660MW汽輪發電機定子運輸相關設計改進

梁洪濤趙永昌劉慶河曹鳳波安志華蘭 波牟 松朱紅雷柴冠英

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660MW汽輪發電機定子運輸相關設計改進

梁洪濤1，趙永昌1，劉慶河1，曹鳳波1，安志華1，2，蘭 波1，牟 松1，朱紅雷1，柴冠英1

（1.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2.水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

為解決鐵路提速改造后部分地區600MW級發電機定子運輸受阻問題，HEC再次對既有的600MW級發電機進行設計改進，以降低定子運輸超限程度。設計研究包括自承載運輸的承載結構、運輸限界條件、發電機通風設計及結構設計。采用有限元分析進行發電機運行工況及運輸過程分析計算。經實踐驗證發電機設計達到預期要求，運行可靠；定子運輸過程限界安全距離滿足要求，結構安全系數達到相關要求。設計研究得出定子鐵心徑向多路通風結構的機座采取外覆集中送、回風通道的結構，能夠滿足定子各風區的風量分布要求等結論。

汽輪發電機；設計改進；鐵路運輸

0 前言

伴隨著發電機容量的增大，運輸問題的瓶頸效應愈發明顯[1, 2, 3]，該問題作為限制條件，制約汽輪發電機的設計；解決運輸問題的前提是妥協于既有通行線路的限界條件以及道橋活載荷條件。哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱HEC）80年代后期引進美國西屋公司技術，聯合設計制造600MW汽輪發電機，首臺發電機于1987年產成，后續機型即為改進型產品，其中改進的主要原因之一就是受國內定子運輸條件的限制[4，5、6]。基于同樣原因，引進東芝制造技術生產的1000MW發電機在首臺產品尚未產成情況下，即著手醞釀針對解決定子運輸問題的設計改進[7]。瓶頸限制條件下，發電機定子的外廓尺寸及重量受到限制或給出限定值，成為電磁方案及結構設計的否定條件，成熟的設計方法與結構不再適用。對于運輸承載結構及鉗夾車運輸發電機定子所必須的運輸聯接工具的設計，則面臨更加嚴峻的問題，減重與結構剛強度及安全系數的矛盾難以權衡。最終是發電機設計、運輸聯接工具設計、鉗夾車設計相互協調，相互妥協[8、9]。

鐵路提速改造后，運輸限制條件再次發生變化。受自然條件限制，貴州地區部分干線鐵路仍為單線，隧道多、橋梁多、小曲線多；提速改造進行外軌超高以及曲線緩和調整，隧道限界尺寸進一步減小。600MW級發電機定子運輸重車（裝載超重超限貨物后的車輛）在部分曲線隧道內通行時，定子與向心側隧道側壁安全距離不能滿足行車要求，使該地區發電機定子運輸的唯一途徑受阻。

采取線路臨時改造措施實施運輸需要付出高額代價，如貴州桐梓2X660MW項目，線路臨時改造與恢復發生費用遠遠超出制造廠預期，運輸問題協調與實施耗時冗長，耽擱電廠整個項目的投入產出，臨時改造及恢復工程延續數月，對鐵路行車秩序及運能產生很大影響，造成經濟損失，帶來安全隱患。

1 技術目標

適應鐵路運輸設施現狀是對設計改進提出的基本要求，無論從質量控制、成本控制還從用戶的接受程度方面考慮，最大限度運用原有結構則是基本原則。新結構的設計還要充分考慮運用現有加工設備及工藝裝備及工藝方法，這對于降本增效、縮短生產準備周期以及保證產品質量同樣是至關重要的。

車輛運用條件也有新的要求，要求能夠方便運用現有的D38型和DQ35型鉗夾車。DQ35型鉗夾車是后期開發的車輛，自重較輕，裝載HEC以往的660MW發電機定子后，重車合成重心較高，根據該車運用技術條件，最高運行限速只能達到30km/h，造成運輸專列占用運行區間行車時間過長，運用不便。要求將重車最高運行限速提高到與D38相同，即40km/h。

針對以往運用的掛貨鉤不便于安裝調整以及存在結構應力集中安全隱患等問題[10、11]，鐵路運輸部門提出運輸承載方案參考HEC改進型1000MW發電機定子采用的端蓋形式的連接結構的建議，同時提出簡化操作、取消拉桿結構和提高結構安全系數的要求[12、13]。

2 運輸承載方案及聯接工具

重車橫斷面限界特征由發電機定子機座本體橫截面形狀尺寸及裝車后發電機中心距軌面高度共同決定。依據貴州桐梓項目限界檢測數據分析，限界安全距離不足區域出現在定子機座吊攀上部區域。為此將定子機座本體直徑由原本的4000mm減小到3800mm，并將發電機中心距軌面高度由2715mm降低到2565 mm。由此可以將限界最緊張區域的接近距離增大約160 mm，滿足行車安全要求；也使重車合成重心有所降低，使用DQ35型鉗夾車運輸時限速可以達到40km/h。

