空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具優(yōu)化設(shè)計(jì)

金曉華

（南京汽輪電機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，南京 210037）

轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓固化成形是一種轉(zhuǎn)子線圈裝配成形固化方式。常規(guī)烘壓工裝有6片分瓣瓦形塊，呈圓周分布組成一個(gè)整圓。它的內(nèi)圓與轉(zhuǎn)子線圈端部外圓尺寸相同。每個(gè)瓦形塊上有一個(gè)支壓環(huán)。支壓環(huán)上安裝有與分瓣瓦形塊位置相對(duì)應(yīng)的徑向支壓螺栓。使用時(shí)分步將分瓣瓦形塊依次放置在覆蓋了一層絕緣材料的轉(zhuǎn)子線圈端部，然后用支壓環(huán)上的支壓螺栓依次初步固定支壓瓦形塊。轉(zhuǎn)子線圈通直流電進(jìn)行加熱軟化后，再依次支壓瓦形塊。支壓時(shí)測(cè)量瓦形塊位置，當(dāng)測(cè)量尺寸達(dá)到預(yù)期要求時(shí)，完成烘壓固化成形。常規(guī)烘壓工裝的安裝操作勞動(dòng)強(qiáng)度大、尺寸測(cè)量不方便、精度無法保證且成形效果不理想，無法滿足產(chǎn)品對(duì)尺寸精度和形位公差的要求，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量，容易出現(xiàn)重大質(zhì)量事故[1]。因此，對(duì)烘壓工具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

1 空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)和成形工藝

從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈由轉(zhuǎn)子銅排、絕緣結(jié)構(gòu)以及冷卻風(fēng)道等結(jié)構(gòu)單元組成。大型空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈分2極，每極7組或8組線圈，每組有20層以上的轉(zhuǎn)子銅排。在制造過程中，各制造廠會(huì)根據(jù)大型空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和專用設(shè)備情況，采用符合自身情況的工藝。下面分析一種制造成本較低的線圈下線和端部成形工藝。線圈下線采用單片下線方式，端部手工彎形，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子銅排實(shí)配成形工具，用于在操作空間受限的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上進(jìn)行轉(zhuǎn)子銅排實(shí)配成形，解決半硬銅排實(shí)配成形困難的問題[2]。實(shí)配成形操作時(shí)，成形工具的彎頭和轉(zhuǎn)子銅排之間只有靜壓力和摩擦力，可避免因?yàn)榍么虻臎_擊力使轉(zhuǎn)子線圈絕緣受損。轉(zhuǎn)子銅排在轉(zhuǎn)子端部實(shí)配成形后，采用支壓工具壓緊在嵌線槽內(nèi)，完成兩半轉(zhuǎn)子銅排的焊接，逐片逐層直至完成全部轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)的烘壓前成形。

2 端部結(jié)構(gòu)烘壓工具優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的

大型空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)尺寸大，各部分結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)的相對(duì)位置變化較大。線圈端部結(jié)構(gòu)對(duì)烘壓固化的要求非常高，而常規(guī)烘壓工裝存在諸多問題，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)誤差過大等問題。為了提高空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具的精確性和可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行必要的改進(jìn)設(shè)計(jì)。依據(jù)多年車間生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)理論等知識(shí)，設(shè)計(jì)能在瓦形塊前端伸出定位柱定位轉(zhuǎn)子本體外圓的工具，具有定位精度高和不需要測(cè)量尺寸等優(yōu)點(diǎn)[3]。同時(shí)，工具需注意避免干涉定位柱的分布結(jié)構(gòu)。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

運(yùn)行時(shí)，空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本體、轉(zhuǎn)子銅排和絕緣結(jié)構(gòu)的溫升各不相同。各部分材料熱脹系數(shù)不同，在啟停情況下，各結(jié)構(gòu)之間相對(duì)位置變化很大。此時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。針對(duì)350 MW等級(jí)的大型空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造，需要對(duì)轉(zhuǎn)子生產(chǎn)過程和組裝工藝進(jìn)行必要的優(yōu)化與改進(jìn)，以生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)良的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。常規(guī)烘壓工裝的安裝操作和尺寸測(cè)量不方便，無法保證結(jié)構(gòu)精度，因此有必要對(duì)空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 烘壓工具的構(gòu)成和作用

以老式空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具為研究對(duì)象進(jìn)行相關(guān)闡述。為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)烘壓工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要熟悉烘壓工具各部分的構(gòu)成和作用。烘壓工具有8片分瓣瓦形塊，呈圓周分布組成一個(gè)整圓，其內(nèi)圓與轉(zhuǎn)子線圈端部外圓尺寸相同。每片瓦形塊每端都有兩個(gè)定位柱，一端定位至轉(zhuǎn)子本體，另一端定位至一個(gè)定位環(huán)部件。定位環(huán)部件上設(shè)計(jì)了一套支撐結(jié)構(gòu)，能保證定位環(huán)部件的位置精度。定位柱和定位環(huán)部件能實(shí)現(xiàn)瓦形塊支壓位置的精確定位。烘壓工具主要用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓固化成形，要求能有效保證烘壓固化的尺寸精度和形位公差，且要求操作方便。

3.2 轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方案

為了保證轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)的精密性，不僅需將烘壓工具的誤差控制在允許范圍內(nèi)，還要確保烘壓工具不會(huì)出現(xiàn)上下方向和前后方向的位移偏差。鑒于此，定位環(huán)部件與支壓環(huán)組合成了一個(gè)可按軸向移動(dòng)的組合體。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的烘壓工具能夠保證轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓固化的尺寸精度和形位公差，確保大型空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的產(chǎn)品質(zhì)量。轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具各零部件組合成可一次吊裝的組合體，使用時(shí)操作方便。定位環(huán)部件上設(shè)計(jì)了一套支撐結(jié)構(gòu)，能保證定位環(huán)部件的位置精度。定位柱和定位環(huán)部件能實(shí)現(xiàn)瓦形塊支壓位置的精確定位。烘壓工具與轉(zhuǎn)子線圈有接觸部分使用絕緣結(jié)構(gòu)，確保其安全可靠[4]。改進(jìn)后烘壓工具使用狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后烘壓工具使用狀態(tài)的結(jié)構(gòu)

