660MW汽轮发电机定子运输相关设计改进

梁洪涛赵永昌刘庆河曹凤波安志华兰 波牟 松朱红雷柴冠英



660MW汽轮发电机定子运输相关设计改进

梁洪涛1，赵永昌1，刘庆河1，曹凤波1，安志华1，2，兰 波1，牟 松1，朱红雷1，柴冠英1

（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；2.水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

为解决铁路提速改造后部分地区600MW级发电机定子运输受阻问题，HEC再次对既有的600MW级发电机进行设计改进，以降低定子运输超限程度。设计研究包括自承载运输的承载结构、运输限界条件、发电机通风设计及结构设计。采用有限元分析进行发电机运行工况及运输过程分析计算。经实践验证发电机设计达到预期要求，运行可靠；定子运输过程限界安全距离满足要求，结构安全系数达到相关要求。设计研究得出定子铁心径向多路通风结构的机座采取外覆集中送、回风通道的结构，能够满足定子各风区的风量分布要求等结论。

汽轮发电机；设计改进；铁路运输

0 前言

伴随着发电机容量的增大，运输问题的瓶颈效应愈发明显[1, 2, 3]，该问题作为限制条件，制约汽轮发电机的设计；解决运输问题的前提是妥协于既有通行线路的限界条件以及道桥活载荷条件。哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称HEC）80年代后期引进美国西屋公司技术，联合设计制造600MW汽轮发电机，首台发电机于1987年产成，后续机型即为改进型产品，其中改进的主要原因之一就是受国内定子运输条件的限制[4，5、6]。基于同样原因，引进东芝制造技术生产的1000MW发电机在首台产品尚未产成情况下，即着手酝酿针对解决定子运输问题的设计改进[7]。瓶颈限制条件下，发电机定子的外廓尺寸及重量受到限制或给出限定值，成为电磁方案及结构设计的否定条件，成熟的设计方法与结构不再适用。对于运输承载结构及钳夹车运输发电机定子所必须的运输联接工具的设计，则面临更加严峻的问题，减重与结构刚强度及安全系数的矛盾难以权衡。最终是发电机设计、运输联接工具设计、钳夹车设计相互协调，相互妥协[8、9]。

铁路提速改造后，运输限制条件再次发生变化。受自然条件限制，贵州地区部分干线铁路仍为单线，隧道多、桥梁多、小曲线多；提速改造进行外轨超高以及曲线缓和调整，隧道限界尺寸进一步减小。600MW级发电机定子运输重车（装载超重超限货物后的车辆）在部分曲线隧道内通行时，定子与向心侧隧道侧壁安全距离不能满足行车要求，使该地区发电机定子运输的唯一途径受阻。

采取线路临时改造措施实施运输需要付出高额代价，如贵州桐梓2X660MW项目，线路临时改造与恢复发生费用远远超出制造厂预期，运输问题协调与实施耗时冗长，耽搁电厂整个项目的投入产出，临时改造及恢复工程延续数月，对铁路行车秩序及运能产生很大影响，造成经济损失，带来安全隐患。

1 技术目标

适应铁路运输设施现状是对设计改进提出的基本要求，无论从质量控制、成本控制还从用户的接受程度方面考虑，最大限度运用原有结构则是基本原则。新结构的设计还要充分考虑运用现有加工设备及工艺装备及工艺方法，这对于降本增效、缩短生产准备周期以及保证产品质量同样是至关重要的。

车辆运用条件也有新的要求，要求能够方便运用现有的D38型和DQ35型钳夹车。DQ35型钳夹车是后期开发的车辆，自重较轻，装载HEC以往的660MW发电机定子后，重车合成重心较高，根据该车运用技术条件，最高运行限速只能达到30km/h，造成运输专列占用运行区间行车时间过长，运用不便。要求将重车最高运行限速提高到与D38相同，即40km/h。

针对以往运用的挂货钩不便于安装调整以及存在结构应力集中安全隐患等问题[10、11]，铁路运输部门提出运输承载方案参考HEC改进型1000MW发电机定子采用的端盖形式的连接结构的建议，同时提出简化操作、取消拉杆结构和提高结构安全系数的要求[12、13]。

2 运输承载方案及联接工具

重车横断面限界特征由发电机定子机座本体横截面形状尺寸及装车后发电机中心距轨面高度共同决定。依据贵州桐梓项目限界检测数据分析，限界安全距离不足区域出现在定子机座吊攀上部区域。为此将定子机座本体直径由原本的4000mm减小到3800mm，并将发电机中心距轨面高度由2715mm降低到2565 mm。由此可以将限界最紧张区域的接近距离增大约160 mm，满足行车安全要求；也使重车合成重心有所降低，使用DQ35型钳夹车运输时限速可以达到40km/h。

