發(fā)電機(jī)定子鐵心組裝工藝方法

馬金東

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

發(fā)電機(jī)定子鐵心組裝工藝方法

馬金東

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

通過對(duì)水電站發(fā)電機(jī)定子機(jī)座及定子鐵心結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行詳細(xì)的介紹和分析，提出了采用浮動(dòng)式發(fā)電機(jī)定子機(jī)座焊接、雙鴿尾定位筋快速安裝的工藝方法，并通過現(xiàn)場實(shí)踐，證明該方法屬于國內(nèi)領(lǐng)先的工藝技術(shù)。

發(fā)電機(jī)；定子機(jī)座；定子鐵心；結(jié)構(gòu)；工藝

0 引言

發(fā)電機(jī)定子是機(jī)組的關(guān)鍵部件,定子組裝質(zhì)量決定了定子圓度、鐵心緊度等造成的振動(dòng)的大小。本文通過定子機(jī)座和鐵心結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究，介紹了浮動(dòng)式發(fā)電機(jī)定子機(jī)座焊接、雙鴿尾定位筋快速安裝的工藝方法，制定并形成了一整套科學(xué)、合理、有效的安裝程序和安裝工藝方法。

1 定子機(jī)座

定子機(jī)座由優(yōu)質(zhì)軋制鋼板焊接而成，其中一些核心部件如大齒壓板等，選用高等級(jí)的Q345材料；機(jī)座根據(jù)運(yùn)輸?shù)南拗茥l件分成6瓣，在工地進(jìn)行組圓。分瓣處環(huán)板需到工地焊接，預(yù)先在工廠加工好坡口，到工地后不再進(jìn)行焊接坡口的機(jī)械加工。定子機(jī)座具備足夠的強(qiáng)度和必要的剛度，能承受定子繞組短路時(shí)產(chǎn)生的切向力和轉(zhuǎn)子半數(shù)磁極短路時(shí)產(chǎn)生的單向磁拉力；能承受在各種運(yùn)行工況下所受的熱膨脹力、切向力及定子鐵心通過定位筋傳來的100Hz交變力等。定子機(jī)座具有支撐上機(jī)架及其附件的能力。

為了使定子機(jī)座能適應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱膨脹和收縮，防止定子鐵心產(chǎn)生瓢曲，定子機(jī)座與基礎(chǔ)板及上機(jī)架之間的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成允許機(jī)座作徑向移動(dòng)的浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)。機(jī)座中的盒形筋主要是起承受和將力傳遞到機(jī)座支墩部分的作用。支墩安裝在基礎(chǔ)板上，在機(jī)座支墩與基礎(chǔ)板的結(jié)合面涂上穩(wěn)定的潤滑劑以減小結(jié)合面的摩擦力，保證接觸部分摩擦力一致，從而確保機(jī)座在熱膨脹時(shí)沿圓周均勻膨脹，避免膨脹不均?；A(chǔ)的固定螺栓僅保證軸向鎖定。機(jī)座徑向可以滑移，機(jī)座切向位置由鍵精確定位。基礎(chǔ)板上有徑向鍵槽，鍵與鍵槽配合，圓周方向間隙可由偏心銷來補(bǔ)償，這樣可以傳遞可能發(fā)生的、最危險(xiǎn)工況時(shí)所產(chǎn)生的最大作用力或扭矩。該連接結(jié)構(gòu)增加了機(jī)座的自由度，既有利于機(jī)座熱膨脹，也可有效地傳遞最大力矩，而且便于拆卸定子機(jī)座，對(duì)基礎(chǔ)板沒有影響。定子機(jī)座基礎(chǔ)板定位系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 定子機(jī)座基礎(chǔ)板定位

定子機(jī)座下環(huán)板與定子鐵心的結(jié)合形式采用大齒壓板結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)機(jī)座整體性和剛度，且便于工地安裝和調(diào)整。該下環(huán)板選用具有較好機(jī)械性能的Q345材料，有足夠的剛度，能承受鐵心和繞組重量；并與下支撐元件采用機(jī)械把合結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，與基礎(chǔ)板連接采用徑向鍵定位以適應(yīng)機(jī)座熱膨脹時(shí)均勻浮動(dòng)的要求。