3.3 改進(jìn)后烘壓工具的特點(diǎn)

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的烘壓工具有一整套定位結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了瓦形塊與轉(zhuǎn)子之間的精準(zhǔn)定位，省去了測(cè)量瓦形塊位置的大量操作。作為一種優(yōu)化改進(jìn)，瓦形塊前端伸出的定位柱可定位到轉(zhuǎn)子本體外圓。定位柱的分布結(jié)構(gòu)避免了互相干涉，且定位精度高，不需要測(cè)量尺寸。瓦形塊尾端伸出的定位柱可定位到定位環(huán)部件。定位柱的分布從定位環(huán)部件的缺口穿過定位到鋼環(huán)外圓上，并且可以通過觀察孔確認(rèn)支壓位置。此外，瓦形塊與支壓環(huán)通過螺桿結(jié)構(gòu)連接成一個(gè)可徑向移動(dòng)的組合體。定位環(huán)部件與支壓環(huán)通過卡環(huán)及固定塊連接成一個(gè)可軸向移動(dòng)的組合體，省去了分步安裝的操作。瓦形塊和定位環(huán)部件有絕緣結(jié)構(gòu)，能夠保證轉(zhuǎn)子線圈通電加熱時(shí)的可靠性和安全性。定位環(huán)部件上有一套支撐結(jié)構(gòu)，可精確調(diào)整定位環(huán)部件的位置。支撐結(jié)構(gòu)上的支撐桿有位置刻線，能夠準(zhǔn)確反映位置誤差。通過在支壓環(huán)上設(shè)計(jì)一套支撐板，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子線圈前端與轉(zhuǎn)子的初步定位。此外，支撐塊可實(shí)現(xiàn)尾端與轉(zhuǎn)子的初步定位，給使用者提供了便利。支壓螺栓設(shè)計(jì)成特殊結(jié)構(gòu)，從支點(diǎn)至方頭分別是球形支點(diǎn)、卡位螺紋、讓位槽、工作螺紋、退刀槽和方頭，且配有保護(hù)套。保護(hù)套和支壓螺栓能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但無法軸向脫離，具有方便、耐用及安全的特點(diǎn)。支壓螺栓和支壓環(huán)之間有齒套。支壓環(huán)組件結(jié)構(gòu)和定位環(huán)支撐結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 支壓環(huán)組件結(jié)構(gòu)

圖3 定位環(huán)支撐結(jié)構(gòu)

4 空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具工作方式

為了便于掌握空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具的具體工作方式，進(jìn)行如下說明。支撐塊主要用于實(shí)現(xiàn)尾端的初步定位。各單元之間通過螺栓連接的方式固定，方便拆卸，可靠性較高，且設(shè)計(jì)了拉緊螺栓結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)軸向拉壓功能。定位環(huán)部件是實(shí)現(xiàn)尾端精確定位、尾端各零部件有序組合、軸向拉壓和整體支撐承重的關(guān)鍵零部件?？ōh(huán)用于實(shí)現(xiàn)定位環(huán)部件和支壓圈的有序組合。分瓣瓦形塊的外部是支壓環(huán)和用于徑向支壓螺栓的零件。支撐板用于前端初步定位。瓦形塊的鋼筋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了其耐磨性。絕緣結(jié)構(gòu)可以保證瓦形塊和轉(zhuǎn)子線圈相互絕緣。

5 空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具優(yōu)化效果

通過在空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具安裝定位環(huán)，可以方便不同的零部件之間進(jìn)行組合，有利于將支壓環(huán)、卡環(huán)和定位環(huán)部件組合成一個(gè)有序組合體。分瓣瓦形塊也可以進(jìn)行組合，依次將分瓣瓦形塊安裝至定位環(huán)上，再安裝支撐板和支撐塊，即可完成組裝。在空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具使用時(shí)，待烘壓轉(zhuǎn)子處于本體中部支撐承重兩端懸空的狀態(tài)時(shí)，暫時(shí)拆下支撐塊，分別在汽勵(lì)端轉(zhuǎn)子線圈端部位置吊裝一套部件，其中前端裝支撐板進(jìn)行初步定位，尾端裝支撐塊進(jìn)行初步定位。要求全部支撐桿上的刻線位置調(diào)整至同刻度。初步預(yù)緊分瓣瓦形塊，然后轉(zhuǎn)子線圈通直流電進(jìn)行加熱軟化，軸向拉緊到位，分別逐漸支壓瓦形塊。前端定位柱靠上轉(zhuǎn)子本體外圓，尾端定位柱靠上定位環(huán)部件的鋼環(huán)，即可完成烘壓操作。優(yōu)化設(shè)計(jì)完成之后的空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)烘壓工具使用方法簡單易掌握、方便耐用、安全可靠、能有效保證烘壓固化的尺寸精度和形位公差。

6 結(jié)語

綜上所述，烘壓工具對(duì)空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)具有重要影響。文章設(shè)計(jì)的烘壓工具在瓦形塊前端伸出的定位柱可定位到轉(zhuǎn)子本體外圓，而定位柱的分布結(jié)構(gòu)避免了其相互干涉。瓦形塊尾端伸出的定位柱可定位到定位環(huán)部件，具有定位精度高、不需要測(cè)量尺寸以及操作方便等優(yōu)勢(shì)。