唐鳳姣，黃小紅

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

1 前言

轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機(jī)的核心部件，需同時(shí)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的電氣性能。作為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，轉(zhuǎn)子承擔(dān)著傳遞水力扭矩形成旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁磁場(chǎng)，進(jìn)而與定子三相繞組作用感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)完成能量轉(zhuǎn)換的作用，同時(shí)，轉(zhuǎn)子是機(jī)組GD2的主要貢獻(xiàn)者，也是建立發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)要素。

燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子磁軛、磁極及勵(lì)磁繞組組成，磁軛主要有疊片式和整體磁軛圈式兩種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子支架和磁極的結(jié)構(gòu)隨磁軛結(jié)構(gòu)的變化而不同。

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式主要隨磁軛結(jié)構(gòu)變化而變化，磁軛主要有疊片磁軛和整體磁軛圈磁軛。

疊片磁軛基本適用于各種機(jī)型、轉(zhuǎn)速和容量的機(jī)組，適用范圍廣，因需要現(xiàn)場(chǎng)疊片，現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子組裝工期較長(zhǎng)。疊片磁軛由扇形磁軛片堆疊并通過(guò)拉緊螺桿拉緊而成，整體磁軛與轉(zhuǎn)子支架通過(guò)磁軛鍵楔緊，與磁極通過(guò)磁極鍵楔緊形成整體。

磁軛圈磁軛一般由厚板或環(huán)鍛磁軛圈與轉(zhuǎn)子支架在工廠焊接成整體，磁極通過(guò)螺桿拉緊固定于磁軛圈上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)組裝簡(jiǎn)單、工時(shí)少的優(yōu)點(diǎn)。但受制作能力、材料強(qiáng)度等的制約，磁軛圈結(jié)構(gòu)較多應(yīng)用于電站運(yùn)輸條件好的低轉(zhuǎn)速燈泡貫流式機(jī)組上。

3 南歐江四級(jí)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

南歐江四級(jí)電站位于老撾南歐江干流上，是高水頭大容量燈泡機(jī)組，其典型參數(shù)如下：

最大水頭：28 m

額定水頭：23.5 m

發(fā)電機(jī)容量：44 MW/46.3 MVA

額定電壓：13.8 kV

額定轉(zhuǎn)速：136.4 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速（非協(xié)聯(lián)）：480 r/min

發(fā)電機(jī)GD2：1 890 t·m2

燈泡比：1.31

轉(zhuǎn)子外徑：Ф5 151 mm

磁軛外徑：Ф4 706 mm

對(duì)于燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，受燈泡比的限制，相對(duì)常規(guī)立式機(jī)組，發(fā)電機(jī)直徑較小，一般只有同等容量轉(zhuǎn)速立式發(fā)電機(jī)的60%～75%[1]，機(jī)組的飛逸轉(zhuǎn)速系數(shù)高[2]，非協(xié)聯(lián)飛逸轉(zhuǎn)速系數(shù)一般達(dá)到3左右。通常,以系數(shù)K=發(fā)電機(jī)容量（MVA）×額定轉(zhuǎn)速（r/min）表征發(fā)電機(jī)的綜合設(shè)計(jì)制造難度[3]，對(duì)于燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，可引申系數(shù)Kr=容量（MVA）×飛逸轉(zhuǎn)速2（r/min）以更直觀地反映發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)制造難度。表1 是部分燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)Kr 系數(shù)列表。

可以看出，南歐江四級(jí)發(fā)電機(jī)容量不是很大，但水頭到了燈泡貫流式機(jī)組的適用上限，飛逸轉(zhuǎn)速特別高，系數(shù)Kr在已建的中大容量燈泡貫流式機(jī)組中最大，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)制造難度相對(duì)最大。

3.1 轉(zhuǎn)子支架及磁軛設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧結(jié)構(gòu)安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，南歐江四級(jí)轉(zhuǎn)子磁軛外徑不大，運(yùn)輸條件也允許，考慮經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)先對(duì)磁軛圈式結(jié)構(gòu)進(jìn)行研討。

在滿足發(fā)電機(jī)GD2的前提下，磁軛圈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)需要綜合考慮以下幾個(gè)方面：