2 定子鐵心

定子鐵心由高導(dǎo)磁率、低損耗、無時(shí)效的、優(yōu)質(zhì)冷軋薄硅鋼片疊成。每片扇形硅鋼片沖壓成形后，經(jīng)去毛刺、磨光等工藝特殊處理后，并在兩面涂F級(jí)絕緣漆，形成完整的漆膜，以減少層間渦流損耗。每個(gè)扇形片的外圓側(cè)標(biāo)有記號(hào)以便辨別正反面，扇形片易于在定子機(jī)座內(nèi)疊裝，與定位筋的配合設(shè)計(jì)也方便安裝。疊片交錯(cuò)重疊，以形成一個(gè)整體連續(xù)的鐵心。為了保證鐵心疊片的質(zhì)量，采用分段及整體壓緊，并在磁化試驗(yàn)后在常溫狀態(tài)再次壓緊的措施，即在分段及整體壓緊過程中，每隔一定的高度壓緊一次，用工具螺桿在齒部和軛部同時(shí)壓緊，待磁化試驗(yàn)(即工頻渦流加熱作用)完成后，鐵心溫度降到常溫狀態(tài)時(shí)再次把緊。這樣可有效釋放定子沖片在裁剪、疊片以及其它工序過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，增加疊片的平整度；對(duì)提高疊壓系數(shù)、減少產(chǎn)生瓢曲的內(nèi)在因素(應(yīng)力)十分有效。

鐵心上、下兩段階梯采用F級(jí)環(huán)氧硅鋼片粘接膠粘成整體，以增強(qiáng)鐵心剛度，減少鐵心振動(dòng)和降低端部附加損耗。鐵心壓緊方式采用液壓拉伸方式，鐵心的最終疊壓應(yīng)力不小于1.9MPa，以保證鐵心疊片在運(yùn)行期間不致松動(dòng)且不傷及漆膜。壓緊系統(tǒng)設(shè)有優(yōu)質(zhì)的蝶型彈簧墊圈，能保持恒定、足夠的鐵心預(yù)緊壓力，保證鐵心在運(yùn)行期間不致松動(dòng)，確保在運(yùn)行中鐵心沒有明顯的蜂鳴聲。上部齒壓板采用獨(dú)立的分塊壓板，以方便安裝和拆卸，大環(huán)板與機(jī)座焊接成一體以增強(qiáng)剛度，兩者均焊有壓指，如圖2所示。

圖2 鐵心壓緊示意圖

定子鐵心通過雙鴿尾形定位筋固定在機(jī)座上。定位筋和鐵心之間的結(jié)合，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到允許定子鐵心的徑向熱膨脹，采用雙鴿尾筋定位是防止定子鐵心瓢曲的有力措施之一。雙鴿尾筋的突出優(yōu)點(diǎn)是允許徑向自由位移，從而避免了因熱膨脹，以及事故狀態(tài)受熱不均的緣故在機(jī)座或鐵心里產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，防止定子鐵心產(chǎn)生瓢曲，保證鐵心的圓度和同心度，如圖3所示。

圖3 定子鐵心與機(jī)座固定結(jié)構(gòu)(雙鴿尾筋)

定位筋與托塊、托塊與機(jī)座的焊接按承受發(fā)電機(jī)突然短路產(chǎn)生的切向力和磁拉力產(chǎn)生的徑向力同時(shí)作用時(shí)的剪應(yīng)力設(shè)計(jì)。定子鐵心通風(fēng)槽的布置，可使空氣流動(dòng)順暢，鐵心冷卻均勻、高效和充分，并使風(fēng)阻損耗最小。通風(fēng)槽采用截面為工字形或矩形的非磁性鋼條隔成，入口通風(fēng)槽鋼制成彎形以減少進(jìn)口風(fēng)阻，通風(fēng)槽鋼能承受安裝和運(yùn)行時(shí)所施加的壓力而不產(chǎn)生有害變形。通風(fēng)槽的布置經(jīng)通風(fēng)計(jì)算確定，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，配合通風(fēng)系統(tǒng)可保證鐵心在圓周方向溫度分布均勻，如圖4所示。

圖4 定子通風(fēng)槽布置

避免進(jìn)相欠勵(lì)運(yùn)行時(shí)鐵心端部過熱的措施

(1)所有鐵心壓指、固定定子繞組的端箍等都用非磁性材料制造，以減少漏磁；

(2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)端部漏磁發(fā)熱情況，確定定子鐵心端部臺(tái)階數(shù)及尺寸，以減少漏磁對(duì)端部的影響；并根據(jù)精確計(jì)算結(jié)果來確定定子端部鐵心齒部開窄深小槽的措施，以增加散熱面積、減少磁滯渦流損耗和鐵心發(fā)熱；

