3 灯泡贯流式水轮发电机定子铁芯松动原因分析及对策2

灯泡贯流式水轮发电机定子温度高及铁芯松动原因分析及对策
灯泡贯流式水轮发电机定子温度高及铁芯松动原因分析及对策
许诩俭
（福建华电发电有限公司 福建 福州 350003）
摘 要：福建高砂水电厂灯泡贯流式水轮发电机投运时就存在定子温度高、其后陆续出现定子铁芯松动变形、定子铁芯塌陷扫膛等问题。

本文分析了出现问题的原因，制定了改造方案，实施后解决了定子运行温度高、铁芯松动变形等问题。

关键词：灯泡贯流式水轮发电机 定子运行温度高 定子铁芯松动 改造方案
1 设备状况
福建高砂水电厂共装有4台12.5MW灯泡贯流式水轮发电机组，发电机型号SFWG12.5-48/4950，额定电压6.3KV，额定转速125r/min，F级绝缘。

发电机定子为贴壁结构，其通风冷却采用二次热交换方式，机座起吊方式为单吊点起吊。

因水轮机出力不足，发电机出力仅达11.5MW，在此负荷运行工况下定子铁芯最高温度为115℃。

2 存在问题
4台发电机自投运时，定子均存在运行温度高、其后均陆续出现定子铁芯松动、定子塌陷扫膛等问题。

期间虽经多次修复（重新叠片），但由于未对定子做结构性的改造，定子运行温度高、定子铁芯松动、定子塌陷等问题未能得到彻底解决。

存在的主要问题是：
（1）定子运行温度高、定子铁芯松动。

改造前，高砂水电厂4台发电机在较长时间带11.5 MW时，定子运行温度即高达115℃。

每次机组大小修检查，均发现定子铁芯出现比较严重的松动。

为确保发电机安全运行，不得不限负荷运行（控制定子运行温度不超过100℃），采取该措施后，定子铁芯松动问题得到有效的控制。

（2）定子机座刚度较差。

改造前，机座壁较薄，定子铁芯段厚度75mm、非铁芯段厚度45mm、机座法兰面厚度50mm。

通过采用有限元法，运用美国ANSYS结构分析软件，对原定子机座进行起吊变形计算得出：机座上游侧径向变形量为2.02mm/m，下游侧径向变形量为1.88mm/m。

现场起吊实测定子机座直径变形量（X方向与Y方向直径差）最大达18mm。

3 原因分析
针对厂家重新叠片后仍出现相同的问题，我们分析认为：定子运行温度高、定子铁芯松动变形、定子塌陷扫膛的根本原因并非是定子铁芯叠压不够紧。

为此，我们邀请了省内外发电机设计专家和技术人员对存在问题的原因进行了认真分析，形成了如下共识：
3.1 定子运行温度高的原因
针对发电机投运后就存在定子运行温度高问题，我们委托第三方对原发电机电磁设计和通风冷却系统进行了复核。

复核结果表明：原发电机电磁方案设计基本合理（其设计取值偏上限）。

定子运行温度高的原因是发电机运行产生的热量无法合理靠机座壁散热和通风冷却系统带走。

3.2 定子铁芯松动的原因
造成定子铁芯松动的主要原因是：
3.2.1 定子运行温度偏高，定子冲片与鸽尾筋之间、铁芯与机座之间预留间隙偏小。

由于定子运行温度高，定子铁芯热膨胀量大于定子冲片与鸽尾筋之间预留间隙，造成定子铁芯热膨胀后径向顶托机座壁，定子铁芯受轴向应力作用而产生曲翘变形导致铁芯松动。

3.2.2 定子铁芯压紧设计不合理。

① 定子冲片上的穿芯螺孔中心取值不当（距齿槽底尺寸为54 mm），过于靠近铁芯外园，是定子铁芯压不紧的根本原因。

② 定子穿芯螺杆强度不够。

经过计算核实，定子冲片压紧时穿芯螺杆承受的扭矩应为540 N·m，而穿芯螺杆实际承受的扭矩只达到320 N·m，铁芯无法继续压紧，导致铁芯片间压力不足10kg/cm2。

③ 定子齿压板固定方式不合理。

原发电机定子齿压板将定子铁芯压紧后，在齿压板与机座之间均用80×35×30mm的卡簧固定且焊接，当定子受热轴向膨胀时，被齿压板、齿压条紧紧限位，导致齿压板、齿压条变形而出现铁芯松动。

④ 齿压条的刚度不够。

由于齿压条的刚度不够，定子铁芯受热膨胀时，齿压条受轴向应力作用而压弯翅曲，导致铁芯松动。

3.3 定子塌陷的原因
3.3.1 定子冲片的鸽尾槽设计不合理。

原有形状为平行四边形，在实际运行中鸽尾筋仅单侧受力，相当于鸽尾筋数量减少一半。

3.3.2 定子现场叠装工艺不良。

定子在叠片时产生拱片（铁芯成波浪形），导致鸽尾筋受力不均匀。

在运行中,由于定子温度升高铁芯受热膨胀,膨胀的切向力将鸽尾筋
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灯泡贯流式水轮发电机定子温度高及铁芯松动原因分析及对策
与机座固定点剪断，致使定子铁芯下塌。