運輸聯接工具采用運輸端蓋結構，接口參數依據現有車輛及新機座結構接口參數設計，并采取結構改進措施降低或消除應力集中問題，提高結構安全裕度。運輸端蓋與定子機座的聯接螺栓孔除利用產品端蓋把合螺孔之外，又設置一圈專門用于運輸聯接用螺孔，其螺孔分布節圓較前者更大。在兩圈螺孔之間設置了環狀加強筋，與采用封閉箱梁結構的“目”字形加強框架相結合，耳板底部也設置了橫向均載連接板，使運輸端蓋在縱向剛度較以往結構大幅度提高，傳力路徑更直接連續。既消除了以往普遍存在的結構應力集中現象，也使聯接螺栓應力分布均勻合理，整體結構安全系數普遍提高。由于設計方案沒有采用拉桿輔助結構，裝拆調整及應力監測工序得到大幅度簡化。

3 發電機定子及運輸相關設計

發電機基本電磁結構、內冷水系統、鐵心減振結構等保持原有設計，變動限于定子通風結構、定子機座及其它相關結構。

3.1 發電機定子通風結構

機座本體直徑減小直接影響到發電機定子的通風系統。轉子氣隙取氣結合定子鐵心徑向多路通風是目前國內600MW級汽輪發電機的主流通風冷卻方式，具有定、轉子溫升分布均勻的優點，無需軸向通風的高壓頭多級風扇，結構及安裝調整相對簡單，運行可靠[14，15]。HEC的600MW級汽輪發電機即采用這種通風冷卻系統。由于定子鐵心維持原有尺寸，定子機座本體直徑由原本的4000mm減小到3800mm，鐵心背部通風空間的徑向尺寸需要減小100 mm，等比例縮小定子機座內的通風路徑會使通風風速提高，風阻增大，定子各風區的風量分布受到影響。定子機座結構焊接工藝空間也會受到影響。

受彈簧板結構的影響，以往的600MW級汽輪發電機的定子機座通風空間并不寬裕，并且影響到各風區的風量分布，造成部分風區溫升過高問題，為此曾進行過彈簧板結構的調整。比例壓縮機座結構方案是不可行的，為此參考改進型1000MW發電機定子通風方案，取消鐵心背部軸向通風管，采取外覆軸向通風道的結構；采用集中送、回風通道替代原結構的分區單獨送、回風通道。具體結構尺寸參考通風分析計算結果進行優化調整，保證機座內各通風道風速不超過20m/s，充分權衡定子各風區的風量分布。

3.2 發電機定子機座及隔振結構

受外軌超高的影響，重車曲線運行時產生向心內傾，以往的660MW發電機定子地腳部位的安全距離仍符合行車要求，所以發電機地腳寬度尺寸仍維持原設計，使發電機座板布置以及基礎接口參數保持不變，也使得彈簧板座板部位中性半徑基本維持原設計數據，彈簧板系統結構參數可以保持不變，避免產生設計變動帶來結構工藝問題[16、17]。經分析計算，機座水平方向隔振系數為18.5，垂直方向隔振系數為10.6，隔振系數滿足要求。

機座本體直徑變化直接影響到機座的振動頻率，機座的自振頻率是關鍵控制項目。根據相關標準，橢圓振型頻率應避開80 -120Hz,范圍，設計過程進行了優化調整，根據有限元分析計算，改進型定子機座的固有頻率見表1，實際運行驗證效果良好。

表1 機座固有頻率列表

由于定子機座的結構特征不同于以往結構，為此利用有限元分析方法分析計算新結構定子機座結構在多種運行工況下結構剛強度。計算結果表明，新結構定子機座能夠滿足發電機運行要求，見表2。

表2 機座固有剛強度計算結果

3.3 定子機座運輸相關接口設計

由于運輸承載方案需兼顧新的限界特征及現有鉗夾車的聯接參數，如果按照傳統的設計，運輸端蓋僅與定子機座本體聯接，則會造成運輸承載結構應力集中問題，所以設置了運輸端蓋與出線盒法蘭座側面及冷卻器罩法蘭座側面兩個輔助連接面，使鉗夾力能夠得到合理的擴散路徑。為提高聯接整體性，除使用發電機端蓋螺栓孔外，另行設置一圈聯接螺栓孔，每個運輸端蓋與機座端面有140個M39聯接螺栓。運輸端蓋與出線盒法蘭座側面的輔助連接面設置28個M48聯接螺栓，運輸端蓋與冷卻器罩法蘭座側面的輔助連接面只傳遞壓力，沒有設置聯接螺栓。

3.4 運輸過程安全相關分析

為保證分析計算準確，運輸工具與發電機定子組合建模，進行有限元分析計算。利用HYPERMESH軟件建立定子機座以及運輸端蓋、聯接螺栓等有限元模型，應用ANSYS有限元軟件進行應力和變形分析。運輸端蓋與機座之間的接觸位置以及鉗夾車銷軸與運輸端蓋耳孔之間設為接觸面，并定義了面-面接觸單元對，模型中共包含4個接觸對。

