王魯軍

（湖南云箭集團有限公司，湖南長沙410100）

新疆某電站水輪發(fā)電機優(yōu)化設計

王魯軍

（湖南云箭集團有限公司，湖南長沙410100）

簡要介紹了新疆某電站的結構及特點，并通過關鍵參數(shù)的分析取值，總結出該類型機組的設計經驗，可供水電同行參考。

水輪發(fā)電機；電磁；防油霧；優(yōu)化設計

1 概述

新疆某電站為引水式電站，電站設計水頭133.68m，設計發(fā)電流量63.37m3/s，總裝機容量70 MW（2×28+1×16MW）。本文以大機為例，簡要介紹了其設計的結構、特點及相關參數(shù)的取值，總結該類型機組的相關設計經驗。

該電站大機的水輪機型號為HLJF2061-LJ-185，水輪發(fā)電機型號為SF28-14/4000，發(fā)電機額定容量為28MW，額定轉速為428.6r/min。該機組設計要求具備長期超發(fā)10%的能力，即機組具備長期在功率為30.8MW的情況下穩(wěn)定運行的能力，且機組轉速較高，電磁設計與軸承防油霧設計是其難點之一。水輪發(fā)電機的設計參數(shù)見表1。

表1 水輪發(fā)電機的設計參數(shù)

2 總體介紹

發(fā)電機為立式安裝結構，轉子為懸掛式；在轉子上部設有推力軸承和上導軸承，轉子下部設有一個導軸承；電機的上端有一圓柱軸伸，聯(lián)接集電環(huán)，電機的下端有一凸緣軸伸，聯(lián)接水輪機主軸。通風冷卻系統(tǒng)為密閉雙路自循環(huán)的空氣冷卻。發(fā)電機主要由定子、轉子、上機架、下機架等部件組成（如圖1）。

水輪發(fā)電機的電磁設計是按給定的容量、電壓、相數(shù)、頻率、功率因數(shù)、轉速等額定值和其它技術要求來確定發(fā)電機的有效部分尺寸、電磁負荷、繞組數(shù)據(jù)及性能參數(shù)等。設計方案的技術經濟指標應先進合理，并使發(fā)電機能長期在高效率下安全可靠運行。

水輪發(fā)電機軸承在運行過程中，潤滑油由于摩擦承載產生熱量，導致油溫升高，通常都在40～50℃，儲油箱內的空氣受熱膨脹，壓力增高；同時由于主軸旋轉，熱油就會產生油霧，這種油汽混合體當壓力高于外部氣壓時，就會從密封及各種間隙處泄露出去，對發(fā)電機組運行造成危害。本發(fā)電機的額定轉速達到了428.6r/min，軸承位置的線速度達到了20.4m/s，故軸承防油霧設計是該電站發(fā)電機設計的一個重難點。

圖1 發(fā)電機裝配

3 電磁設計的特點

本機組要求具備長期在功率為30.8MW的情況下穩(wěn)定運行的能力，為此，相關電磁方案的參數(shù)不僅需考慮功率為28MW情況下的取值，還需兼顧功率為30.8MW情況下的取值。額定情況下的相關參數(shù)取值如下：

（1）電負荷A是水輪發(fā)電機的主要技術、經濟參數(shù)之一，它對電機的主要尺寸、電抗和繞組溫度等有直接影響。A的大小決定了定子內圓單位表面積所產生的繞組銅損的大小，因而直接影響溫升和效率的高低。A的取值與每極容量、絕緣等級以及冷卻方式有關。在主要尺寸一定的條件下，漏電抗與A成正比，大容量發(fā)電機的短路附加損耗則近似地與A的平方成比例。因此，A對電機的參數(shù)和性能影響很大。綜合以上因素，合理選擇電負荷A值至關重要。本機將A值控制在500～700A/cm之間。

（2）電負荷A與定子電流密度J的乘積AJ表示定子銅耗在槽內的熱負載。AJ選擇過大，將導致槽絕緣內溫差增大，線圈溫升增高。本機將AJ值控制在1500～1800A2/（cm·mm2）之間。

（3）極弧系數(shù)αp是極靴寬度bp與極距τ之比。極弧系數(shù)若選擇太大，極間漏磁通將過大，導致極身磁通密度達到不允許的高值；此值若太小，將使極靴伸出部分不能充分地支承磁極線圈。極弧系數(shù)選擇合適，可使主極磁場的波形更加接近于正弦形，從而減小磁場中高次空間諧波和齒諧波分量（對整數(shù)槽）的幅值，達到改善電動勢波形的目的。極弧系數(shù)的最佳值，能保證電機有效體積在磁負荷方面的高度利用。本機將αp值控制在0.69～0.74之間。

