大机座号卧式水轮发电机安装工艺的改进

董 建，张国勋，黄 杰

（天津电气科学研究院有限公司，天津300180）

0 引言

杰博瑞（Jabori）水电站位于巴基斯坦西北部开泊尔-普赫图赫瓦省的Mershera地区Jabori镇附近。业主方为khyber Pakhtunkhwa省水电开发署。项目合同为EPC形式，工程包含拦水坝、引水隧洞、调压井、发电厂房和开关站等。单机额定流量4.0 m3/s，额定水头148 m，该站装有2台单机5.2 MW的卧式混流机组，总装机容量10.4 MW。2017年11月电站进入设备安装阶段，2018年4月水电站机组等机械设备安装完毕，进入调试阶段。本文主要介绍在机组安装过程中，由于水轮发电机安装工艺复杂，在过程中出现一些问题，给安装工作带来一定的困难，针对此问题本文提出了相应的改进方案。

1 电站及机组主要参数

杰博瑞电站主要参数见表1。

2 发电机结构说明

该水电站发电机为卧式双支点布局，发电机与两端的轴承固定在同一块底板上。底板将埋入二期混凝土中，空气冷却器位于发电机定子的正下方。如图1、图2所示。发电机机座号为2150，定子内径1 640 mm，转子外径为1 602 mm，定转子之间的气隙为19 mm。发电机底板距离发电机的中心距离为750 mm。

表1 电站主要参数表

图1 发电机外形图

图2 发电机定转子尺寸图

3 问题产生的原因

在设计时，如果按照常规进行设计，便于转子在安装时顺利穿过定子（即定子内径高于基础底板），这样发电机中心至少要距离基础底板800 mm以上。发电机厂家根据多年的设计和实践经验发现：1）发电机中心距过大，推力轴承在承受同样水推力的情况下，力矩变大，容易导致壳体破损；2）当卧式水轮发电机组发电机中心距底板的距离在800 mm以内，发电机可以保持稳定运行，一旦发电机中心距离底板高于800 mm，发电机就会在运行时出现震动过大等问题。因此为了让发电机稳定运行，机组中心与发电机底板的距离就要降到800 mm以下。最终距离为750 mm。这就导致了定子一部分沉入发电机底板，转子的外径低于发电机基础底板51 mm。在发电机安装时，转子无法顺利穿过定子，给安装造成了困难（如图2所示）。这种定子下沉式发电机多见于机座号2150及以上的卧式发电机。

4 问题解决方案

对于这类结构的水轮发电机，其安装大致可以采取2种方案：发电机整体起吊和分体起吊。

4.1 整体起吊方案

这种方案不需要厂家在设计时考虑特殊的安装工具。但需要在安装时搭建一个临时组装平台。将发电机的定子、转子、推力轴承和飞轮在平台上组装在一起，然后用桥机将其整体起吊至机坑内。此种安装方案虽然操作难度不大，但是需要一些材料和时间来搭建一个组装平台。对于杰博瑞水电站来说整体起吊的重量达到了38.9 t左右（包含转子、轴承、飞轮和专用吊装工具），这样电站桥机的额定载荷需要增加很多。桥机的额定载荷由原来的32 t变为45 t。随之带来电站投资成本增加，并且桥机的最大载荷只有在发电机运行几年大修时才会用到，造成了一定的资源浪费。此种方案经济性差、安装时间长，所以综合考虑而言，一般不会选择此种安装方案。

4.2 分体起吊方案

为了实现发电机分体起吊，使转子顺利穿过定子安装就位。这样发电机定子必须被垫高，使定子的内径高于发电机底板，对于该电站来说：定子至少需要被垫高70 mm以上（转子下外圆到底板的距离+定转子之间气隙），才能使定子内径高于发电机底板。为此设备厂家在设计发电机时，在定子与底板的2个连接螺栓孔中间，加工2个螺纹孔。螺纹孔的尺寸和定子与底板连接螺栓的尺寸相同（如图3所示）。这样定子与底板的连接螺栓便可用来顶起定子。

图3 定子顶起螺纹孔

在第1台机组的安装过程中，采用的就是这种方案，顶起螺栓为M48普通的六角头螺栓，需要用到65的敲击扳手，一个螺栓的旋转需要2个人才能完成操作。总共4个螺栓，因此在定子顶起和降下时需要8个人协作，才能完成整个过程。第1台机组从定子升起到落下总共用时超过13 h。而且在进行操作时发现，定子在上升和下降时每次只能移动2 mm，而且容易出现大的滑动位移现象。

通过此方案的操作过程发现其优点是：1）电站选用桥机的额定载荷变小，投资少；2）顶起螺栓孔的位置隐蔽，对设备的改动小；3）生产加工简单、方便。缺点是：1）操作空间小，操作繁琐；2）费时，费力；3）操作不当容易引发安全事故。

4.2.1 缺点分析

1）由于顶起螺栓和连接螺栓用的是相同的六角头螺栓，螺杆头部为平顶，4个螺栓直接顶在发电机底板的表面，接触面积大，所以摩擦阻力比较大。在旋转时就需要很大扭矩。

2）在操作时为防止定子侧向滑动，需要4个顶起螺栓同时升降。但是4个螺栓同时旋转受到敲击力方向也同为顺时针或逆时针，螺栓传递到定子上的力同样为顺时针或逆时针，这就相当于给定子施加了一个在平面旋转的力矩。

3）螺栓头部直接作用在平面上，对螺栓头部没有约束。

所以一旦4个螺栓下降距离偏差超过2 mm以上，定子就会出现很大滑动位移，定子与转子就有可能发生碰撞，给安装带来了安全隐患。

4.2.2 改进方案一

针对厂家原先方案在施工过程中暴露出的缺点，主要做了以下改进：

1）对螺栓顶部进行加工由平顶改为圆顶，使顶起螺栓与发电机底板的接触由面变为点，减少摩擦阻力，螺栓转动所需要的扭矩也会随之减小，从而减少了操作所需人力。

2）在4个顶起螺栓作用的底板表面，加工出光滑的圆型凹槽。对顶起螺栓起到了定位的作用。防止操作过程出现定子滑动位移，如图4所示。

图4 改进后螺栓及发电机底板示意图

4.2.3 改进方案二

为了解决在第1台机组安装时运用螺栓抬起发电机定子遇到的一些问题，还可以采用另一种更便捷的顶起方式——千斤顶顶起，该电站在第2台机组的安装时，便采用了此种安装方案。在发电机定子两侧上安装4个小型筋板，距离发电机底板的高度根据所选用螺旋千斤顶的高度而定。在操作时只需要4个人便可以轻松顶起和降下定子。与螺栓顶起方案相比，人力节省了一半，操作空间也大得多，安装操作时间由先前的13 h缩短为7 h，大大缩短了时间。

由于此方案是根据现场情况为节省工时临时采取的措施，所以顶起的筋板是与定子焊接在一起的，对发电机表面涂层产生了一定的破坏。并且焊接点离定子绕组近，在焊接操作时需要采取一定防护措施。若在发电机设计时考虑此种安装方案，只需要在定子上预留3个螺纹孔用于固定顶起筋板，这样即可避免以上所提到的问题，也可以节约焊接筋板时所需要的时间。如图5所示。

图5 千斤顶顶起最终方案图

5 结语

通过对上述新旧安装方案的比较可以发现，改进后的两种方案在投入增加可以忽略不计的情况下，即克服了旧方案施工中费时，费力的缺点，又避免了安装过程中定子会出现的滑动现象，防止安装过程中由于操作不当导致设备的损坏，也为以后此类机组的设计、施工提供了有价值的参考。