公伯峡水电站水轮发电机组的结构特点及安装技术介绍

孙彦龙

【摘 要】 对于大、中型水电站水轮发电机组，不断降低制造成本、减少安装费用、缩短安装工期、保证机组的正常运行，是业主、设备制造商、施工单位共同的追求。水轮发电机组不同的结构特点影响着业主的投资成本、制造商的生产成本，决定着施工单位安装工艺的不同。本文将重点介绍在建的公伯峡水电站与已投入运行李家峡电站发电机组不同的结构特点及安装技术。

【关键词】 水轮发电机组  结构改进  安装技术

1 前言

公伯峡水电站位于青海省境内化隆县与循化县交界处的黄河干流上，电站枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、引水发电系统及泄水系统组成;机电工程主要分水轮机组、水轮发电机组及其附属设备、励磁、调速、主变压器等部分。电站主厂房内设计安装5台容量300MW的混流式水轮发电机组及其配套设备（参见表1）。电站总装机容量1500MW，保证出力492MW，年发电量51.4亿KW*h。发电机组设备由东方电机股份有限公司供货。1#～5#水轮发电机组已于2004年至2006年6月先后实现投产。黄河李家峡水电站设计安装5台400MW混流式水轮发电机组，Ⅰ期工程的1～4#机组已于1997年至1999年先后实现并网发电。

2 发电机定子

发电机定子结构特点有以下三个方面：

（1）分瓣机座的组合采用了精加工的合缝板，并且环板的焊接接头采用了搭接形式，易于控制机座在焊接过程中的变形。

李家峡水电站定子机座的组合方式是在环板接缝处安装定位组合块，环板的焊接接头通常采用对接焊的形式。具有这种结构形式的定子机座，由于其环板采用对接焊，要保证机座焊接后的关键尺寸，施工难度较大，对焊接工艺要求较高。尤其是机座下环板的圆度、半径及波浪度。这不但增加了控制机座焊接变形的难度，而且焊后还要求焊缝进行无损检验，增加了成本和施工工期。公伯峡水电站的发电机定子机座分6瓣在工地装配、焊接而成。机座组装后其下环板的设计半径为6370mm，高度为2165mm。分瓣机座的组合方式是在机座连接部位分内、外两侧采用了精加工的合缝板，合缝板用M30的螺栓把合，合缝板的结构形式易于保证机座组圆后的尺寸更接近设计值。机座环板的接头形式采用了搭接形式，在每层环板的连接处搭接一块鱼尾板，这种搭接形式便于焊接，不需背缝清根，可有效地减小机座因焊接而发生的变形。

（2）定位筋采用了活筋结构。传统的定子定位筋大都直接与托块焊接，托块又与机座环板直接焊接。具有这种定位筋固定形式的定子机座，主要有两大不利因素存在：其一，定位筋直接与托块焊接，焊后定位筋易发生扭曲或弯曲变形，施工难度较大，工作程序较为烦琐。其二，定位筋与定子机座直接焊接后，铁芯在径向受定位筋的拘束力较大，不利于铁芯在不同环境温度下和不同工作状态下沿径向浮动;另外，由于定位筋在各环板处分别与机座焊接，整个定位筋不能随环境温度的变化在自身全长范围内作相应的变化，相当于把定位筋分为几个小段，在每个小段内由于环境温度的不同，各小段将发生不同的变形，主要表现在变形的趋势及变形的程度上，影响铁芯的圆度及同轴度，进而影响发电机空气气隙的均匀程度、发电机组的运行状况。公伯峡水电站发电机定子的定位筋共90根，长度2100mm，材料型号：st52-3k，机械性能：Qs≥400Mpa，Qs=521 Mpa，δ=12%。其定位筋的安装方式采用活筋结构，固定定位筋的托块在机座出厂前已全部焊接在机座上，定位筋与托块不直接焊接，定位筋与托块沿径向有2mm的伸缩量。定位筋调整、焊接前先用小楔子与托块临时固定，待铁芯叠装后，热压试验及铁损试验结束后拆除小楔子。这样，定位筋沿径向和轴向都有足够的伸缩量，定位筋的这种固定形式，不但降低了安装难度，而且还可随铁芯的变化趋势做相应的伸缩，实际上减少了机座对铁芯的径向拘束力。

（3）铁芯设计为径向浮动式结构。以往的定子铁芯多数因定位筋与机座焊接，铁芯与机座连接的刚性较大，难以实现铁芯在不同工况下沿径向浮动。而公伯峡发电机定子因定位筋采用活筋结构，定位筋与托块之间沿径向有2mm的伸缩间隙，这就有效地解决了这一难题。