(3)定子上、下端部沖片采用粘結(jié)工藝，保證整體性，減少附加損耗，見圖5；

(4)通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁極極靴形狀來調(diào)節(jié)定轉(zhuǎn)子間氣隙，從而減少漏磁。

圖5 定子上下端部沖片采用粘結(jié)工藝

鐵心壓緊螺桿采用可靠絕緣的高強(qiáng)度微磁性低碳合金鋼制成，并配置性能優(yōu)良的蝶形彈簧墊圈，保證壓緊系統(tǒng)具有恒定的彈性儲(chǔ)備，以維持機(jī)組運(yùn)行冷熱交替時(shí)鐵心膨脹和收縮對(duì)鐵心疊片的壓緊力，防止鐵心長期運(yùn)行后的松動(dòng)。

3 發(fā)電機(jī)定子組裝工藝

3.1 定子參數(shù)

發(fā)電機(jī)定子由定子機(jī)座、定子鐵心及定子線圈組成。整體定子最大外徑16890mm，最大高度5535.5mm，定子鐵心高度3295mm，定子鐵心內(nèi)徑13800mm，整體定子總重772.2t。

3.2 定子機(jī)座組裝

檢查和清掃組裝塊、定位塊、及基礎(chǔ)組裝面、基礎(chǔ)板等，并對(duì)焊縫坡口進(jìn)行打磨。將分瓣定子機(jī)座按方位依次吊入組裝機(jī)坑進(jìn)行組合。首瓣定子機(jī)座吊入后，放置在預(yù)先調(diào)平的支墩上，用導(dǎo)鏈、鋼絲繩將機(jī)座上部拉緊在風(fēng)洞墻壁上的錨鉤及上機(jī)架基礎(chǔ)上，以防分瓣定子機(jī)座傾覆，然后調(diào)整其位置和水平。將分瓣定子機(jī)座利用把合塊和定位銷、螺栓組合成圓，并用力矩扳手緊固螺栓。用測圓架檢查定子機(jī)座調(diào)整情況和同心度，必要的話重新調(diào)整。

3.3 機(jī)座焊接

機(jī)座組合縫第1～8環(huán)坡口為單邊坡口，夾角為50°。焊接方法采用80%氬氣+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)的短路過渡MAG焊，下環(huán)板焊接前應(yīng)預(yù)熱至105℃～120℃，其余各環(huán)板不需加溫，但焊接件溫度不得低于10℃，上環(huán)板為異種鋼的焊縫處預(yù)熱到75℃左右。背部清根方法為氣刨清根，并對(duì)表面打磨處理。焊縫要求做100%PT和100%UT檢驗(yàn)。

焊接結(jié)束后，用測圓架測量機(jī)座半徑和水平，機(jī)座焊接完成后進(jìn)行，下壓指焊接。焊接完成后，進(jìn)行定子機(jī)座下放與基礎(chǔ)板連接。

3.4 定位筋安裝及預(yù)疊片

裝配定位筋安裝采用大等分弦距的方法，先安裝和調(diào)整12根定位筋合格后，再以12根定位筋為基準(zhǔn)進(jìn)行192根定位筋的安裝，定位筋托板此時(shí)采用C型夾夾住。

在所有定位筋調(diào)整就位并用C型夾固定后，進(jìn)行鐵心的模擬疊片。模擬疊片的目的是校正定位筋的垂直度和直線度。模擬疊片時(shí)，分別進(jìn)行在鐵心的下、上、中部進(jìn)行15mm的試疊片。疊片時(shí)注意沖片的正反面，應(yīng)參照沖片側(cè)面的標(biāo)記孔，使沖片的正面始終朝上，預(yù)疊片時(shí)采用正式疊片便準(zhǔn)控制質(zhì)量，預(yù)疊片結(jié)束前，檢查定位筋的半徑、弦距、扭斜應(yīng)滿足質(zhì)量要求。

預(yù)疊片結(jié)束后開始定位筋托板焊接，焊接采用氣保焊，由6名焊工對(duì)稱逐環(huán)焊接，托板兩側(cè)各焊3道，焊角尺寸8mm。焊縫要求100%PT檢查，焊后尺寸復(fù)測合格后對(duì)焊縫進(jìn)行防腐處理。焊接驗(yàn)收后，拆除預(yù)疊片。

