相同。每個瓦形塊上有一個支壓環。支壓環上安裝有與分瓣瓦形塊位置相對應的徑向支壓螺栓。使用時分步將分瓣瓦形塊依次放置在覆蓋了一層絕緣材料的轉子線圈端部，然后用支壓環上的支壓螺栓依次初步固定支壓瓦形塊。轉子線圈通直流電進行加熱軟化后，再依次支壓瓦形塊。支壓時測量瓦形塊位置，當測量尺寸達到預期要求時，完成烘壓固化成形。常規烘壓工裝的安裝操作勞動強度大、尺寸測量不方便、精度無法保證且成形效果不理想，無法滿足產品對尺寸精度和形位公差的要求，難以保證產品質量，容易出現重大質量事故[1]。因此，對烘壓工具進行優化設計十分必要。

1 空內冷發電機轉子線圈端部結構和成形工藝

從結構特點分析，空內冷發電機轉子線圈由轉子銅排、絕緣結構以及冷卻風道等結構單元組成。大型空內冷發電機轉子線圈分2極，每極7組或8組線圈，每組有20層以上的轉子銅排。在制造過程中，各制造廠會根據大型空內冷發電機轉子的結構特點和專用設備情況，采用符合自身情況的工藝。下面分析一種制造成本較低的線圈下線和端部成形工藝。線圈下線采用單片下線方式，端部手工彎形，設計轉子銅排實配成形工具，用于在操作空間受限的發電機轉子上進行轉子銅排實配成形，解決半硬銅排實配成形困難的問題[2]。實配成形操作時，成形工具的彎頭和轉子銅排之間只有靜壓力和摩擦力，可避免因為敲打的沖擊力使轉子線圈絕緣受損。轉子銅排在轉子端部實配成形后，采用支壓工具壓緊在嵌線槽內，完成兩半轉子銅排的焊接，逐片逐層直至完成全部轉子線圈端部結構的烘壓前成形。

2 端部結構烘壓工具優化設計的意義

2.1 優化設計的目的

大型空內冷發電機轉子因為結構尺寸大，各部分結構在運行時的相對位置變化較大。線圈端部結構對烘壓固化的要求非常高，而常規烘壓工裝存在諸多問題，在生產過程中容易出現誤差過大等問題。為了提高空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具的精確性和可靠性，需要對其進行必要的改進設計。依據多年車間生產經驗，結合機械設計理論等知識，設計能在瓦形塊前端伸出定位柱定位轉子本體外圓的工具，具有定位精度高和不需要測量尺寸等優點[3]。同時，工具需注意避免干涉定位柱的分布結構。

2.2 優化設計的必要性

運行時，空內冷發電機轉子本體、轉子銅排和絕緣結構的溫升各不相同。各部分材料熱脹系數不同，在啟停情況下，各結構之間相對位置變化很大。此時，轉子線圈端部結構的穩定性至關重要。針對350 MW等級的大型空內冷發電機的設計制造，需要對轉子生產過程和組裝工藝進行必要的優化與改進，以生產出結構穩定、性能優良的發電機轉子。常規烘壓工裝的安裝操作和尺寸測量不方便，無法保證結構精度，因此有必要對空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具進行優化設計。

3 空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具優化設計

3.1 烘壓工具的構成和作用

以老式空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具為研究對象進行相關闡述。為了更好地實現對烘壓工具的優化設計，需要熟悉烘壓工具各部分的構成和作用。烘壓工具有8片分瓣瓦形塊，呈圓周分布組成一個整圓，其內圓與轉子線圈端部外圓尺寸相同。每片瓦形塊每端都有兩個定位柱，一端定位至轉子本體，另一端定位至一個定位環部件。定位環部件上設計了一套支撐結構，能保證定位環部件的位置精度。定位柱和定位環部件能實現瓦形塊支壓位置的精確定位。烘壓工具主要用于發電機轉子線圈端部結構烘壓固化成形，要求能有效保證烘壓固化的尺寸精度和形位公差，且要求操作方便。

3.2 轉子線圈端部結構烘壓工具優化設計技術方案

為了保證轉子線圈端部結構的精密性，不僅需將烘壓工具的誤差控制在允許范圍內，還要確保烘壓工具不會出現上下方向和前后方向的位移偏差。鑒于此，定位環部件與支壓環組合成了一個可按軸向移動的組合體。優化設計后的烘壓工具能夠保證轉子線圈端部結構烘壓固化的尺寸精度和形位公差，確保大型空內冷發電機轉子的產品質量。轉子線圈端部結構烘壓工具各零部件組合成可一次吊裝的組合體，使用時操作方便。定位環部件上設計了一套支撐結構，能保證定位環部件的位置精度。定位柱和定位環部件能實現瓦形塊支壓位置的精確定位。烘壓工具與轉子線圈有接觸部分使用絕緣結構，確保其安全可靠[4]。改進后烘壓工具使用狀態的結構示意圖，如圖1所示。