（1）剛強(qiáng)度滿足合同及設(shè)計(jì)規(guī)范要求，主要是轉(zhuǎn)子支架、磁軛圈、磁極拉緊螺桿及磁極芯棒的強(qiáng)度。

（2）制作可行性，如磁軛圈制作的可行性,磁軛圈與轉(zhuǎn)子圓盤(pán)的可焊性。

（3）經(jīng)濟(jì)性,即結(jié)構(gòu)的綜合成本不能過(guò)高。

3.1.1 磁軛圈結(jié)構(gòu)磁極強(qiáng)度校核

對(duì)既定的電磁方案，主要校核磁極拉緊螺桿和磁極芯棒的強(qiáng)度。每個(gè)磁極由8 根M56 螺桿拉緊固定，布置如圖1，不考慮磁軛圈變形引起的附加力作用，飛逸工況下強(qiáng)度校核結(jié)果如表2。由計(jì)算結(jié)果可以看出，拉緊螺桿和芯棒強(qiáng)度合格，結(jié)構(gòu)可行。

圖1 磁極拉緊螺桿布置圖

表2 磁極拉緊螺桿及芯棒的強(qiáng)度

3.1.2 磁軛圈強(qiáng)度校核

考慮制作可行性及經(jīng)濟(jì)性，磁軛圈多采用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q355 厚板壓型焊接制作。分別對(duì)單圓盤(pán)磁軛圈和雙圓盤(pán)磁軛圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢討，滿足發(fā)電機(jī)GD2的磁軛圈厚度為140 mm，其幾何模型見(jiàn)圖2，計(jì)算應(yīng)力分布見(jiàn)圖3、圖4。

圖2 磁軛圈模型圖

圖3 單圓盤(pán)磁軛圈應(yīng)力云圖

圖4 雙圓盤(pán)磁軛圈應(yīng)力云圖

從解析結(jié)果可以看出，單圓盤(pán)磁軛圈集中應(yīng)力517.8 MPa，一般應(yīng)力421 MPa，雙圓盤(pán)磁軛圈集中應(yīng)力488.5 MPa，一般應(yīng)力394 MPa，均遠(yuǎn)超Q355 材料許用應(yīng)力，140 mm 厚磁軛圈結(jié)構(gòu)不可行。為降低磁軛圈應(yīng)力，對(duì)160 mm 厚和180 mm 厚雙圓盤(pán)磁軛圈進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

表3 雙圓盤(pán)磁軛圈強(qiáng)度對(duì)比表

可以看出，隨厚度增加，磁軛圈應(yīng)力降低，但厚度達(dá)到160 mm 以后，應(yīng)力降低不明顯，即使厚度增加到180 mm，磁軛圈應(yīng)力仍達(dá)到372 MPa。因此，隨厚度增加，磁軛圈自身離心力產(chǎn)生的應(yīng)力占比增加，無(wú)法有效降低應(yīng)力，磁軛圈需采用高強(qiáng)度合金鋼材料。高強(qiáng)度合金鋼材料成本高、焊接工藝性較差，不利于提高轉(zhuǎn)子可靠性，故南歐江四級(jí)轉(zhuǎn)子不適合采用磁軛圈結(jié)構(gòu)。

3.1.3 疊片磁軛結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子支架采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性及抗疲勞性好的整體圓盤(pán)式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子支架外徑為Ф4 230 mm，圓周均布11 根軸向立筋。

磁軛片為每扇4 極，一周由11 張磁軛片構(gòu)成，考慮磁軛鍵槽和磁極鍵槽的削弱影響和疊片磁軛的必要?jiǎng)偠?，磁軛?nèi)徑為Ф4 180 mm，飛逸工況下磁軛的最大集中應(yīng)力為567.8 MPa，平均應(yīng)力為380 MPa 左右，磁軛片選用650 MPa 等級(jí)高強(qiáng)度熱軋磁軛鋼板，具有足夠的安全裕度，應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。此時(shí)，發(fā)電機(jī)GD2遠(yuǎn)超水力需要，為盡量降低磁軛重量提高經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)降低導(dǎo)軸承載荷優(yōu)化燈泡機(jī)兩導(dǎo)軸承載荷分配比并提高機(jī)組軸系的穩(wěn)定可靠性，在磁軛軸向設(shè)置了9 道風(fēng)道，風(fēng)道高度31 mm,見(jiàn)圖6。