應用有限元建模分析計算，對發電機定子以及運輸端蓋結構進行了結構優化改進，結合聯接螺栓數量與位置的設定與調整，使由上述結構構成的運輸承載結構應力分布合理。運輸端蓋的自身結構以運輸端蓋與定子機座的連接結構的調整對整體結構的應力變化影響很大，優化過程運輸狀態應力變化情況見表3 。

表3 優化過程關鍵結構應力變化

分析數據顯示，雖然未采用類似1000MW運輸的底部預應力直聯拉桿結構，但關鍵結構安全系數較以往設計都有不同程度的提高（有限元分析應力分布見圖1），由此也大幅度簡化了運輸前準備工作。

圖1 機座及運輸端蓋有限元分析應力云圖

3.5 工藝相關設計

出于傳承機座焊接及機座加工工藝過程的需要，新機座的外廓特征仍基本維持以往結構，仍然保留機座兩端面的基本圓柱體形狀，便于焊接過程使用滾動支架以及加工機座內鏜過程裝卡固定。此舉造成運輸端蓋與出線盒法蘭座側面及冷卻器罩法蘭座側面兩個輔助連接面與機座端面不在同一平面上，為避免加工誤差造成裝配結構應力，運輸端蓋與機座的輔助連接面之間需要配墊調整墊片。

機座中段軸向進風道設置在機座本體上部，與冷卻器罩法蘭座貫通，而機座中段軸向出風道設置在機座本體下部，與出線盒法蘭座相連，風道外壁形成運輸過程傳力結構，定子機座見圖2。為避免風道外壁焊接變形，機座環板的風道部位設置臨時支撐結構，焊接完畢后切除，以控制機座焊接變形量。機座本體直徑的減小也造成機座兩端部結構剛度的降低，焊接過程引起的變形量會加大，為此也在部分較薄弱的端部環板上設置了臨時加強結構，控制焊接變形量[18、19]。

圖2 定子機座結構

3.6 出線盒連接結構改進

以往結構的600MW級發電機的出線盒連接法蘭為外把合方式，即出線盒連接螺栓在機外把合，機內也無法通過安裝后焊接形成連續的氣密焊縫，如果出線盒連接法蘭密封填料出現泄漏問題，通常需要拆解發電機主引線、中性點結構，從新注膠安裝出線盒才能恢復密封性能。受連接螺栓泄漏的影響，在出線盒連接法蘭外結合縫隙處形成氣密焊縫也達不到密封效果。新結構機座改變了出線盒連接法蘭的把合方式，出線盒連接螺栓改為在機內把合，同時改變了連接法蘭面的尺寸，使結合面與基礎梁側面的距離加大，擴大了焊接結構工藝空間，當密封填料失效而引起密封面產生泄漏現象時，可以在機外施焊，形成氣密焊縫，替代密封填料，避免發生大規模拆裝作業恢復發電機的氣密性能，方便了現場維護作業。

4 運輸相關問題

由于運輸方案沒有采用拉桿結構，使得運輸端蓋的裝配及監測工作得以簡化。根據有限元分析結果，進行定子機座與運輸端蓋之間兩個輔助連接面的墊片的調整，依據測力螺栓試驗數據把合聯接螺栓。合車過程進行了聯接螺栓及關鍵結構的應力測試工作，對有限元分析計算進行了驗證。經鐵路部門限界檢測車實地運行檢測，發電機定子裝車滿足運輸限界限制要求，首臺發電機定子運輸專列于2015年3月發車（見圖3），如期達到電廠，保證安裝工作順利進行。

圖3 660MW發電機定子運輸專列

改進產品首次應用于貴州茶園2X660MW項目，兩套機組分別于2015年12月及2016年1月并網運行。運行數據證明，發電機性能達到預期設計目標；發電機定子鐵路運輸前及運輸過程實時監控數據證明，發電機運輸相關設計達到預期目的，有限元分析計算結果正確。

5 結論

（1）定子鐵心徑向多路通風結構的發電機定子機座采取外覆軸向通風道的結構，采用集中送、回風通道替代原結構的分區單獨送、回風通道的結構能夠在不影響發電機通風冷卻的前提下，降低機座外徑尺寸，滿足運輸限界要求；保證機座內各通風道風速不超過20m/s，不會影響定子各風區的風量分布。

（2）降低定子機座本體直徑結合裝車中心高措施，可以有效地增加鐵路運輸行車限界安全距離；降低裝車中心高有利于提高運行限速及方便在電氣化區段運行。

（3）采用增強運輸端蓋軸向剛度結合耳板底部連接板結構、改進螺栓分布措施、合理布局運輸端蓋與機座的傳力結構，可以達到改善由發電機機座、聯接螺栓以及運輸端蓋組成自承載結構的應力分布，降低或消除應力集中現象，提高結構整體安全系數。

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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

梁洪濤（1963-），男，1985畢業于哈爾濱機電專科學校，哈爾濱電機廠有限責任公司產品設計部高級工程師，學術帶頭人，從事汽輪發電機設計，承擔產品設計研發和科研攻關工作

審稿人：李志和