运输联接工具采用运输端盖结构，接口参数依据现有车辆及新机座结构接口参数设计，并采取结构改进措施降低或消除应力集中问题，提高结构安全裕度。运输端盖与定子机座的联接螺栓孔除利用产品端盖把合螺孔之外，又设置一圈专门用于运输联接用螺孔，其螺孔分布节圆较前者更大。在两圈螺孔之间设置了环状加强筋，与采用封闭箱梁结构的“目”字形加强框架相结合，耳板底部也设置了横向均载连接板，使运输端盖在纵向刚度较以往结构大幅度提高，传力路径更直接连续。既消除了以往普遍存在的结构应力集中现象，也使联接螺栓应力分布均匀合理，整体结构安全系数普遍提高。由于设计方案没有采用拉杆辅助结构，装拆调整及应力监测工序得到大幅度简化。

3 发电机定子及运输相关设计

发电机基本电磁结构、内冷水系统、铁心减振结构等保持原有设计，变动限于定子通风结构、定子机座及其它相关结构。

3.1 发电机定子通风结构

机座本体直径减小直接影响到发电机定子的通风系统。转子气隙取气结合定子铁心径向多路通风是目前国内600MW级汽轮发电机的主流通风冷却方式，具有定、转子温升分布均匀的优点，无需轴向通风的高压头多级风扇，结构及安装调整相对简单，运行可靠[14，15]。HEC的600MW级汽轮发电机即采用这种通风冷却系统。由于定子铁心维持原有尺寸，定子机座本体直径由原本的4000mm减小到3800mm，铁心背部通风空间的径向尺寸需要减小100 mm，等比例缩小定子机座内的通风路径会使通风风速提高，风阻增大，定子各风区的风量分布受到影响。定子机座结构焊接工艺空间也会受到影响。

受弹簧板结构的影响，以往的600MW级汽轮发电机的定子机座通风空间并不宽裕，并且影响到各风区的风量分布，造成部分风区温升过高问题，为此曾进行过弹簧板结构的调整。比例压缩机座结构方案是不可行的，为此参考改进型1000MW发电机定子通风方案，取消铁心背部轴向通风管，采取外覆轴向通风道的结构；采用集中送、回风通道替代原结构的分区单独送、回风通道。具体结构尺寸参考通风分析计算结果进行优化调整，保证机座内各通风道风速不超过20m/s，充分权衡定子各风区的风量分布。

3.2 发电机定子机座及隔振结构

受外轨超高的影响，重车曲线运行时产生向心内倾，以往的660MW发电机定子地脚部位的安全距离仍符合行车要求，所以发电机地脚宽度尺寸仍维持原设计，使发电机座板布置以及基础接口参数保持不变，也使得弹簧板座板部位中性半径基本维持原设计数据，弹簧板系统结构参数可以保持不变，避免产生设计变动带来结构工艺问题[16、17]。经分析计算，机座水平方向隔振系数为18.5，垂直方向隔振系数为10.6，隔振系数满足要求。

机座本体直径变化直接影响到机座的振动频率，机座的自振频率是关键控制项目。根据相关标准，椭圆振型频率应避开80 -120Hz,范围，设计过程进行了优化调整，根据有限元分析计算，改进型定子机座的固有频率见表1，实际运行验证效果良好。

表1 机座固有频率列表

由于定子机座的结构特征不同于以往结构，为此利用有限元分析方法分析计算新结构定子机座结构在多种运行工况下结构刚强度。计算结果表明，新结构定子机座能够满足发电机运行要求，见表2。

表2 机座固有刚强度计算结果

3.3 定子机座运输相关接口设计

由于运输承载方案需兼顾新的限界特征及现有钳夹车的联接参数，如果按照传统的设计，运输端盖仅与定子机座本体联接，则会造成运输承载结构应力集中问题，所以设置了运输端盖与出线盒法兰座侧面及冷却器罩法兰座侧面两个辅助连接面，使钳夹力能够得到合理的扩散路径。为提高联接整体性，除使用发电机端盖螺栓孔外，另行设置一圈联接螺栓孔，每个运输端盖与机座端面有140个M39联接螺栓。运输端盖与出线盒法兰座侧面的辅助连接面设置28个M48联接螺栓，运输端盖与冷却器罩法兰座侧面的辅助连接面只传递压力，没有设置联接螺栓。

3.4 运输过程安全相关分析

为保证分析计算准确，运输工具与发电机定子组合建模，进行有限元分析计算。利用HYPERMESH软件建立定子机座以及运输端盖、联接螺栓等有限元模型，应用ANSYS有限元软件进行应力和变形分析。运输端盖与机座之间的接触位置以及钳夹车销轴与运输端盖耳孔之间设为接触面，并定义了面-面接触单元对，模型中共包含4个接触对。

应用有限元建模分析计算，对发电机定子以及运输端盖结构进行了结构优化改进，结合联接螺栓数量与位置的设定与调整，使由上述结构构成的运输承载结构应力分布合理。运输端盖的自身结构以运输端盖与定子机座的连接结构的调整对整体结构的应力变化影响很大，优化过程运输状态应力变化情况见表3 。

表3 优化过程关键结构应力变化

分析数据显示，虽然未采用类似1000MW运输的底部预应力直联拉杆结构，但关键结构安全系数较以往设计都有不同程度的提高（有限元分析应力分布见图1），由此也大幅度简化了运输前准备工作。

