金安橋水電站水輪發電機轉子的結構特點分析

韓展鵬

（金安橋水電站有限公司，云南 麗江 674100）

金安橋水電站安裝4臺單機容量為600 MW的混流式水輪發電機組，全部由東方電機股份有限公司 （以下簡稱 “東電”）制造。水輪發電機轉子由轉子中心體、圓盤式轉子支架、轉子磁軛、轉子磁極及其他附件組成。轉子中心體與分瓣扇形支臂在工地進行焊接，轉子磁軛由3 mm厚的高強度沖片現場疊壓而成，并通過熱打鍵的方式將磁軛固定在轉子支架上；64個磁極用磁極鍵固定于磁軛外側。轉子外徑15.161 m，質量1 323 t。

1 轉子中心體結構設計

轉子中心體是轉子工地組裝的基準部件，也是發電機軸系的一部分。轉子中心體上法蘭面連接發電機上端軸，下法蘭面連接發電機主軸，三者共同構成發電機軸系。金安橋水電站發電機轉子中心體在2005年的投標設計圖上是由上、下法蘭及連接上、下法蘭的腹板和筋板焊接而成，上、下法蘭分別厚140、250 mm，上、下法蘭盤外徑分別為3 040、3 510 mm，中心體高2 965 mm，質量約53.6 t。轉子中心體在制造廠內焊接成整體退火消應后，對上、下法蘭面進行精加工，確保上、下法蘭面的平面度及之間平行度和同心度。在工地組裝時應特別重視下法蘭面的水平度和內鏜口中心，它是轉子組裝的基準，若下法蘭面及內鏜口變形將導致發電機軸系偏差，影響機組運行的穩定。

由于轉子中心體下法蘭外緣直接與轉子扇形支臂焊接的變形會導致下法蘭面及內鏜口的變形，如清江水布埡電站在轉子圓盤焊接過程中下法蘭的內鏜口變形較大，雖經廠家和施工單位反復對轉子圓盤支架焊縫進行處理，最終還是影響轉子上、下法蘭的同心度及下法蘭面的水平度，因此為了將轉子中心體下法蘭面及鏜口的變形減小到最小，東電根據近幾年其他水電站安裝及運行的經驗，在2008年生產轉子中心體之前，對設計圖紙進行了局部修改。修改后的轉子中心體結構為：廠內在轉子中心體下法蘭的外緣焊接寬400 mm、厚70 mm的環形鋼板，并在環形鋼板的外側開X形焊接坡口，而原設計的轉子中心體下法蘭外緣直接與轉子扇形支臂現場焊接。修改前、后的轉子中心體結構見圖1。

圖1 轉子中心體結構示意

修改后的轉子中心體與分瓣扇形支臂焊接時，由于中心體下法蘭不直接進行焊接，而由下法蘭外緣處的環板參與焊接，此處焊接引起的變形對下法蘭影響很小。對金安橋水電站轉子圓盤支架焊接前、后測量數據的分析表明，下法蘭面基本上沒有變形。

2 轉子磁軛鍵的結構設計

轉子磁軛鍵安裝在轉子支架的主力筋與磁軛之間，將磁軛固定在轉子支架上，使磁軛與轉子支架的軸線保持一致。安裝轉子磁軛鍵時，采用磁軛加熱的方法墊入墊片，用磁軛鍵連接轉子支架與磁軛進行過盈配合。機組在額定運行時，磁軛鍵可以傳遞發電機額定扭矩。東電投標設計的金安橋水電站轉子磁軛鍵為彈性鍵，彈性鍵結構見圖2。

圖2 彈性鍵結構示意

彈性鍵的剛度小于磁軛和轉子支架，在彈性鍵的主、副鍵之間位置留出一定的間隙，此間隙即為彈性鍵可吸收的過盈量。彈性鍵可吸收一定的過盈量，剩余的過盈量由轉子支架和磁軛共同承擔。彈性鍵采用高強度鍛鋼材料制造，其設計思想要靠計算、加工、安裝等諸多環節加以保證后才能實現。由于彈性鍵為單個制造，生產過程中的變形及尺寸等存在個體差異，在冷態下安裝又不能保證鍵的充分接觸，因此熱打鍵后的彈性鍵的剛度和彈性也存在個體差異。目前已運行使用了彈性鍵結構的機組包括三峽左岸、右岸，水布椏等水電站，從已投運機組的實際效果看，調整好的轉子重心與軸線位置在過速后、重新開機運行后或停機后再開機時會發生偏移，且其偏移存在不確定性和隨機性，從而造成機組振動、擺度偏大。東電根據以上各個電站的實際經驗，在2008年生產轉子支架及磁軛鍵之前，對磁軛鍵的設計圖紙進行了修改，修改后的轉子磁軛鍵見圖3。

圖3 磁軛鍵結構示意

修改后的磁軛鍵采用傳統楔形熱打鍵結構，即在轉子圓盤之間焊接完畢后，用廠家提供的專用銑床進行支架主力筋的銑削，保證主力筋的半徑、向心及粗糙度，確保楔形磁軛大鍵安裝后與主力筋的接觸面積充分。這種傳統結構在漫灣、大朝山、李家峽等電站的水輪發電機轉子上都已應用，可以保證機組長期穩定運行，也是目前最安全可靠的結構，金安橋水輪發電機組轉子最終采用了傳統楔形熱打鍵結構。

3 磁極鍵裝配的結構設計

東電投標的金安橋水電站轉子磁極鍵裝配設計為：在磁極的鴿尾處用一對楔形鍵將磁極固定在磁軛上，同時在磁極底部位置的磁軛上焊接擋塊，防止磁極高程發生變化；另在磁極鍵副鍵底部位置的磁軛上焊接擋塊，防止因磁極鍵串動而引起磁極松動。總結其他電站轉子磁極鍵安裝并應用的經驗，如由于磁極擋塊焊接不牢固在運行中甩出，將定子鐵心及線棒損壞，引起嚴重后果，又如在轉子安裝及檢修中，為了吊裝磁極，需要拔出磁極鍵，但楔形磁極鍵拔出很困難，且容易拔斷，施工不方便，并且磁極鍵固定磁極時接觸面積小受力不好，因此東電在2008年生產磁極鍵之前，對原設計進行了修改，修改后的轉子磁極鍵裝配采用一對鏈條鍵配合加墊片的方法固定磁極，同時在磁軛下壓板上安裝M36調節螺桿來調整磁極的安裝高程。這種結構避免了焊接磁極擋塊存在的安全隱患，用調節螺桿調整磁極高程也更加方便。采用一對鏈條鍵配合加墊片的方法固定磁極時磁極鍵受力接觸面積增大，固定效果更好，檢修也方便，拔出磁極鍵時只需在磁軛下壓板上用頂絲頂松磁極鍵即可。