摘要∶ 文章主要介紹了上世紀60 年代由日本國他社設計制造的韓國某電站立式軸流轉槳式水輪發電機整體改造設計，改造后機組各項參數滿足合同要求，達到滿意效果。為類似機組改造設計提供參考。
關鍵詞∶ 軸流轉槳式；水輪發電機；整體改造
1 前言
韓國某電站隸屬于韓國水力原子力株式會社，位于流經韓國江原道春川市的北漢江上，上游為春川電站，下游為清平電站。距首爾東北方向85.3 km。該電站原來設置的2 臺25 MVA 立式軸流轉槳式水輪發電機由日本國他社1967 年設計制造，運行了40 多年，機組出現了嚴重老化現象。為了確保今后的穩定運行，客戶希望對機組進行改造。2008 年10月應業主邀請，東芝公司和其他公司分別對機組進行診斷，提出機組改造方案。由于提出的改造方案可行可靠，性能優良，最終東芝公司于2009 年中標該項目。筆者在東芝公司工作期間，負責該項目的投標設計和改造設計工作。
2 概述
發電機改造前后的基本參數見表1。
該電站原設計機組為全傘式結構，推力軸承支撐在水輪機頂蓋上。發電機導軸承位于轉子下方，不設上導軸承。原設發電機剖面圖參見圖1。
從圖1 可以看出，原設機的勵磁機和永磁發電機位于轉子上方，轉子支架為下傾圓錐形，水輪機槳葉操作接力器設置在轉子中心體輪轂內，操作油管的高壓油導油裝置與下導軸承共用。下導軸承采用圓筒形結構。推力頭采用分瓣式結構，用卡環安裝在水輪機軸上。
根據電站機組改修計劃，對發電機除風道、基礎和上機架之外，其余全部更新改造。由于兩個公司的技術差異，從投標開始，東芝公司就取消了勵磁機和永磁發電機直接與發電機轉動部件連接的方式。為了簡化轉子中心體的設計，槳葉操作接力器也從轉子中心體輪轂移至發電機軸與水輪機軸連接處。具體結構參見圖2。
從圖2 可以看出，改修后的電站發電機仍然為全傘式結構。轉子支架為圓盤結構，推力軸承布置在下機架中心體內，考慮到下機架基礎的承受能力，推力軸承仍然支撐在水輪機頂蓋上。由于是改修項目，留用部件的相關接口必須事先進行調查。該機組由于制造年月比較久遠，沒有電子版存檔的圖紙資料，并且由于存檔時間太長，發電機相關的許多印刷版資料也無法查到，給相關接口調查帶來了不便。因此只能在制造圖設計之前利用機組停機的機會到現場進行尺寸測量。由于測量結果存在誤差，也給設計工作帶來一定的難度。
3 結構改造設計
3.1 定子
3.1.1 定子機座
原設定子機座為圓筒形結構，設置有8 個定子基礎，為配合定子基礎設計，定子機座改造設計為正十六邊形焊接結構。
機座在工廠組焊加工，分4 瓣運至工地，在現場用螺栓把合成整體。機座設置頂環、上環、下環，沿圓周與鴿尾筋相對應的適當位置設置支撐棒，鴿尾筋把合在拉緊螺桿上。
由于基礎埋件不進行更新改造，改修機和原設機一樣設置8 個定子基礎，機座與基礎間采用螺栓連接，通過徑向銷定位并傳遞扭矩，這種結構可適應機座熱變形而產生的徑向膨脹。由于沒有相關的存檔資料，現場數據測量時對定子基礎埋件進行了詳細測量，但是由于各種因素，測量數據存在一定誤差，因此設計了特殊的結構進行了調整，調整后的定子基礎通過采取一定的措施現場與埋設基礎焊接成一體。
3.1.2 定子鐵心
定子鐵心采用低損耗，無時效、優質冷軋高磁導率薄硅鋼片疊壓而成。在沖片兩面均勻涂覆F 級絕緣漆。在定子鐵心合適位置設有多道通風溝。
定子鐵心采用四片一疊，2/3 搭接疊片方式。定子鐵心疊裝工作在機座組圓后進行。這種整體結構的定子鐵心無接縫，運行中的鐵心振動小，無槽底錯位，剛度、圓度、整體性好。
定子鐵心采用東芝傳統的分塊式上、下齒壓板壓緊結構，通過設置于鐵心軛部的拉緊螺桿壓緊，并依靠裝于螺桿內徑側的鴿尾鍵定位。壓指采用非磁性材料。這種壓緊結構使鐵心具有較高抗“翹曲”的強度。
