楊開黎，王巖祿

（水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

巨型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

楊開黎，王巖祿

（水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

巨型水輪發(fā)電機(jī)一般額定轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量和結(jié)構(gòu)尺寸較大，因此發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)工作非常重要。本文介紹了立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷三相凸極同步巨型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要包括巨型水輪發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、推力軸承和下導(dǎo)軸承、下機(jī)架、軸承冷卻系統(tǒng)等。對(duì)巨型水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

巨型水輪發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)；特點(diǎn)

0 前言

自1998年開始引進(jìn)巨型水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)，2003年開始獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造三峽右岸700MW世界尺寸最大、推力負(fù)荷最大(5560t)的水輪發(fā)電機(jī)以來，已相繼完成龍灘、拉西瓦、小灣、溪洛渡、向家壩等多臺(tái)巨型水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造工作。完成了引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新的過程。

巨型水輪發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)是保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

1 巨型水輪發(fā)電機(jī)

典型巨型水輪發(fā)電機(jī)如表1所示。

2 發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

典型立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷三相凸極同步發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。發(fā)電機(jī)主要部件包括：定子、轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、上導(dǎo)軸承、下機(jī)架、推力軸承、下導(dǎo)軸承、空氣冷卻器、埋入基礎(chǔ)、制動(dòng)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、蓋板、油水管路、輔助接線等必要的輔助部件。

表1 典型巨型水輪發(fā)電機(jī)

2.1 定子

定子裝配由定子機(jī)座、定子鐵心、定子繞組及銅環(huán)引線等部分組成，如圖2所示。

定子機(jī)座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由多層環(huán)板、多個(gè)垂直的斜立筋、筋板及外壁組成。定子機(jī)座均為分瓣結(jié)構(gòu)，廠內(nèi)預(yù)裝，工地組裝拼焊。斜立筋機(jī)座能夠適應(yīng)鐵心的熱膨脹。定子機(jī)座的下環(huán)板為大齒壓板。定子機(jī)座斜立筋下端與基礎(chǔ)連接，連接處有銷釘和螺栓緊固；上端與上機(jī)架固定。

圖1 發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

定子鐵心由冷軋無取向硅鋼片沖片疊成。鐵心疊片后用穿心螺桿壓緊，穿心螺桿與鐵心間設(shè)有絕緣套管，壓緊螺帽下墊有蝶形彈簧墊圈。定子鐵心首末兩段疊片用粘接膠粘成整體，以增強(qiáng)剛度，減小振動(dòng)和降低損耗；齒壓片選用無磁性鋼材料。定子鐵心采用雙鴿尾的定位筋固定于定子機(jī)座上。

圖2 定子裝配

2.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子裝配，由頂軸、轉(zhuǎn)子支架、主軸、磁軛、磁極和集電裝置等部件組成，如圖 3所示。頂軸材質(zhì)為鍛鋼20SiMn，頂軸與轉(zhuǎn)子支架用螺栓連接，銷釘定位，止口輔助定位，頂軸上部安裝有集電環(huán)。主軸材質(zhì)為鍛鋼20SiMn。主軸與轉(zhuǎn)子支架用螺栓連接，銷套定位并傳遞扭矩，止口輔助定位。

圖3 轉(zhuǎn)子裝配

轉(zhuǎn)子支架為圓盤式斜立筋鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由中心體和多個(gè)外環(huán)組件組成。外環(huán)組件與中心體在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝，在工地組圓焊接。中心體由上法蘭、下法蘭、中心圓筒、內(nèi)部徑向垂直筋板及外部垂直斜筋板等部件組成。每個(gè)外環(huán)組件由上環(huán)板、下環(huán)板和垂直斜筋板等部件組成。

磁軛由高強(qiáng)度薄鋼板疊成，分為上下兩段,每段上下兩端均設(shè)有壓板，用拉緊螺桿拉緊，各自形成一個(gè)整體。磁軛和轉(zhuǎn)子支架之間采用徑、切向復(fù)合鍵連接結(jié)構(gòu)，復(fù)合鍵可以承擔(dān)磁軛的徑向緊量作用力和切向扭矩。

磁極由磁極鐵心、磁極線圈組成。鐵心由沖片疊成，兩端設(shè)有磁極壓板，用拉緊螺桿壓緊，鐵心設(shè)有阻尼繞組。磁極線圈由帶散熱翅的銅排四角焊接而成。磁極中部有極間撐塊，承受線圈側(cè)向力，以減小線圈側(cè)向變形及應(yīng)力。

2.3 推力及下導(dǎo)軸承

根據(jù)廠房布置及軸系穩(wěn)定性情況，巨型機(jī)組的推力軸承和導(dǎo)軸承可以分為以三峽、溪洛渡等電站為代表的推導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)（圖4）和以龍灘、拉西瓦等電站為代表的推導(dǎo)分開結(jié)構(gòu)（圖5）。

推力軸承采用小支柱雙層瓦結(jié)構(gòu)，可以有效控制瓦面的變形（圖6）。托盤位于推力瓦與支柱之間，可以起到減小軸瓦變形和避免應(yīng)力集中的作用。

圖4 推導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)

圖5 推導(dǎo)分開結(jié)構(gòu)

