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摘要：高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)在設(shè)計和制造技術(shù)上都存在很大難度，主要以某水電站80 MW-600 r/min 發(fā)電機(jī)為例介紹了高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計和制造特點,對該水輪發(fā)電機(jī)在定子、主軸、磁軛、磁極、軸承、機(jī)架、防振支撐及通風(fēng)系統(tǒng)等方面的設(shè)計、制造及所采用的東芝先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了說明。為今后類似水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計和制造提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；電磁設(shè)計]

0 前言

     該水輪發(fā)電機(jī)裝于寶興河流域梯級開發(fā)的龍頭水庫電站，電站采用引水式開發(fā)，地下廠房，工程任務(wù)為發(fā)電。電站廠址位于雅安地區(qū)寶興縣。電站總裝機(jī)容量240 MW，裝設(shè)3 臺單機(jī)容量為80 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。該水輪發(fā)電機(jī)采用了許多先進(jìn)的水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計和制造技術(shù)。本文將重點介紹該電站發(fā)電機(jī)設(shè)計和制造特點。

1 發(fā)電機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)

型號： SF80- 10/4160

額定容量： 88.89 MVA

額定功率： 80 MW

額定電壓： 13.8 kV

額定電流： 3 718.8 A

額定功率因數(shù)： 0.9(滯后)

絕緣等級： F/F ( 定子/ 轉(zhuǎn)子)

額定轉(zhuǎn)速： 600 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速： 960 r/min

轉(zhuǎn)動慣量： ≥650 t·m2

額定勵磁電壓： 220 V

額定勵磁電流： 807 A

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)： 密閉循環(huán)、軸向風(fēng)扇自循環(huán)

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

2 發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計

     電磁設(shè)計主要數(shù)據(jù)（計算值）如下：

     定子鐵心外徑4 160 mm；定子鐵心內(nèi)徑3 300mm；定子鐵心高度1 902 mm；縱軸同步電抗Xd (標(biāo)幺值)1.044；縱軸瞬變電抗Xd’（ 標(biāo)幺值）0.315；縱軸超瞬變電抗Xd”（標(biāo)幺值）0.187；短路比>1.0。

3 總體結(jié)構(gòu)

      發(fā)電機(jī)為立軸懸式、三相凸極同步發(fā)電機(jī)，采用密閉循環(huán)、軸向風(fēng)扇自循環(huán)通風(fēng)及空氣冷卻的形式。發(fā)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、上下機(jī)架、上下導(dǎo)軸承及推力軸承、制動和頂起系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)等組成。見圖1。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝特點

4.1 定子

      定子由定子機(jī)座、定子鐵心、定子繞組等組成。定子機(jī)座整體結(jié)構(gòu)，鐵心疊裝和繞組下線在工地進(jìn)行。

      發(fā)電機(jī)定子機(jī)座為正12 邊形，機(jī)座對邊尺寸為5 300 mm，機(jī)座高3 050 mm。機(jī)座設(shè)頂環(huán)、上環(huán)、中環(huán)及下環(huán)（大齒壓板），環(huán)間沿圓周布置加強(qiáng)立筋、支撐管和導(dǎo)風(fēng)板。定子機(jī)座內(nèi)腔及大齒壓板在工廠加工。上齒壓板采用分塊式結(jié)構(gòu)。上、下齒壓板的壓指及通風(fēng)槽鋼均采用非磁性材料，以減小漏磁損耗。定子機(jī)座與基礎(chǔ)板采用徑向銷定位，允許定子機(jī)座受熱膨脹時徑向自由移動。

      定子鐵心由0.5 mm 厚的50W270 硅鋼片在現(xiàn)場疊壓、分段壓緊而成。定位拉緊螺桿采用特殊的與定位筋合為一體的結(jié)構(gòu)。合適的鴿尾筋數(shù)量、適當(dāng)?shù)亩ㄗ訖C(jī)座剛性結(jié)構(gòu)，使定子鐵心能與機(jī)座同步膨脹而不會變形翹曲。

      定子繞組為雙層條式波繞組、2 支路星形連接。繞組絕緣等級為F 級。定子線棒采用槽內(nèi)360°羅貝爾換位，以降低附加損耗和均衡線棒中股線間的溫差。上、下層線圈端頭采用分3 組對接銀焊的結(jié)構(gòu)。

