富士灯泡贯流机组结构特点探讨和评述 孙鸿秉¹　聂启蓉²　周维真³
1.广西岩滩水电站工程建设公司，广西　南宁　530023； 2.广西电力工业勘测设计研究院，广西　南宁　530023； 3.广西桂冠电力股份有限公司，广西　南宁　530023 1　总体布置
　　富士灯泡贯流机组水轮机和发电机共用一根主轴，呈水平布置，转动部分采用两支点、双悬臂结构。一端为发电机导轴承，为解决转子与主轴连接后的挠度问题，采取了两项措施：在导瓦支架与轴承支架之间，按实测变形量加垫，确保推力轴承接触良好；定子与管形座连接的法兰面，加工成斜面，斜率4 mm，使定子内径和转子外径的空气间隙相一致。另一端为水轮机导轴承，采用半瓦结构。当转轮与主轴连接后，同样会产生挠度，为此，根据转轮挠度计算值，减去转轮在水中的浮力产生的上抬量，将水导轴承支架事前抬高约1 mm，使转轮中心与转轮室球面中心相一致。
　　机组主支撑为管形座，在前端灯泡头设有垂直和水平辅助支撑。为安装和检修的需要，在上游侧设置了发电机竖井，下游侧设置了水轮机竖井，中部竖井通过管形座上立柱，可抵达主轴。

2　转轮
　　转轮由轮毂体、泄水锥和4个桨叶组成，直径6.4 m，轮毂比0.428，装配重93 t。
　　转轮桨叶操作机构为无操作架动缸式，在5.0 MPa油压作用下，通过受油器及主轴内的操作油管作用于转轮，此时活塞固定，而缸体在油压作用下可上下移动，随之带动连接在缸体盖上的连杆，转动桨叶，进行机组启动或关闭操作。动缸式操作机构简化了受油器结构，提高了运行的可靠性。受油器内外腔各设置了Φ237 mm和Φ315 mm巴氏合金浮动轴承，浮动量为2.5 mm，浮动轴套处安装摆度按0.10 mm控制，运行情况良好。
　　富士电机的转轮叶片有其特色，转轮叶片加工时，外缘侧留有一凸台，尖端向下，其优点是：
　　(1)减少了转轮室容积损失，使桨叶与转轮室之间的流量损失相应减少；
　　(2)改善叶片背面的空化腐蚀；
　　(3)增加了叶片端部强度。
　　叶片密封采用多层V型橡胶密封圈，可满足不拆卸叶片的情况下更换密封。叶片密封结构的特点是：在密封导座后面装有90个圆柱弹簧，在弹簧力的作用下，使V型密封圈贴紧叶片枢轴和轮毂体，密封效果良好。为适应红水河洪枯水位变幅大，防止叶片密封万一失效情况下，河水有可能进入转轮腔体，在厂房顶部设一高位油箱，其管路经受油器与转轮腔体连通，使转轮叶片内侧的油压，始终大于最高尾水位水压，根本上消除了转轮腔体进水的可能性。
　　水轮机最高效率为95.2%。

3　导水机构
　　导水机构由外导水环、内导水环、活动导叶、控
　　制环及斜向布置在两侧墙上的接力器所组成。结构特点如下：
　　16个活动导叶成圆锥形布置，活动导叶上下两端轴承，均采用无油润滑材料制造的球面轴承，使导叶转动灵活，不易卡阻。导叶上轴颈虽有两道橡胶密封，为防止可能的渗水，用管路汇集后排至排水沟。
　　由于灯泡贯流机组的活动导叶连杆装置，是在三维空间上运动的机械装置，故其连杆两端必须采用球面轴承，轴承材料亦为无油自润滑。这种不需要外加润滑剂的含油球轴承，使连杆机构大为简化，运行可靠性好。
　　富士灯泡贯流机组采用了弯曲连杆替代了传统的剪断销保护。当活动导叶卡阻时，连杆机构中的弯曲连杆自行弯曲，但仍和活动导叶连接在一起，使被卡阻的活动导叶不至于失控而扩大事故，而其它导叶通过接力器仍可全部关闭。
　　活动导叶控制环设置在外导水环下游侧法兰处，控制环内装443个Φ50.8 mm钢球，形成一组滚珠，注入高粘度润滑油，使控制环在接力器操作下能灵活转动。这种结构有如下优点：
　　(1)滚珠轴承既可承受径向力又可承受轴向力；
　　(2)由于是滚动摩擦，摩阻力极小；
　　(3)利用压板调节螺栓，可将滚珠间隙调整到最优状态。如果滚珠已被磨损，只需调整间隙而不用更换其它部件；
　　(4)维护方便，只需在大修时补充或更换润滑油脂。
　　导叶立面间隙靠加工精度保证，也可用偏心套进行调整。导叶端面间隙可用外导水环上的调整垫的厚度来调整。富士保证导叶最大漏水量不超过1.06 m³/s，为水轮机额定流量的0.28%。