3.5 定子鐵心疊裝

定子鐵心由沖片、通風(fēng)槽片、定位筋、上下齒壓板、拉緊螺栓等零部件組成。在預(yù)疊片完成后，疊裝沖片并壓緊，裝壓過程中需保證其緊密度和圓度。保證定子鐵心的緊密度是為了防止由于機(jī)械振動(dòng)、溫度變化及電磁綜合作用而引起的鐵心松動(dòng)，并使鐵心保持一個(gè)規(guī)則的形狀而不發(fā)生嚴(yán)重的扇張現(xiàn)象。保證圓度能避免由于最終空氣間隙不均產(chǎn)生的電磁拉力不平衡而產(chǎn)生的振動(dòng)。

VHS定子鐵心由110段小段和109層通風(fēng)槽片組成，共分5次壓緊，192個(gè)M20的穿心壓緊螺栓，在鐵心與螺栓之間設(shè)有絕緣套管，以避免螺栓與鐵心之間的金屬相撞。碟形彈墊的采用，可防止發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行而引起的鐵心松動(dòng)。疊片設(shè)計(jì)片間壓力為1.9Mpa。

按照圖紙疊階梯片，按定子鐵心裝配圖要求疊裝下端階梯片。以1#定位筋為起始位置開始逆時(shí)針疊片(第一張沖片正對(duì)1#定位筋)，層間錯(cuò)開1/4張沖片，按圖紙疊裝順序完成下端階梯片的疊裝工作。下端階梯段每個(gè)梯度上部疊裝廠內(nèi)粘接成型的短齒片，并且通風(fēng)槽片反面疊裝，其接縫應(yīng)和下面沖片的接縫一致。

當(dāng)疊片高度30mm左右，每張沖片放2個(gè)槽樣棒和2個(gè)槽楔槽樣棒，槽樣棒、槽楔槽樣棒正對(duì)定位筋，槽樣棒、槽楔槽樣棒高出已疊沖片100mm。隨鐵心疊片高度提高，相應(yīng)調(diào)整槽樣棒、槽楔槽樣棒高度，保證新疊沖片必須有槽樣棒、槽楔槽樣定位。

鐵心疊至805mm、1615mm、2395mm、3175mm左右高度時(shí)各預(yù)壓一次(根據(jù)實(shí)際測量預(yù)壓螺桿、預(yù)壓套管、墊圈、下齒壓板、機(jī)座大齒壓板、預(yù)壓螺母等高度，計(jì)算出鐵心每次預(yù)壓實(shí)際疊片段高度)，共預(yù)壓4次。

安裝預(yù)壓壓板，壓板的接縫位置要和最后一層沖片的接縫位置錯(cuò)開。在兩塊壓板之間焊接連接板，以保證鐵心壓緊時(shí)，沿周向不會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階。插入臨時(shí)預(yù)壓螺桿，安裝螺母和墊圈，螺桿螺紋部位和墊圈要涂抹二硫化鉬。

每次分段壓緊鐵心，將鐵心上部槽樣棒放入槽底。分段壓緊鐵心結(jié)束后，再將槽樣棒重新調(diào)整放在正常疊片位置。

每次預(yù)壓完成后，利用緊量刀具檢查壓緊度，并利用卷尺抽測部分點(diǎn)在最終壓力下壓緊兩遍總高度變化情況(一般不超過0.5mm)，檢查滿足設(shè)計(jì)要求后停止壓緊，否則，根據(jù)實(shí)際情況再次壓緊一遍，直至檢查合格。

預(yù)壓完成后，應(yīng)測量全圓周每張沖片處背部、槽底、端部鐵心總高度，并計(jì)算下次壓緊前各段補(bǔ)償片情況，編制詳細(xì)的補(bǔ)償片加/減計(jì)劃表。同時(shí)測量鐵心內(nèi)圓上部和下部圓度、半徑，共計(jì)96點(diǎn)，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)做好記錄報(bào)檢驗(yàn)收。驗(yàn)收合格后，方可松壓。

驗(yàn)收后分步松開預(yù)壓螺母，預(yù)壓螺母旋轉(zhuǎn)擰開不能超過3圈。用液壓力矩扳手松開預(yù)壓螺母分多次逐步進(jìn)行，全部松開螺母一圈后，再進(jìn)行第二圈松開螺母，多次循環(huán)直至全部預(yù)壓螺母松開。