圖5 飛逸工況疊片磁軛應(yīng)力云圖

圖6 疊片磁軛斷面圖

磁軛片采用激光切割制作，現(xiàn)場(chǎng)疊片并用高強(qiáng)度螺桿拉緊成整體磁軛，激光切割的磁軛片孔位及槽位精度高，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需鉸孔。為確保運(yùn)行時(shí)磁軛與轉(zhuǎn)子支架不分離，同時(shí)考慮燈泡機(jī)臥式水平安裝，轉(zhuǎn)動(dòng)部件徑向力因重力作用周期變化的影響，磁軛與轉(zhuǎn)子支架間采用徑-切向復(fù)合磁軛鍵結(jié)構(gòu)。復(fù)合磁軛鍵由徑向熱加墊T 型鍵與兩側(cè)切向冷配打的打入鍵構(gòu)成。徑向熱加墊緊量能保證在1.8 倍額定轉(zhuǎn)速下磁軛與轉(zhuǎn)子支架不分離，同時(shí)冷配打切向鍵能確保磁軛與轉(zhuǎn)子支架間周向可靠楔緊。

3.2 磁極設(shè)計(jì)

南歐江四級(jí)發(fā)電機(jī)容量較大，飛逸轉(zhuǎn)速高，發(fā)電機(jī)直徑較小，磁極長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，達(dá)1 893 mm，磁極部件應(yīng)力高，磁極線圈周向變形量較大。為保證磁極結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度，除磁極沖片采用高強(qiáng)度材料外，發(fā)電機(jī)磁極上采用了以下結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)磁極鍵和圍帶磁極線圈。

燈泡貫流式機(jī)組水頭較低，一般轉(zhuǎn)速也較低，多采用徑向短磁極鍵結(jié)構(gòu)。短磁極鍵由布置于磁極兩端的兩對(duì)楔形鍵組成，現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)，常配合磁極鴿尾處的側(cè)邊調(diào)整墊片和極身內(nèi)徑處的調(diào)整墊片使用。極身內(nèi)徑處間隙為發(fā)電機(jī)第二氣隙，間隙變化會(huì)直接引起勵(lì)磁電流變化{4}，安裝間隙以不超過(guò)1 mm為宜，見(jiàn)圖7。短鍵結(jié)構(gòu)拆裝方便，現(xiàn)場(chǎng)可對(duì)磁極外徑進(jìn)行一定調(diào)整，但徑向布置的磁極鍵會(huì)減少磁軛的有效徑向高度而影響受力。長(zhǎng)鍵結(jié)構(gòu)成本較高，現(xiàn)場(chǎng)配鍵難度相對(duì)較大，但整體性好，因此，考慮磁軛強(qiáng)度和磁極應(yīng)力高變形大的因素，南歐江四級(jí)發(fā)電機(jī)采用側(cè)邊長(zhǎng)磁極鍵結(jié)構(gòu)。

常規(guī)燈泡機(jī)因極數(shù)多轉(zhuǎn)子外徑較小，應(yīng)力水平不高，線圈變形小，極間距離小，一般不需也很難設(shè)置線圈極間支撐。但無(wú)線圈支撐時(shí)，飛逸工況下南歐江四級(jí)磁極線圈的最大變形達(dá)到4.7 mm,遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)允許值，必須采取措施減少線圈變形。磁極線圈極間最小距離只有12 mm，無(wú)法設(shè)置支撐，故設(shè)置圍帶以減少線圈變形。如圖8，考慮圍帶支撐剛強(qiáng)度和絕緣距離后，相鄰磁極的圍帶布置間隙過(guò)小存在干涉，磁極的圍帶須軸向錯(cuò)開(kāi)布置，因此，S 極磁極的圍帶偏上游側(cè)布置，而N 極磁極的圍帶偏下游側(cè)布置。

圖7 短磁極鍵結(jié)構(gòu)

圖8 磁極圍帶結(jié)構(gòu)

4 轉(zhuǎn)子安裝

疊片磁軛轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場(chǎng)組裝工作是成熟的工藝，但是，疊片時(shí)轉(zhuǎn)子中心體下游側(cè)朝下，因特殊圍帶結(jié)構(gòu)的采用，磁極掛裝時(shí)需先掛裝圍帶偏下游側(cè)的N極磁極，再掛裝S 極磁極。

5 結(jié)論

南歐江四級(jí)電站是高水頭燈泡貫流式機(jī)組，機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)制造難度系數(shù)Kr在目前大容量燈泡貫流式機(jī)組中是最高的，通過(guò)綜合考慮轉(zhuǎn)子剛強(qiáng)度、工廠制造能力、結(jié)構(gòu)可靠性及經(jīng)濟(jì)性，選用疊片磁軛轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并針對(duì)磁軛磁極的具體問(wèn)題采取有效結(jié)構(gòu)措施，保證了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的安全可靠性。南歐江四級(jí)電站3 臺(tái)機(jī)組分別于2020 年9 月（2 臺(tái)）和11 月投入商業(yè)運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好。