4　定子
　　定子包括机座、铁芯和线圈等主要部件，外径Φ7 600 mm，起吊重量70 t。定子机座采用框架结构，分三瓣运到工地组装。定子机座与铁芯连接，采用微浮动式结构，当铁芯受热后能自由膨胀，从而减少机座的热膨胀应力，使定子机座结构得以简化。反过来说，定子机座变形也不会影响铁芯圆度。浮动结构方式：定子铁芯迭压时，冲片与鸽尾键之间加装厚4 mm、宽19 mm钢垫条，铁芯迭压完成后，将垫条拔出，留下空隙即为铁芯浮动量。
　　定子线圈采用阻燃性材料，这是富士机组的一大特点。发电机内部不必设置自动喷水的灭火装置和火灾报警装置，使结构大为简化，又不必担心发生水管漏水的事故隐患。线圈绝缘材料为加强型玻璃纤维树脂板、环氧树脂云母薄板、聚酰胺薄板和石墨环氧树脂等，这些材料的阻燃性、自熄性和不易燃性，试验效果很好。线棒下线时，用石墨纸作为槽衬，亦有良好的阻燃作用。
　　定子采用密闭强迫通风和内水循环冷却方式，分别装置了6台风机和6台空气冷却器，冷却效果较佳。定子运行线圈最高温度为105℃，远低于F级绝缘运行许可温度。
　　定子置于流道之中，上游端和灯泡头相接，下游端与内管形座相连。由于空间尺寸窄小，定子两侧法兰与灯泡头和管形座连接时，不采用销钉定位，而采用偏心套连接定位。偏心套两端轴径分别为Φ43 mm、Φ70 mm，中心偏差调节量可达13.5 mm，调节十分方便。
　　定子铁芯压紧方法是一个有争议的问题。定子铁芯高度1 296 mm，采用M36穿芯螺杆拧紧。其特别之处在于增设了3个Φ89 mm、Φ45 mm盘形弹性垫，其极限压缩量为3 mm，穿芯螺杆通过螺母压缩钢垫，进而压缩盘形弹性垫，达到紧固铁芯的目的。为控制铁芯紧量，不使拧紧力过大，在盘形弹性垫内孔中增设了一个限位衬套。铁芯拧紧标准有三种说法：(1)按拧紧力矩；(2)测量拧紧螺母与铁芯之间的距离；(3)限位衬套拧紧到位。第一种方法，厂家未提供1 300 N*m的力矩扳手；第二种方法因零件加工误差，所测距离有变化，不能正确反映铁芯的应有紧度；第三种方法是富士公司最后认可的，但安装实践中，发现盘形弹性垫其线性变形量不一致，限位套到位后，由盘形弹性垫作用在铁芯上的紧力是不一致的。增加3个盘形弹性垫的目的，据富士公司解释是考虑机组长期运行之后，定子铁芯可能产生萎缩，此时盘形弹性垫将会自动补偿，保持铁芯不会松动。

5　发电机转子
　　转子采用无轴上游悬臂结构，由转子中心体、磁轭、磁极和制动环板等组成。转子中心体为圆盘式支架，均布有8个通风孔，分两瓣在工地把合成整体。
　　磁轭冲片不设置专用的导向销孔，迭压时依靠磁轭外缘的燕尾槽(即磁极键槽)，设置导向键向外胀紧，以保证磁轭圆度。这种结构的优点：减少了导向销的消耗量，而导向键可重复使用。其缺点是：由于磁轭冲片厚薄差异，迭压后磁轭压紧时，易发生水平窜动，增加了铣槽铣孔的工作量。
　　磁轭的另一个特点是：磁轭冲片中没有专用的通风槽片。迭片时，3张冲片一次迭放，平面错开1/3位置，在圆周上形成高9 mm、16个均匀分布的通风槽沟。
　　磁轭与中心体配合也是彼具特色的，采用8组T型键和8组S型键。T型键传递径向、切向力，S型键则传递径向力。磁轭键紧固不采用传统的热打法，而采用热配方法。磁轭键先行预装，测定间隙值后，加上热配紧量，用氩弧焊将垫片与磁轭键焊牢，待磁轭加热膨胀后，插入磁轭键，适量打紧，冷却后磁轭与中心体即成为一体。
　　磁极装配也有独到之处。传统方法，磁极打紧方向，从外向内，贴紧磁轭，而富士电机磁极打紧由内向外。磁极先行预挂装，测定间隙值后，将垫片用氩弧焊与磁极铁芯固定，重新挂装磁极，用配对磁极键打紧。这种结构的优点是：磁极打紧方向与磁极离心力作用方向相一致，确保磁极不会松动。
　　磁极结构方面，其铁芯和线圈之间允许相对滑动，而转子外圆公差允许磨削磁极铁芯外表面进行修正。
　　转子制动环板设计成可调式，整圆性好，两环板之间高差可调整到0.1 mm，误差极小，保证了制动时的平稳性。

