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摘 要：本文通过对彭水电站水轮发电机机组挡风板进行现场试验和分析，得出发电机挡风板螺栓断裂的主要原因，并根据测试结果对发电机挡风板进行了改造，取得了良好的效果，为彭水电站水轮发电机组经济、安全、稳定运行提供了保证，也为立式水轮发电机组挡风板的设计和施工提供参考。
关键词：发电机挡风板，试验，原因分析，改进
0 前言
彭水水电站位于乌江干流下游，是乌江干流水电开发规划的第10个梯级电站，安装5台单机350MW水轮发电机组，总装机容量为1750MW，是目前重庆市装机容量最大的水电站。
彭水水电站为立式水轮发电机组，生产厂家为天津阿尔斯通设备有限公司，发电机冷却方式为单路径向密闭自循环空冷。在发电机定、转子上、下方安装有挡风板，构成密闭空间，发电机转子支架为圆盘形，由钢板焊成，也是通风系统中的压头元件，与磁轭、磁极等部件一起发挥冷却通风作用。当圆盘式转子支架转动时，空气由圆盘式转子支架的上部与下部的孔内被吸入，在离心力的作用下，由安装在磁轭上的通风道吹向定子铁心和线圈。经过定、转子上、下端部的热风与经过定子铁芯和线圈的热风进入空冷器，经过冷却后的空气分别经过上、下风道再进入到定、转子的上、下两侧，形成密闭循环。
彭水水电站5台发电机组都于2008年投入运行，机组投运后不久，在组织进行了机组定期检查过程中出现了发电机上部内圈立挡风板固定螺栓大量断裂、滑丝及挡风板裂纹问题，特别是处于定转子之间的挡风板固定螺栓，它掉落后会直接落到转子上，极有可能进入定、转子间隙的可能性，也在转子下部处找到了多颗固定螺栓，这严重影响到机组安全，5台机组中其中#1机组情况最为严重，其内圈上挡风板固定螺栓有80颗断裂。彭水水电站发电机上挡风板主要由与上机架连接的” T”梁，固定螺丝，挡风板本体等结构组成，采用普通的Q235钢板焊接组合而成，具体结构如图1所示：
1 现场试验条件
为了掌握上挡风板在机组运行状态的振动规律，为后续的发电机挡风板研究和问题分析处理提供依据，开展了挡风板模态试验和振动响应测试。
测试数据采集和分析仪采用UT型结构振动测试仪。
所有设备调试完成后分别进行了变转速、变励磁和变负荷试验。
在发电机组上机架支臂及固定上挡风板的“T”形梁上布置了加速度传感器，如图2所示。传感器1、2径向安装于“T”形梁上，传感器3、4竖直向安装与上机架支臂上。
2 现场试验
2.1发电机挡风板的模态试验
彭水发电机组在定期的机组检查维护中发现挡风板出现大量螺栓断裂，检查螺栓扭力均满足要求，因此考虑是否是发电机组在正常运行中挡风板发生了局部共振导致螺栓断裂，为此对挡风板进行了原型模态试验，以获得挡风板自振频率，对比可能的激振力对挡风板进行原型共振校核。
发电机挡风板原型模态试验采用脉冲激励法，现场取1/4挡风板圆作为试验对象，力锤敲击点数为215个，模态试验网格图如图3。从模态试验结果中提取结构自振特性，发电机挡风板的前20阶自振频率及结构阻尼见表1，模态振型见图4、图5。
2.2 发电机挡风板的振动响应试验
为摸清对挡风板固定横梁进行了振动响应试验，高频特性突出（见图6、图7）。
3 发电机挡风板螺栓断裂原因分析
（1）挡风板振动响应测试结果表明，挡风板固定横梁沿机组径向水平振动高频分量突出，在机组空转工况主频为99.766Hz，加励后有明显的拍振现象，如图7。挡风板固定横梁水平向的高频振动会对固定螺栓螺杆产生剪切力，螺栓在这样高频的剪切力作用下容易发生疲劳断裂。