3.1.3 定子繞組
定子繞組為雙層條式波繞組、1 支路星形連接。繞組絕緣為F 級, 線棒主絕緣采用VPR 工藝。定子線棒采用槽內540°羅貝爾換位, 以降低附加損耗和均衡線棒股線間的溫差。線棒的槽部、出槽口及彎曲過渡部分均作防暈處理。上、下層線圈端頭采用連接片一體銀焊的結構。
為了防止發電機長期運行后定子線圈下沉，在定子線圈上端出槽口的斜邊處，每隔一節矩設置一組線棒止沉塊，止沉塊支撐于上齒壓板的壓指上，并綁扎在線棒上。繞組端部用非磁性端箍固定。
3.2 轉子
3.2.1 轉子支架
轉子支架由于運輸尺寸限制，采用2 分瓣把合式圓盤結構，由輪轂、上下圓盤、以及立筋組成。這種結構剛度大、加工精度高。中心體的所有焊接和加工均在廠內完成。
轉子支架通過螺栓固定在發電機大軸法蘭上，并通過徑向組合鍵傳遞扭矩。
3.2.2 磁軛
磁軛由高強度磁軛沖片在現場疊壓而成，通過鉸制螺栓把緊并傳遞沖片間的作用力。疊片采用3片一疊，一節矩搭接方式，用導向銷定位導向，不需要在現場對磁軛進行鉸孔。
根據設計基準，整體磁軛采用浮動式結構，磁軛與中心體之間通過組合磁軛鍵周向楔緊，運行時能保證轉子圓度并有效傳遞扭矩。
3.2.3 磁極
磁極鐵心由1.6 mm 厚PCYH250 高強度專用磁極沖片疊成，通過螺桿壓緊。
磁極線圈由異形斷面的半硬紫銅排繞制而成，具有散熱面積大，散熱效果好的特點。線圈匝間墊以Nomex 絕緣紙, 與銅排熱壓成一體。線圈與鐵心間用絕緣板塞緊，對地絕緣可靠。磁極到現場后無需脫出線圈清掃即可直接掛裝。
磁極掛裝時在磁極鐵心鴿尾側面打入長楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，楔形鍵用壓板鎖定。磁極線圈之間設置有可拆卸結構的擋風板。
3.2.4 勵磁繞組和阻尼繞組
極間連接采用多層薄銅片制成的柔性連接片連接，用螺栓把緊，安裝、拆卸和檢修方便。該電站發電機飛逸轉速390 r/min 非常高，通過計算確定極間連接必須進行固定，然而轉子外徑相對較小，磁極數量64 個。造成極間空間非常緊湊，采用常規的極間擋塊或者托塊方式無法布置。因此，上部極間連接片從定子側引出至轉子磁軛上，利用磁極壓板焊接固定座進行連接，同時考慮連接片自身的離心力，在磁極線圈上設置支撐塊對連接片進行固定，參見圖3。
下部極間連接片引出至磁極鍵壓板位置，利用螺栓進行連接且磁極鍵壓板做成特殊結構。參見圖4。
為了防止因振動和熱位移而引起故障，阻尼繞組間采用柔性連接。其連接既牢固可靠，又便于檢修拆卸。勵磁引線由銅排制成, 固定在轉子支架平面上,沿著上端軸接至集電環。
3.3 發電機軸
3.3.1 主軸
主軸為鍛件，軸身和推力頭為一體結構。轉子與大軸的聯接采用徑向組合鍵加聯軸螺栓的結構。這種結構定位精度高，拆裝方便。推力鏡板為整體鏡板，通過螺栓把合在推力頭上。
3.3.2 滑環軸
滑環軸由無縫鋼管和法蘭焊接而成，通過螺栓把合在轉子支架法蘭上。
3.4 軸承
3.4.1 推力軸承
推力軸承裝于下機架中心體的油槽內。推力軸承承受水輪發電機組所有轉動部件的重量和水推力構成的組合載荷。推力軸承由10 塊扇形瓦組成，采用彈性金屬塑料瓦+ 彈簧簇支承結構，支撐彈簧根據載荷分布、油膜形成的需要布置在推力瓦下的適當區域，使推力軸承具有自調節功能，推力瓦受力更加均勻，提高了推力軸承的運行穩定性。另外，采用多支點彈簧支撐方式，推力瓦的熱變形和彈性變形方向相反，可以互相補償，使推力瓦在運行過程中基本保持平面，有效提高了推力軸承的潤滑性能和承載能力。彈性金屬塑料推力瓦可以利用旋轉推力軸承支撐座單獨取出，對推力軸承進行就近或機坑外檢修。