图1 机座及运输端盖有限元分析应力云图

3.5 工艺相关设计

出于传承机座焊接及机座加工工艺过程的需要，新机座的外廓特征仍基本维持以往结构，仍然保留机座两端面的基本圆柱体形状，便于焊接过程使用滚动支架以及加工机座内镗过程装卡固定。此举造成运输端盖与出线盒法兰座侧面及冷却器罩法兰座侧面两个辅助连接面与机座端面不在同一平面上，为避免加工误差造成装配结构应力，运输端盖与机座的辅助连接面之间需要配垫调整垫片。

机座中段轴向进风道设置在机座本体上部，与冷却器罩法兰座贯通，而机座中段轴向出风道设置在机座本体下部，与出线盒法兰座相连，风道外壁形成运输过程传力结构，定子机座见图2。为避免风道外壁焊接变形，机座环板的风道部位设置临时支撑结构，焊接完毕后切除，以控制机座焊接变形量。机座本体直径的减小也造成机座两端部结构刚度的降低，焊接过程引起的变形量会加大，为此也在部分较薄弱的端部环板上设置了临时加强结构，控制焊接变形量[18、19]。

图2 定子机座结构

3.6 出线盒连接结构改进

以往结构的600MW级发电机的出线盒连接法兰为外把合方式，即出线盒连接螺栓在机外把合，机内也无法通过安装后焊接形成连续的气密焊缝，如果出线盒连接法兰密封填料出现泄漏问题，通常需要拆解发电机主引线、中性点结构，从新注胶安装出线盒才能恢复密封性能。受连接螺栓泄漏的影响，在出线盒连接法兰外结合缝隙处形成气密焊缝也达不到密封效果。新结构机座改变了出线盒连接法兰的把合方式，出线盒连接螺栓改为在机内把合，同时改变了连接法兰面的尺寸，使结合面与基础梁侧面的距离加大，扩大了焊接结构工艺空间，当密封填料失效而引起密封面产生泄漏现象时，可以在机外施焊，形成气密焊缝，替代密封填料，避免发生大规模拆装作业恢复发电机的气密性能，方便了现场维护作业。

4 运输相关问题

由于运输方案没有采用拉杆结构，使得运输端盖的装配及监测工作得以简化。根据有限元分析结果，进行定子机座与运输端盖之间两个辅助连接面的垫片的调整，依据测力螺栓试验数据把合联接螺栓。合车过程进行了联接螺栓及关键结构的应力测试工作，对有限元分析计算进行了验证。经铁路部门限界检测车实地运行检测，发电机定子装车满足运输限界限制要求，首台发电机定子运输专列于2015年3月发车（见图3），如期达到电厂，保证安装工作顺利进行。

图3 660MW发电机定子运输专列

改进产品首次应用于贵州茶园2X660MW项目，两套机组分别于2015年12月及2016年1月并网运行。运行数据证明，发电机性能达到预期设计目标；发电机定子铁路运输前及运输过程实时监控数据证明，发电机运输相关设计达到预期目的，有限元分析计算结果正确。

5 结论

（1）定子铁心径向多路通风结构的发电机定子机座采取外覆轴向通风道的结构，采用集中送、回风通道替代原结构的分区单独送、回风通道的结构能够在不影响发电机通风冷却的前提下，降低机座外径尺寸，满足运输限界要求；保证机座内各通风道风速不超过20m/s，不会影响定子各风区的风量分布。

（2）降低定子机座本体直径结合装车中心高措施，可以有效地增加铁路运输行车限界安全距离；降低装车中心高有利于提高运行限速及方便在电气化区段运行。

（3）采用增强运输端盖轴向刚度结合耳板底部连接板结构、改进螺栓分布措施、合理布局运输端盖与机座的传力结构，可以达到改善由发电机机座、联接螺栓以及运输端盖组成自承载结构的应力分布，降低或消除应力集中现象，提高结构整体安全系数。

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Design Improvement for 660MW Turbogenerator Transportation

LIANG Hongtao1, ZHAO Yongchang1, LIU Qinghe1, CAO Fengbo1, AN Zhihua1，2, LAN Bo1, MU Song1，ZHU Honglei1, CHAI Guanying1

(1.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China;2.State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China)

To solve the stator transport obstruction problem, HEC made some more improvements on existing 600MW generator design to avoid the stator transport beyond limit. The research includes the load bearing structure, the transportation boundary condition, the generator ventilation design and the structural design. Finite element analysis method is adopted to calculate and analyze the working conditions and the transportation process of the generator. According to practice, it can verified that the design of generator can meet the expected requirements and reliable operation, and stator transport process limits safety distance can meet the requirements, and structural safety factor meets the relevant requirements. The design of the stator core radial multi-channel ventilation structure is taken to cover the structure of the air supply and return air channel, which can meet the requirements of the air volume distribution in the stator wind area.

turbogenerator ; design improvement ; railway transportation

TM311

B

1000-3983(2017)02-0071-05

梁洪涛（1963-），男，1985毕业于哈尔滨机电专科学校，哈尔滨电机厂有限责任公司产品设计部高级工程师，学术带头人，从事汽轮发电机设计，承担产品设计研发和科研攻关工作

审稿人：李志和