3.3.3 定子机座壁偏薄，刚度、强度较差。

由于机座壁偏薄且为单点起吊，起吊变形量大，起吊过程对鸽尾筋造成伤害，导致鸽尾筋与机座脱离。

4 改造方案
针对上述原因分析的结论，我们从降低定子运行温度、加强定子铁芯压紧方式和定子部件强度、提高定子机座刚度等几方面进行改造。

4.1 防止定子运行温度高采取的改造措施
4.1.1 机座定子铁芯段喷金属铝，提高机座壁导热效果。

发电机运行后定子铁芯热膨胀与金属铝接触，利用金属铝良好的导热性能和较软的金属特性，既提高定子机座壁散热能力，又可避免定子铁芯因热膨胀顶托机座而产生轴向应力导致铁芯曲翘变形、松动。

4.1.2 在定子冲片齿部开一个113mm×6mm的通风槽，增加通风冷却表面积。

叠片后形成轴向通风沟，风机产生的风将定子线棒和铁芯产生的热量有效的沿此轴向通风沟带走并与空冷器进行热交换，提高发电机内部的通风冷却效率，以降低运行温度，减小铁芯热热膨胀量，避免铁芯过度顶托机座。

4.1.3 降低定子线棒主绝缘厚度，提高线棒热交换效率。

采用相当于H级绝缘的桐马环氧粉云母带，线棒主绝缘单边厚度由原来的2.4mm降为1.8mm。

由于主绝缘厚度降低，线棒运行产生的热量易于传到铁芯，并被冷却系统冷却，从而降低了线棒运行温度。

4.2 防止定子铁芯松动采取的其他改造措施
4.2.1 采用刚度较高的齿压条。

为了提高齿压条的刚度，将齿压条的材质改为刚度较高的非磁性不锈钢40Mn18Cr4V。

同时，为了保证齿压条和齿压板的整体刚度，防止齿压条松动脱落，采取齿压板、齿压条焊为一体，再加工齿压条的下平面，保证齿压条的平面度。

4.2.2 改变定子冲片上的穿芯螺孔中心取值。

穿芯螺孔中心取值（距齿槽底尺寸）从改造前的54 mm减小到改造后的30.4mm，加强了压紧效果。

4.2.3 提高穿芯螺杆强度。

定子冲片压紧时穿芯螺杆的扭矩由原来实际只能承受的320 N·m提高到540 N·m，提高了铁芯压紧度。

4.2.4 改变定子齿压板固定方式。

取消卡簧，让定子铁芯热胀冷缩时处于自由浮动状态。

4.3 防止定子铁芯塌陷采取的改造措施
4.3.1 增加定子机座壁厚度，提高机座刚度和强度，确保起吊安全。

由于原定子机座壁厚度偏小，其刚度难以满足安全起吊的要求。

本次改造中增加了定子机座壁及机座上下法兰面的厚度，同时将机座材质更换为强度更高的Q345-A材料。

其中，铁芯段厚度由原来的75mm增加至80mm、非铁芯段厚度由原来的45mm增加至75mm机座法兰面厚度由原来的50mm增加至65mm。

通过采用有限元法，运用美国ANSYS结构分析软件进行起吊变形计算，定子起吊径向变形量由改造前的2.02mm/m降低为0.95mm/m。

机座刚度大为提高，定子起吊变形减少明显，大大减小了起吊变形。

4.3.2 定子冲片的鸽尾槽采用等腰梯形口结构。

改造前形状为平行四边形，在实际运行中鸽尾筋仅单侧受力（相当于鸽尾筋数量减少一半）。

改造后采用等腰梯形口结构，避免了鸽尾筋单侧受力。

4.3.3 完善装配工艺。

① 鸽尾筋的安装采用特制、精确的定位样板并采用大等分装筋工艺，确保了鸽尾筋的正确定位。

鸽尾筋弦距误差控制在0.30mm以内。

② 铁芯分段预压由专制的预压装置完成，每500mm 预压一次，铁芯全部叠装后和铁损试验后再分别进行整体压紧，确保铁芯压紧质量。

5 改造效果
高砂水电厂#1发电机定子改造后于2008年2月4日投入运行。

通过主汛期的运行考验，一年多的运行表明，电磁声正常，运行温度下降明显。

改造前后运行温度及起吊变形情况如下：
表1：改造前后发电机定子各部夏季最高温度比较表
（11.5MW出力工况下）(℃)
定子铁芯定子线圈 空冷热风 空冷冷风改造前温度115 115 69 54
改造后温度63754730表2：改造前后发电机定子起吊变形量比较表
计算值（mm/m）实测值（mm）改造前起吊变形量 2.0218
改造后起吊变形量0.95 6.4
从表1、表2可以看出，改造后定子各部运行最高温度下降明显，较好地解决定子运行温度高的问题；改造后定子起吊变形减小明显，较好地解决定子起吊变形量大的问题。

改造投运后，每半年一次跟踪检查定子运行情况，并利用机组小修机会全面检查定子，均未发现定子存在铁芯松动、铁芯变色等异常现象，至今运行正常。

改造达到了预期目标。

6 结束语
通过对高砂水电厂#1发电机定子改造，有如下三点启示：
1、由于水电机组开停机比较频繁，如运行温度较高，长期热胀冷缩易对定子铁芯及相关部件造成疲劳，不利于机组安全运行，因此要尽可能采取措施降低定子运行温度。

2、定子冲片与鸽尾筋之间、铁芯与机座之间预留间隙应与定子运行温度高相适应。

间隙过大则影响机座散热效果，过小则造成定子铁芯热膨胀后过度顶托机座壁，从而产生轴向应力使铁芯曲翘变形而松动。

3、单点起吊方式由于作用力集中在+Y上，定子起吊变形量较大，对鸽尾筋产生不利影响。

建议采用双点起吊方式，以降低定子起吊变形量。