3 发电机转子

发电机转子结构上的突破点包括以下三个方面：

（1）转子支架与中心体腹板的焊接接头采用了塔接形式。传统的转子支架与中心体腹板的焊接接头较多采用对接接头，这种接头焊接后的主要缺点是焊缝收缩量较大，公伯峡1#机转子由4人对称施焊，由于各个焊工所在焊接过程中焊接工艺参数不完全相同，加上焊缝间隙不是完全均匀，难免会产生焊缝收缩量不均匀的情况。这些不良情况的出现将直接影响转子焊后主力筋的半径的偏小和不均匀，还会直接影响转子制动环板的径向水平、圆度以及制动环板工作面与中心体下法兰面的设计高度差。而公伯峡水电站发电机转子支架与中心体腹板的焊接接头采用了搭接的形式，减少了焊缝收缩量较大或不均匀的弊病，有效的控制了转子焊后的主要加工面的相对几何尺寸。

（2）转子支架与中心体翼板环缝与纵缝的交叉处采用了分散式的焊接接头。李家峡水电站发电机转子支架与中心体翼板环缝与纵缝的交叉处一般采用T型接头，这种接头的最大缺点是，整个转子焊接后的应力在T型处过于集中，不利于焊接应力的释放，转子在高速、长期运转过程中，T型处的焊缝最为薄弱，容易产生裂纹、甚至开裂等事故。而公伯峡转子在此部位结构做了重大改进，预留了一块“三角形”空挡，待其他焊缝都结束后最后焊接该部位，这种接头相当于将一个T型接头转变为3个T型接头，有效地分散了焊接应力过分集中。

（3）转子主力筋上设计了调节键。对于大型水轮发电机组，转子支架在工地组焊后发生的变形是再所难免的，如何消除转子支架焊后变形对磁轭叠装的影响，是我们探讨问题的关键。李家峡电站转子采用的是焊后在主力筋表面焊接腹立筋，腹立筋按等弦长焊接后，在工地利用立式铣床加工腹立筋表面，加工后腹立筋的垂直度、分布半径及相对弦长可以满足转子磁轭的叠装要求。但这种方法增加了一道铣立筋的工序，不仅需要一台大型立式铣床，增加了成本，而且铣立筋前对铣床的调整要求非常高，以免腹立筋加工后，出现半径、扭斜、及垂直度不合适而影响磁轭叠装的问题。而在公伯峡水电站，弥补转子焊后主力筋半径、垂直度的变化的方法是，在每个主力筋上横向加工了各加工7个键槽，每个键槽都配加工了1对调节键。在磁轭叠装过程中，利用调节键调整所对应的主力筋的半径及垂直度，来消除转子因焊接其主力筋半径及垂直度等所发生的变化。采用调节键来调整磁轭主键，可以有效地保证磁轭的叠装的质量。

4 发电机下机架及推力轴承

公伯峡水电站与李家峡水电站发电机下机架的结构基本相同，推力轴承均设计为弹簧油箱结构。主要不同之处是公伯峡采用的是推力内循环冷却方式，而李家峡采用的是推力外循环的形式。

5 发电机上机架

发电机上机架结构上的特点分为三个方面：

（1）支臂间采用了三角支撑的结构。李家峡水电站上机架采用螺旋式弹性支撑直接将支臂所承受的径向作用力沿同一方向传递到基础，但基础给机架会施加同样大小的反作用力，且力的方向正好相反，不利于机架所受径向力的分解。公伯峡水电站上机架采用的三角支撑结构最大的优点是将上机架所承受的一部分径向作用力分散到切向，可有效地减少机架的振动。

（2）上机架支墩采用法兰-套管式结构。李家峡上机架支墩采用的是钢支墩，利用这种钢支墩调整上机架的方法一般是加垫片或配刨，若加垫片使机架抬高，不能保证机架与支墩紧密结合，难免会增加机架的振动和摆度。若配刨支墩使机架降低，这将增加了安装费用、延长了工期。公伯峡解决这一问题的办法是，上机架支墩采用的是法兰-套管式结构，上机架调整合格后，根据各个支臂与定子机座的实际距离，确定套管的高度，这种方式简便易行。

（3）上盖板直接铺设在上机架支臂上，拆装简单。李家峡水电站机组的上盖板在工地现场拼装，现场钻孔、攻丝，施工工序烦琐，而且检修时上盖板的拆装比较麻烦。公伯峡水电站发电机上盖板设计为正8边形，内、外2圈各有8块厚度为70mm的梯形板直接拼装而成，无需螺栓连接，施工工艺简单，并且拆装方便。

6 结语

黄河公伯峡水电站与李家峡水电站这两个大型水电站，其水轮发电机组在结构上都属混流式水轮发电机组，但通过实际对比可以看出公伯峡水电站水轮发电机组在结构上有了明显的改进，特别是定子、转子等主要部件。这种改进降低了施工难度、缩短了安装工期、并增加了机组的运行效率。