     4.2 轉(zhuǎn)子

      轉(zhuǎn)子采用單軸結(jié)構(gòu)，由主軸、磁軛和磁極等部件組成。轉(zhuǎn)子的設(shè)計充分考慮該機(jī)組高轉(zhuǎn)速的特點，各零部件的強(qiáng)度及剛度均能得到保證。發(fā)電機(jī)主軸采用分段鍛造，再焊成一體的結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為20SiMn；其中部與轉(zhuǎn)子磁軛在工廠熱套成一體；上部與推力頭現(xiàn)場套裝，通過卡環(huán)承受軸向負(fù)荷，通過軸向鍵傳遞轉(zhuǎn)矩；主軸下側(cè)設(shè)滑轉(zhuǎn)子與下導(dǎo)軸承相配，下部法蘭與水輪機(jī)軸相連。

     磁軛采用高強(qiáng)度環(huán)形厚鋼板疊壓后焊成一體結(jié)構(gòu)，在數(shù)控車床上精確加工內(nèi)圓以及外周T 尾槽。磁軛整體加工完成后在工廠采用小過盈熱套在發(fā)電機(jī)大軸上，一體運輸。磁軛與主軸通過周向均布的5 組T 型鍵傳遞扭矩，頂轉(zhuǎn)子時由卡環(huán)軸向限位。這種磁軛具有結(jié)構(gòu)簡單，整體性好，安裝方便等優(yōu)點。磁極由磁極鐵心、阻尼繞組及套于鐵心的磁極線圈組成。

      磁極鐵心由1.5 mm 厚的高強(qiáng)度薄鋼板疊壓而成，并用拉緊螺桿壓緊。鐵心設(shè)雙T 尾掛裝在磁軛上，可滿足高轉(zhuǎn)速下高應(yīng)力的需要。磁極端板采用高強(qiáng)度厚鋼板焊接而成。磁極線圈由兩種寬度不同的半硬紫銅排焊接而成。這種線圈由于表面有凸出的散熱匝，可成倍增加其散熱面積,從而降低線圈的溫升，且線圈的形狀規(guī)整。線圈匝間墊以Nomex 絕緣紙，與銅排熱壓成一體。線圈對地絕緣除了極身絕緣外，在極身四周角部設(shè)置角絕緣。磁極線圈上部除了設(shè)有上絕緣法蘭，還設(shè)有不銹鋼滑動法蘭，以適應(yīng)磁極線圈熱膨脹作用下的滑動，防止匝間絕緣損壞；下部設(shè)有下絕緣法蘭和鐵法蘭。同時為了克服線圈在離心力作用下產(chǎn)生的側(cè)向分量，在極間設(shè)置3 組線圈支撐。詳見圖2。

     磁極采用雙T 尾掛裝方式。在磁極鐵心上下兩端T 尾各打入一對短楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，并用壓板鎖定楔形鍵，這種結(jié)構(gòu)磁極鍵拆裝方便。轉(zhuǎn)子設(shè)有縱、橫阻尼繞組。阻尼環(huán)采用銷子可靠地固定于磁極端板上，阻尼環(huán)連接采用軟連接，并通過非磁性拉緊螺桿可靠地固定在磁軛上，以承受離心力的作用。磁極的上部極間引出線通過內(nèi)穿式下部引出，并采用與下部極間引出線相同的方式固定在磁軛上，以承受離心力的作用。勵磁引線由銅排制成，通過布置在磁軛上端的勵磁引線及軸內(nèi)勵磁引線沿發(fā)電機(jī)大軸接至集電環(huán)。

4.3 軸承

      推力軸承及上導(dǎo)軸承布置在上機(jī)架中心體油槽內(nèi)，分別承受機(jī)組軸向負(fù)荷和一部分徑向負(fù)荷。推力頭與主軸采用熱套結(jié)構(gòu)，推力頭在現(xiàn)場與鏡板用螺栓連接后，熱套于發(fā)電機(jī)主軸上。

      推力軸承采用東芝典型支撐結(jié)構(gòu)，推力軸瓦由小彈簧簇支撐，這種結(jié)構(gòu)具有性能可靠、瓦間受力均勻、瓦變形小、抗傾覆能力強(qiáng)以及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點。推力軸承由9 塊扇形瓦組成。推力軸瓦采用塑料瓦。推力瓦支撐面為面接觸，可有效減小瓦面的機(jī)械變形。支撐彈簧和各塑料瓦由工廠加工保證精度，現(xiàn)場不需作推力瓦受力調(diào)整。