圖1 改進后烘壓工具使用狀態的結構

3.3 改進后烘壓工具的特點

經過優化設計后的烘壓工具有一整套定位結構，實現了瓦形塊與轉子之間的精準定位，省去了測量瓦形塊位置的大量操作。作為一種優化改進，瓦形塊前端伸出的定位柱可定位到轉子本體外圓。定位柱的分布結構避免了互相干涉，且定位精度高，不需要測量尺寸。瓦形塊尾端伸出的定位柱可定位到定位環部件。定位柱的分布從定位環部件的缺口穿過定位到鋼環外圓上，并且可以通過觀察孔確認支壓位置。此外，瓦形塊與支壓環通過螺桿結構連接成一個可徑向移動的組合體。定位環部件與支壓環通過卡環及固定塊連接成一個可軸向移動的組合體，省去了分步安裝的操作。瓦形塊和定位環部件有絕緣結構，能夠保證轉子線圈通電加熱時的可靠性和安全性。定位環部件上有一套支撐結構，可精確調整定位環部件的位置。支撐結構上的支撐桿有位置刻線，能夠準確反映位置誤差。通過在支壓環上設計一套支撐板，可實現轉子線圈前端與轉子的初步定位。此外，支撐塊可實現尾端與轉子的初步定位，給使用者提供了便利。支壓螺栓設計成特殊結構，從支點至方頭分別是球形支點、卡位螺紋、讓位槽、工作螺紋、退刀槽和方頭，且配有保護套。保護套和支壓螺栓能相對轉動，但無法軸向脫離，具有方便、耐用及安全的特點。支壓螺栓和支壓環之間有齒套。支壓環組件結構和定位環支撐結構如圖2和圖3所示。

圖2 支壓環組件結構

圖3 定位環支撐結構

4 空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具工作方式

為了便于掌握空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具的具體工作方式，進行如下說明。支撐塊主要用于實現尾端的初步定位。各單元之間通過螺栓連接的方式固定，方便拆卸，可靠性較高，且設計了拉緊螺栓結構，可實現軸向拉壓功能。定位環部件是實現尾端精確定位、尾端各零部件有序組合、軸向拉壓和整體支撐承重的關鍵零部件。卡環用于實現定位環部件和支壓圈的有序組合。分瓣瓦形塊的外部是支壓環和用于徑向支壓螺栓的零件。支撐板用于前端初步定位。瓦形塊的鋼筋結構加強了其耐磨性。絕緣結構可以保證瓦形塊和轉子線圈相互絕緣。

5 空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具優化效果

通過在空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具安裝定位環，可以方便不同的零部件之間進行組合，有利于將支壓環、卡環和定位環部件組合成一個有序組合體。分瓣瓦形塊也可以進行組合，依次將分瓣瓦形塊安裝至定位環上，再安裝支撐板和支撐塊，即可完成組裝。在空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具使用時，待烘壓轉子處于本體中部支撐承重兩端懸空的狀態時，暫時拆下支撐塊，分別在汽勵端轉子線圈端部位置吊裝一套部件，其中前端裝支撐板進行初步定位，尾端裝支撐塊進行初步定位。要求全部支撐桿上的刻線位置調整至同刻度。初步預緊分瓣瓦形塊，然后轉子線圈通直流電進行加熱軟化，軸向拉緊到位，分別逐漸支壓瓦形塊。前端定位柱靠上轉子本體外圓，尾端定位柱靠上定位環部件的鋼環，即可完成烘壓操作。優化設計完成之后的空內冷發電機轉子線圈端部結構烘壓工具使用方法簡單易掌握、方便耐用、安全可靠、能有效保證烘壓固化的尺寸精度和形位公差。

6 結語

綜上所述，烘壓工具對空內冷發電機轉子線圈端部結構具有重要影響。文章設計的烘壓工具在瓦形塊前端伸出的定位柱可定位到轉子本體外圓，而定位柱的分布結構避免了其相互干涉。瓦形塊尾端伸出的定位柱可定位到定位環部件，具有定位精度高、不需要測量尺寸以及操作方便等優勢。