圖6 彈性小支柱

支柱頂面為球面，中間一段M80的螺紋與支座相連，通過M80的螺紋來調(diào)節(jié)支柱的高度。支柱中心加工有通孔，孔內(nèi)設(shè)有測量桿，可調(diào)節(jié)瓦的載荷。

2.4 下機(jī)架

下機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架，包括中心體和徑向支臂，用優(yōu)質(zhì)熱軋鋼板焊接而成。支臂與中心體在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝，在工地進(jìn)行組焊。在中心體的外壁上開有窗口，便于檢修推力軸承瓦。下機(jī)架的末端與基礎(chǔ)連接。下機(jī)架不僅承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量和水推力等組合載荷，同時(shí)還承受下導(dǎo)軸承的徑向負(fù)荷。

對(duì)于特大型機(jī)組，下機(jī)架軸向撓度應(yīng)控制在5mm以內(nèi)。同時(shí)下機(jī)架的結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮運(yùn)輸?shù)南拗坪透玫貍鬟f徑向負(fù)荷。因此下機(jī)架一般設(shè)計(jì)成輻射型分體結(jié)構(gòu)。

機(jī)組承重機(jī)架（下機(jī)架）的軸向撓度統(tǒng)計(jì)值見表2。下機(jī)架的軸向變形一般發(fā)生在推力軸承支撐直徑上，如圖 7所示。因此在設(shè)計(jì)時(shí)該處環(huán)板的厚度一般選定約 120mm，在環(huán)板下面設(shè)置了支撐錐體和筋板。較高的機(jī)架有利于提高機(jī)架的軸向剛度。

表2 承重機(jī)架的軸向撓度

2.5 軸承冷卻系統(tǒng)

由于巨型機(jī)組的推力負(fù)荷普遍在2500t以上，其推力軸承損耗大，超過500kW。推導(dǎo)復(fù)合軸承的軸承損耗更大。常規(guī)的推力軸承內(nèi)循環(huán)潤滑冷卻方式無論從油槽結(jié)構(gòu)還是循環(huán)冷卻效果，均無法滿足機(jī)組的潤滑冷卻要求。因此，采用外循環(huán)冷卻方式已成為巨型機(jī)組推力軸承冷卻的共識(shí)。目前國內(nèi)外主流的外循環(huán)冷卻方式分別為：以龍灘電站為代表的外加泵外循環(huán)（圖8）、以拉西瓦電站為代表的鏡板泵外循環(huán)（圖9）、以三峽右岸（哈電）和以小灣電站為代表的導(dǎo)瓦泵外循環(huán)（圖10）。

圖7 下機(jī)架受力圖

外加泵外循環(huán)，主要特點(diǎn)是在潤滑油循環(huán)回路系統(tǒng)中外加一組互相備用的電動(dòng)油泵，作為循環(huán)動(dòng)力，其余由冷卻器、濾油器、壓力表、流量顯示器和閥門等元件組成。

圖8 外加泵外循環(huán)

圖9 鏡板泵外循環(huán)

導(dǎo)瓦泵外循環(huán)，亦稱導(dǎo)瓦間隙泵外循環(huán)。將導(dǎo)瓦進(jìn)油側(cè)加寬作為間隙泵的泵體。泵體表面是導(dǎo)瓦鎢金的一部分，泵體部分比導(dǎo)瓦直徑略大，即泵體表面距滑轉(zhuǎn)子表面約1mm間隙。當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，借助油的粘滯作用，將油帶入間隙，油流受阻，壓力增高。增壓的潤滑油可按導(dǎo)瓦數(shù)分別引到出油環(huán)管，再從出油環(huán)管引入油冷卻器，進(jìn)行熱交換。

圖10 導(dǎo)瓦泵外循環(huán)

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)巨型水輪發(fā)電機(jī)的陸續(xù)設(shè)計(jì)、制造、安裝和發(fā)電，全面提高了國內(nèi)主要發(fā)電設(shè)備制造廠家的綜合實(shí)力，提升了發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平。由于巨型水輪發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的特殊性，承擔(dān)著機(jī)組全部轉(zhuǎn)動(dòng)部分負(fù)荷的推力軸承的選型設(shè)計(jì)，是決定機(jī)組能否安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。哈電機(jī)公司作為國內(nèi)發(fā)電設(shè)備的主要制造廠家，通過進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)巨型機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)的消化吸收已獨(dú)立完成多個(gè)巨型水電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，為后續(xù)水電1000MW級(jí)機(jī)組的設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。

審稿人：劉公直

Design Feature of Huge Hydro-generators

YANG Kaili, WANG Yanlu
（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

Normally, the huge hydro-generator has heavy rotating components, large structural dimension and low rated speed, so the type selection and structure design is very important. This paper presents the design features of vertical shaft semi-umbrella type enclosed self-circulating totally air-cooled three-phase salient-pole synchronous huge hydro-generator, including stator,rotor, thrust bearing and guide bearing, lower bracket, bearing cooling system and so on. It is useful for guidance of the huge hydro-generator design.

huge hydro-generator; structure; characteristic

TM312

A

1000-3983(2014)03-0026-04

2013-08-23

楊開黎（1967-），1990年畢業(yè)于華中理工大學(xué)電機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)控制工作，高級(jí)工程師。