鐵心疊片全部完成后，按圖紙安裝上齒壓板、穿心螺桿等鐵心永久設(shè)備。安裝蝶形彈簧時(shí)要注意蝶形彈簧的數(shù)量和方向。檢查上壓板上壓指的位置，要求壓指中心與沖片齒中心偏差不大于2.0，壓指齒端與沖片齒端徑向距離符合設(shè)計(jì)要求，并且整個(gè)壓指與鐵心完全接觸，如有必要進(jìn)行調(diào)整。

蝶形彈簧的壓縮量設(shè)計(jì)為3.75mm，測量并記錄實(shí)際結(jié)果。擰緊時(shí)，蝶形彈簧組的高度要比套筒的有效高度高1～2mm。

全部檢查工作完成后，進(jìn)行最終壓緊。最終壓緊通過檢查蝶形彈簧的高度或擰緊力矩來檢查鐵心是否壓緊。

3.6 定子磁化試驗(yàn)

定子磁化試驗(yàn)是利用專用的勵(lì)磁線圈，在鐵心內(nèi)部形成交變的磁通，使鐵心產(chǎn)生渦流損耗，溫度升高，并利用測溫裝置測量鐵心各部溫升；同時(shí)利用低功率因數(shù)瓦特表測量勵(lì)磁損耗，計(jì)算定子鐵心單位重量的損耗。根據(jù)溫度測量結(jié)果判斷鐵心內(nèi)部是否存在短接點(diǎn)。磁化試驗(yàn)時(shí)纏繞的勵(lì)磁線圈的匝數(shù)按下式確定

式中，W—匝數(shù)；V—?jiǎng)?lì)磁線圈施加的電壓，v；f—頻率，Hz；S—定子鐵心有效截面積，cm2；B—鐵心磁通密度，Gs。規(guī)程要求按1T計(jì)算。

式中，K—鐵心填充系數(shù)，取0.93；L1—鐵心總高度，cm；L2—通風(fēng)溝高度，cm；n—通風(fēng)溝層數(shù)；D1——鐵心外徑，cm；D2—鐵心內(nèi)徑，cm；b—槽深，cm。磁化試驗(yàn)時(shí)通入勵(lì)磁線圈的電流按下式計(jì)算

式中，I—電流，A；H—定子鐵心單位長度所需安匝數(shù)，安匝/cm。一般取1.4～1.9，對(duì)使用穿心式絕緣壓緊螺栓結(jié)構(gòu)選用較大值。

定子磁化試驗(yàn)參數(shù)為：勵(lì)磁電壓10kV，計(jì)算磁通密度1.0T，勵(lì)磁線圈匝數(shù)43匝，勵(lì)磁電流202.82A，試驗(yàn)所需供電容量3688.42kVA，試驗(yàn)時(shí)間1.5h。試驗(yàn)判斷標(biāo)準(zhǔn)：鐵心最高溫升不大于25℃，鐵心最大溫差不大于15℃。定子磁化試驗(yàn)結(jié)束后，最終壓緊螺栓并測量其絕緣值。

4 結(jié)語

通過對(duì)水電發(fā)電機(jī)定子機(jī)座以及對(duì)定子鐵心的結(jié)構(gòu)研究，確定了一整套科學(xué)、合理、行之有效的安裝程序，此安裝程序目前屬于國內(nèi)領(lǐng)先，為以后的此類產(chǎn)品提供了更好的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)例驗(yàn)證。

[1] 付元初，張曄. GB 8564—2003 水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范.

[2] 劉平安，張曄.GB/T 7894—2009 水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件.

[3] 李啟章.大型水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)穩(wěn)定性問題[J].湖北電力，2001.4.

[4] 張橋，曾洪富，唐益民.龍灘水電站1號(hào)機(jī)定子鐵心裝配及主要問題分析[J].水電站電機(jī)技術(shù)，2007(4),58-61.

Assembly Technology Method of Stator Core of Generator

MaJindong

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Through introducing and analyzing structure and technology of stator frame and stator core of generator in hydropower station, this paper proposes a fast assembly technology method of adopting the floating-type stator frame welding and double-dove tail positioning rib. Based on field practice, it is proved that this method belongs to a domestic leading technological one.

Generator；stator frame；stator iron core；structure；technology

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.16

TM305.1

B

1008-7281(2017)03-0051-005

馬金東 男 1982年生；畢業(yè)于南昌工程學(xué)院水電站動(dòng)力設(shè)備專業(yè)，現(xiàn)從事大型水輪發(fā)電機(jī)組的安裝與指導(dǎo)工作.

2016-03-29