      推力及上導(dǎo)軸承采用鏡板泵自循環(huán)外置油冷卻器冷卻的方式，冷卻循環(huán)油的油壓由旋轉(zhuǎn)著的推力頭上的孔產(chǎn)生，油通過油管進(jìn)入油冷卻器冷卻后，再經(jīng)油管回到油槽，冷卻推力瓦及上導(dǎo)瓦后再進(jìn)入鏡板泵循環(huán)。此結(jié)構(gòu)無需提供外加動力，維護(hù)方便。

      上導(dǎo)軸承由為分塊瓦結(jié)構(gòu)，瓦面為巴氏合金。導(dǎo)軸承采用支柱支撐結(jié)構(gòu)，瓦的背面有球面支承柱，該結(jié)構(gòu)在運行時導(dǎo)瓦能靈活偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)瓦支撐的調(diào)整具有方便、可靠、準(zhǔn)確等優(yōu)點。推力頭的外周面作為上導(dǎo)軸承瓦的摩擦面。

      下導(dǎo)軸承也為分塊瓦結(jié)構(gòu)，瓦面為巴氏合金，支撐結(jié)構(gòu)與上導(dǎo)相同。下導(dǎo)軸承采用內(nèi)循環(huán)潤滑冷卻方式，油槽內(nèi)設(shè)兩個半環(huán)高效油冷器。導(dǎo)軸承支撐結(jié)構(gòu)見圖4。

       4.4 機(jī)架

      上機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架，采用整體焊接結(jié)構(gòu)。它由中心體和6 條支臂組成。中心體作為推力及上導(dǎo)油槽使用。上機(jī)架用銷釘定位，并通過螺栓把合在定子機(jī)座上，上機(jī)架承受垂直負(fù)荷，并經(jīng)定子機(jī)座傳遞至基礎(chǔ)。上機(jī)架還承擔(dān)因轉(zhuǎn)動部件的徑向機(jī)械不平衡力和徑向電磁不平衡力以及徑向的熱膨脹力，并通過切向防振支撐將徑向力轉(zhuǎn)為切向力傳遞至基礎(chǔ)。上機(jī)架的設(shè)計具有足夠的軸向和徑向剛度。

      下機(jī)架為上下兩圓盤式整體結(jié)構(gòu)。中心體作為下導(dǎo)軸承的油槽使用。制動器放置在上圓盤支臂上。整個下機(jī)架通過連接板固定在下機(jī)架基礎(chǔ)上。下機(jī)架還承擔(dān)因轉(zhuǎn)動部件的徑向機(jī)械不平衡力和徑向電磁不平衡力，并通過徑向防振支撐傳遞至基礎(chǔ)。下機(jī)架具有足夠的軸向和徑向剛度，并且結(jié)構(gòu)上可以從定子鐵心內(nèi)徑取出。

     4.5 防振支撐

      防振支撐的徑向剛度對軸系的穩(wěn)定性非常重要，上機(jī)架防振支撐采用了切向支撐結(jié)構(gòu)，通過有限元分析計算整個上機(jī)架系統(tǒng)的徑向剛度。下防振支撐采用支柱式支撐結(jié)構(gòu)，預(yù)緊力的調(diào)整非常方便。下防振支撐彈性體為彈性板結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在滿足徑向剛度要求的同時還具有一定的彈性，能減輕機(jī)組的振動。

5 通風(fēng)及冷卻系統(tǒng)

      發(fā)電機(jī)采用密閉循環(huán)，雙路軸向風(fēng)扇，自通風(fēng)冷卻方式。

     由于本發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸小，轉(zhuǎn)子磁極本身產(chǎn)生的風(fēng)量不能滿足冷卻要求。在磁軛上、下兩端采用了風(fēng)損小、風(fēng)壓平穩(wěn)、噪音小的軸向風(fēng)扇。

      定子機(jī)座外裝設(shè)6 只空氣冷卻器。空冷器為LTS 薄片脹管式空氣熱交換器，該結(jié)構(gòu)具有風(fēng)阻低、傳熱效率高、用水量少、清洗方便等優(yōu)點。當(dāng)一臺空冷器退出運行時，能滿足發(fā)電機(jī)額定運行。

6 結(jié)束語

     該水輪發(fā)電機(jī)是通過引進(jìn)東芝在高轉(zhuǎn)速、大容量機(jī)組方面的先進(jìn)技術(shù)及結(jié)合國內(nèi)高轉(zhuǎn)速機(jī)組使用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上完成的。自2006 年12 月首臺機(jī)組投運以來，目前3 臺水輪發(fā)電機(jī)均運行穩(wěn)定，性能良好，發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子溫升，振動及擺度均滿足合同要求。為今后類似的高轉(zhuǎn)速、大容量水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計和制造提供借鑒。