（2）因此可知彭水水电站发电机挡风板固定螺栓断裂的直接原因为发电机上机架相邻支臂的切向振动位移导致固定挡风板的“T”形梁受挤压变形，致使挡风板固定端面与“T”形梁产生相对位移，长期的挡风板切向振动位移，导致螺栓疲劳断裂。
4 发电机挡风板结构的改进
为解决发电机挡风板螺栓由于切向振动位移导致的断裂问题，根据试验结果及有限元法定性分析结果，彭水水电站提出了改变固定螺栓的受力方式的改造方案。将固定螺栓由原来的竖直向转变为径向水平向，将固定梁径向水平振动对螺栓的剪切力转变为拉压力，同时提高螺栓强度等级，这样可以提高螺栓的工作可靠性，充分发挥螺栓的工作性能，改造后挡风板结构由“T”型梁、径向加强版、销钉、螺栓、挡风板本体等组成，具体结构见图8。
挡风板改造后具有如下优点：
（1）改变了固定螺栓的受力方式，大大提高的螺栓的工作性能。固定梁受上机架支臂作用发生变形后固定螺栓主要承受拉压力，螺栓剪切力主要来自于挡风板本身的自重，不会螺栓产生破坏性作用。由于螺栓的拉压承载力远大于剪切承载能力，采用这种固定方式可以充分发挥螺栓的抗拉壓作用能力强的优势，显著提高了结构的安全性；
（2）挡风板的固定端面由原设计的水平向变为竖直向，使固定端面的变形能力增强，使其可以随固定梁的变形而变形，缓减了对螺栓的作用力；
（3）径向加强块可以提高固定梁的侧向稳定性，使弧形梁与竖向加强板成为整体受力结构，增加了固定梁弦线方向的刚度从而减小了固定梁沿径向的变形；
（4）竖向加强板与挡风板固定端面之间的橡胶垫片可以阻止固定梁的高频分量传递至挡风板，可以有效防止挡风板本体在高频作用下裂纹的产生；
（5）减小了从挡风板固定点至低端的高度，在一定程度上可以减小“裙摆效应”对固定螺栓的作用。
4 结语
彭水水电站发电机挡风板新结构已于2010年12月至2011年5月在彭水水电站发电机组上全部得到实施。运行至今，挡风板及固定螺栓工作正常。经多次检查未发现任何螺栓断裂、滑丝及挡风板裂纹问题。使得发电机挡风板工作性能大幅提高，挡风板的改造达到了预期效果，威胁机组安全的螺栓断裂问题得到有效解决。为彭水水电站水轮发电机组的安全稳定运行提供了保障。
关键词：发电机挡风板，试验，原因分析，改进
0 前言
彭水水电站位于乌江干流下游，是乌江干流水电开发规划的第10个梯级电站，安装5台单机350MW水轮发电机组，总装机容量为1750MW，是目前重庆市装机容量最大的水电站。
彭水水电站为立式水轮发电机组，生产厂家为天津阿尔斯通设备有限公司，发电机冷却方式为单路径向密闭自循环空冷。在发电机定、转子上、下方安装有挡风板，构成密闭空间，发电机转子支架为圆盘形，由钢板焊成，也是通风系统中的压头元件，与磁轭、磁极等部件一起发挥冷却通风作用。当圆盘式转子支架转动时，空气由圆盘式转子支架的上部与下部的孔内被吸入，在离心力的作用下，由安装在磁轭上的通风道吹向定子铁心和线圈。经过定、转子上、下端部的热风与经过定子铁芯和线圈的热风进入空冷器，经过冷却后的空气分别经过上、下风道再进入到定、转子的上、下两侧，形成密闭循环。
彭水水电站5台发电机组都于2008年投入运行，机组投运后不久，在组织进行了机组定期检查过程中出现了发电机上部内圈立挡风板固定螺栓大量断裂、滑丝及挡风板裂纹问题，特别是处于定转子之间的挡风板固定螺栓，它掉落后会直接落到转子上，极有可能进入定、转子间隙的可能性，也在转子下部处找到了多颗固定螺栓，这严重影响到机组安全，5台机组中其中#1机组情况最为严重，其内圈上挡风板固定螺栓有80颗断裂。彭水水电站发电机上挡风板主要由与上机架连接的” T”梁，固定螺丝，挡风板本体等结构组成，采用普通的Q235钢板焊接组合而成，具体结构如图1所示：
1 现场试验条件