6　主轴和轴承
　　主轴长7 475 mm，轴径Φ950 mm，重38.2 t，水轮机端法兰直径Φ1 650 mm，发电机端法兰直径Φ1 870 mm。水轮机和主轴连接采用一种专用工具，以3个螺栓作为联合支承点。通过气顶顶紧螺母，到达零位后控制螺母转角，达到拧紧力矩。发电机和主轴连接，则采用油顶，到达零位后，按螺栓伸长值控制拧紧力矩。
　　主轴分别由发电机导轴承和水轮机导轴承支承。发电机导轴承宽800 mm，通过轴承支架传递到管形座。发导轴承由两半合成，不设垫片亦不刮瓦，由制造保证配合间隙。发导瓦设置了高压油顶起装置，安装时要进行21 MPa密封性试验，保压10 min。发导支架与轴承支架之间，先安装橡胶弹性垫，以适应转子与主轴连接后产生的挠度变形，然后按实测数据，配置更换成钢垫。水轮机导轴承宽745 mm，系半瓦结构，下部瓦通过扇形支架支承在管形座，上部瓦和主轴不接触。水导瓦亦设置高压油顶起装置。水导瓦与主轴间允许相对滑移。
　　推力头宽698 mm，两侧均为镜板，与主轴热套后同床加工，确保镜面与主轴中心线相垂直。反向推力瓦以发导支架为依靠，与镜板之间的距离为0.5 mm。正向推力瓦则安装在推力支架上，通过一对球形支承块，可控制推力瓦进出油角度。
　　富士公司这种结构，技术上比较成熟，运行可靠性好，由制造厂保证了材质和加工精度，运行中维护工作量极少。

7　主轴密封
　　主轴密封由检修密封和工作密封两部分组成。
　　检修密封系常用的空气围带结构，安装在主轴法兰外缘上，由密封支架、密封壳体和检修密封三部分组成，在安装中泄水锥之前，必须先行安装好。
　　工作密封由滑环支架、不锈钢滑环(表面喷涂陶瓷衬垫)、密封环、密封环支架及密封外壳组成。滑环支架和不锈钢滑环跟随主轴一起转动，而密封环(材质为纤维及耐磨材料合成)、密封环支架和密封外壳则为固定部份，密封外壳固定在导水机构内导环上。
　　密封环与不锈钢滑环之间形成止水磨擦面，由灯泡头取水供其润滑和冷却。为保证密封环有适当的压紧量，在密封环支架上，设置了调整销、调整板和弹簧。合同规定不锈钢滑环更换周期不少于10年。
　　3号机投入运行不到1年，不锈钢滑环喷涂的陶瓷层已被磨去；2号机运行8 000 h，不仅陶瓷层全部磨掉，不锈钢滑环被磨成锯齿状，深达5 mm；相对来说，1号机情况较好。富士公司已更换了新的主轴密封装置。基本结构不变，改进内容如下：
　　(1)密封环外径从Φ1 175 mm加大到1 195 mm，接触表面缺口填满，避免泥沙在该处淤积；
　　(2)密封环材质改进，防止泥沙粘附；
　　(3)增加不锈钢滑环耐磨层厚度；
　　(4)严格控制弹簧长度误差在±2%以内，使密封环压紧力均匀。适当降低弹性系数K值(K=2.0 N/mm)，以便润滑水进入磨擦面，避免干磨擦；
　　(5)润滑水改用清洁水。
　　除第5条措施有待实施外，其余改进措施已应用在4号机和5号机，因投运时间尚短，尚无法论证。

8　结语
　　富士机组产品包装精良，防震、防潮及防腐效果良好。
　　机组安装专用工具齐全，使用方便。
　　设备起吊、翻身及水平运输工具，考虑周到，基本上以钢丝绳为主要起吊手段，原则上不采用平衡梁或组合梁起吊。
　　机组装配结合面密封效果良好，根据不同对象和要求，提供了不同的粘结材料。叶片密封和O型圈对接采用快速凝固粘结剂；防止油、水渗漏，采用4 h固定密封胶；组合面可能产生变位的部位，除了O型密封圈以外，内侧平面加涂不干胶；防止螺栓松动，则涂一种专用密封胶，需要取走时，加温至100℃密封胶便会熔化。
　　日本富士电机生产灯泡贯流机组，已有20多年历史，技术比较成熟，结构比较先进。尽管亦存在不足之处，需要改进提高，但从总体来说，其水平比国内高了一个大台阶。他们的经验是值得我们借鉴和学习的。