不設高壓油頂起裝置。
3.4.2 導軸承
下導軸承采用分塊、油浸式、自潤滑、可調式彈性金屬塑料瓦結構。通過調整螺栓即可方便調整軸承瓦與軸頸之間的間隙，瓦的背面有球面支承柱，徑向力通過支承柱傳到機架上。
下導軸承與推力軸承共用同一油槽，由12塊瓦組成，采用鏡板泵+ 外置油冷卻器冷卻方式。油冷卻器布置在機坑外，每臺機2 只，其中1 只備用。
3.5 機架
3.5.1 上機架
上機架為非負荷機架，承受轉子徑向機械不平衡力和因氣隙不均產生的單邊磁拉力的作用。由中心體和8 條支臂組成，原設機留用。
3.5.2 下機架
下機架由中心體和6 條支臂組成，其中4 條支臂在工廠與中心體焊為一體，另兩條在工地與中心體通過螺栓把合成一體。各支臂通過螺栓固定在基礎上。考慮到原設機推力軸承是支撐在水輪機頂蓋上，下機架基礎設計可能沒有考慮整個推力負荷，因此，改修機下機架與水輪機蓋板之間利用圓錐筒形支撐，將推力軸承支撐在水輪機蓋板上。具體結構參見圖2。由于改修機推力軸承設置在轉子支架下方，而原設機推力軸承設置在水輪機軸上，結構區別較大，使得圓錐筒形支撐結構非常復雜，進行了專門的課題討論和解析后最終確定了相關結構設計。在下機架的下部，設有鋼密封隔板。由于下機架基礎沒有更新，因此現場測量數據時對下機架基礎相關數據進行了詳細測量，但是由于各種因素，測量數據存在一定誤差，因此設計了特殊的連接厚板進行了調整，調整后的厚板與基礎埋件現場焊接。
3.6 風洞及機坑
電站機組為半藏式結構，水輪機裝于鋼筋混凝土機坑內，發電機裝于鋼筋混凝土機坑上，外周設置封閉的圓形鋼板罩，構成封閉的風道。圓形鋼板罩原設機留用，在留用鋼板罩上新設置一扇進入發電機層的進人門，以方便進出。
3.7 集電裝置
滑環置于發電機滑環軸的上端。刷架固定于發電機頂罩上。刷架與滑環均在密封的風罩內，循環風路與發電機風室分開,以保證碳刷粉塵不污染定轉子。
3.8 附屬設備
3.8.1 通風、冷卻系統
通風冷卻系統采用密閉雙路徑向無風扇自循環通風冷卻系統。冷卻風壓由轉子轉動時的離心作用形成。風循環路徑為：圓盤支架－磁軛－磁極－定子－空氣冷卻器－風道－圓盤支架。定子機座外裝設8 只空氣冷卻器。
原設機下部回路利用了混凝土風道進行通風循環，而改修機利用定子基礎之間的空間進行通風循環，因此對混凝土風道采取了封堵措施。
3.8.2 制動裝置
在下機架上設6 只雙活塞油氣腔分開、彈簧復位式制動器。每只制動器上設雙接點行程開關，能反映制動器是否動作或全部復位。制動塊采用非石棉聚合樹脂材料，摩擦系數大，磨損率低，粉塵少，不污染環境。在制動器下層活塞下可送高壓油以頂起轉子。
3.8.3 滅火裝置
定子兩端裝有滅火環管，滅火介質為CO2。線棒上、下端均安裝線狀火警探測器。當線圈溫度達到150℃時自動聲光報警，并指示過熱位置。當溫度達到200℃時再次報警，信號可接至停機回路和投CO2 滅火回路。
3.8.4 其它
改造后的機組還設有防潮裝置，油霧收集裝置，制動粉塵收集裝置，軸電流防止及檢測裝置等。
4 結語
該電站1 號機組已于2012 年6 月28 日完成一系列現場試驗后，投入商業運行。機組各部溫升和振動均滿足合同要求，并有一定裕量。根據改修計劃2號機組預計相隔一年后投入運行。該電站是東芝公司繼韓國春川電站改修后的又一個成果，得到韓國客戶的好評，為東芝公司在韓國后續改修項目的中標奠定了一定的基礎。
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