为了掌握上挡风板在机组运行状态的振动规律，为后续的发电机挡风板研究和问题分析处理提供依据，开展了挡风板模态试验和振动响应测试。
测试数据采集和分析仪采用UT型结构振动测试仪。
所有设备调试完成后分别进行了变转速、变励磁和变负荷试验。
在发电机组上机架支臂及固定上挡风板的“T”形梁上布置了加速度传感器，如图2所示。传感器1、2径向安装于“T”形梁上，传感器3、4竖直向安装与上机架支臂上。
2 现场试验
2.1发电机挡风板的模态试验
彭水发电机组在定期的机组检查维护中发现挡风板出现大量螺栓断裂，检查螺栓扭力均满足要求，因此考虑是否是发电机组在正常运行中挡风板发生了局部共振导致螺栓断裂，为此对挡风板进行了原型模态试验，以获得挡风板自振频率，对比可能的激振力对挡风板进行原型共振校核。
发电机挡风板原型模态试验采用脉冲激励法，现场取1/4挡风板圆作为试验对象，力锤敲击点数为215个，模态试验网格图如图3。从模态试验结果中提取结构自振特性，发电机挡风板的前20阶自振频率及结构阻尼见表1，模态振型见图4、图5。
2.2 发电机挡风板的振动响应试验
为摸清对挡风板固定横梁进行了振动响应试验，高频特性突出（见图6、图7）。
3 发电机挡风板螺栓断裂原因分析
（1）挡风板振动响应测试结果表明，挡风板固定横梁沿机组径向水平振动高频分量突出，在机组空转工况主频为99.766Hz，加励后有明显的拍振现象，如图7。挡风板固定横梁水平向的高频振动会对固定螺栓螺杆产生剪切力，螺栓在这样高频的剪切力作用下容易发生疲劳断裂。
（2）因此可知彭水水电站发电机挡风板固定螺栓断裂的直接原因为发电机上机架相邻支臂的切向振动位移导致固定挡风板的“T”形梁受挤压变形，致使挡风板固定端面与“T”形梁产生相对位移，长期的挡风板切向振动位移，导致螺栓疲劳断裂。
4 发电机挡风板结构的改进
为解决发电机挡风板螺栓由于切向振动位移导致的断裂问题，根据试验结果及有限元法定性分析结果，彭水水电站提出了改变固定螺栓的受力方式的改造方案。将固定螺栓由原来的竖直向转变为径向水平向，将固定梁径向水平振动对螺栓的剪切力转变为拉压力，同时提高螺栓强度等级，这样可以提高螺栓的工作可靠性，充分发挥螺栓的工作性能，改造后挡风板结构由“T”型梁、径向加强版、销钉、螺栓、挡风板本体等组成，具体结构见图8。
挡风板改造后具有如下优点：
（1）改变了固定螺栓的受力方式，大大提高的螺栓的工作性能。固定梁受上机架支臂作用发生变形后固定螺栓主要承受拉压力，螺栓剪切力主要来自于挡风板本身的自重，不会螺栓产生破坏性作用。由于螺栓的拉压承载力远大于剪切承载能力，采用这种固定方式可以充分发挥螺栓的抗拉壓作用能力强的优势，显著提高了结构的安全性；
（2）挡风板的固定端面由原设计的水平向变为竖直向，使固定端面的变形能力增强，使其可以随固定梁的变形而变形，缓减了对螺栓的作用力；
（3）径向加强块可以提高固定梁的侧向稳定性，使弧形梁与竖向加强板成为整体受力结构，增加了固定梁弦线方向的刚度从而减小了固定梁沿径向的变形；
（4）竖向加强板与挡风板固定端面之间的橡胶垫片可以阻止固定梁的高频分量传递至挡风板，可以有效防止挡风板本体在高频作用下裂纹的产生；
（5）减小了从挡风板固定点至低端的高度，在一定程度上可以减小“裙摆效应”对固定螺栓的作用。
4 结语
彭水水电站发电机挡风板新结构已于2010年12月至2011年5月在彭水水电站发电机组上全部得到实施。运行至今，挡风板及固定螺栓工作正常。经多次检查未发现任何螺栓断裂、滑丝及挡风板裂纹问题。使得发电机挡风板工作性能大幅提高，挡风板的改造达到了预期效果，威胁机组安全的螺栓断裂问题得到有效解决。为彭水水电站水轮发电机组的安全稳定运行提供了保障。