（4）氣隙平均磁通密度Bδ與電機的利用系數(shù)、運行性能及參數(shù)等有密切關系。在利用系數(shù)一定的情況下，從節(jié)約用銅考慮，Bδ應盡可能取高些，但Bδ值的提高受鐵芯所用硅鋼片飽和的限制。本機將Bδ值控制在6900～7500Gs之間。

（5）定子繞組采用三相雙層波繞組，定子槽數(shù)Z=168，q=4,并聯(lián)路數(shù)a=1,銅線為32-2.8×8/3×8.2的雙滌綸玻璃絲包燒結扁銅線，換位節(jié)距為45mm,為降低定子繞組的附加損耗，定子繞組采用360°不完全換位。采用該種換位損耗更低，效率更高，本機效率η=97.7%。

4 防油霧設計的特點

本機組額定轉速為428.6r/min，在立式機組系列中，轉速較高，軸承防油霧設計是一個關鍵點，其上機架裝配如圖2所示，機組軸承產生的油霧主要由油溫高和油的涌浪飛濺所引起，根據(jù)多年來不斷總結經驗和探索，我們采取的減少油霧及防止外溢的主要措施如下：

圖2 上機架裝配

（1）上下油槽密封軸承蓋采用具有自動補償功能的接觸式密封結構，使旋轉的主軸和軸承蓋為零間隙接觸，保證油霧不會從主軸與軸承蓋間逸出（如圖3）。由于機組轉子在運行中都存在著一定的擺動現(xiàn)象，傳統(tǒng)的密封結構與轉子軸的間隙在實際運行時不能保證設計間隙及安裝間隙，時大時小無法補償，油霧易通過密封蓋與大軸間隙溢出。接觸式密封蓋通過其自補償功能，保證了主軸與軸承蓋之間零間隙運行，達到了長期有效的理想密封效果。

圖3 接觸式密封軸承蓋

（2）在上機架下方設置接觸式密封軸承蓋（如圖4），用以破壞推力頭內腔由于轉子旋轉產生的負壓，防止油霧溢出落入轉子。解決了油霧對發(fā)電機轉子磁極、磁軛及定子線棒的污染，給機組安全穩(wěn)定運行提供了保證。

圖4 接觸式密封軸承蓋

（3）在推力頭上端開孔，在導軸承座上加通氣孔以及在機架下部增設補氣管（如圖5），將空氣引入推力頭內腔。使內外腔相通，達到氣壓的平衡，防止由于負壓產生的油霧溢出問題。

圖5 通氣孔

（4）設計具有足夠換熱容量的冷卻器，使?jié)櫥筒灰仔纬伸F狀；同時加強循環(huán)油路的密封，在油冷卻器上加密封板，并對油路進行優(yōu)化，使油路順暢，避免碰撞造成的油氣混合。

（5）采用雙層擋油管的設計（如圖6），并適當加高擋油管高度尺寸，內外擋油管下部采用圓環(huán)板連接，并在圓環(huán)板上開若干個回流孔，使擋油管處阻截的溢出油順著圓孔回流至油槽。同時在雙擋油管中間再加一層擋圈，增加油霧溢出的阻力，防止油霧溢出。

圖6 雙層擋油管

（6）通氣窗采用迷宮式的隔板設計（如圖7）。通過筒體內部的隔板和隔管的多層交叉重疊設計，形成油霧的“S”形流動路徑，大幅度提高了油霧的上升阻力，外界冷空氣在通氣窗內與油霧適時熱交換，降低了油霧分子作機械運動的平均動能，使油霧冷凝成油滴，流回油槽，有效的阻止了油霧從通氣窗的溢出。

圖7 迷宮式通氣窗

（7）提高加工精度，保證擋油管與推力頭的同軸度，防止擋油管與推力頭之間的潤滑油往上竄動。

5 結語

新疆某電站發(fā)電機組轉速快，容量大，要求高，通過電磁方案的優(yōu)化設計及新的防油霧技術的應用，有效地解決了超出力的設計及軸承油霧溢出的問題。對類似機型的水輪發(fā)電機設計具有借鑒意義。

[1]哈爾濱大電機研究.水輪機設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，1976.

[2]白延年.水輪發(fā)電機設計與計算[M].北京:機械工業(yè)出版社，1982.

[3]陳錫芳.水輪發(fā)電機電磁與計算[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

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1672-5387（2017）05-0053-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.013

2016-05-16

王魯軍（1988-），男，工程師，從事水輪發(fā)電機設計工作。