燈泡式貫流水輪發(fā)電機定子的選型與設計

摘要：貫流式水輪發(fā)電機組20世紀30年代問世以來，由于其優(yōu)良的技術經濟特性而得到了廣泛的應用，貫流技術也因此得到了迅速發(fā)展。我國是從20世紀60年代開始對燈泡式貫流機組進行研發(fā)的，本文重點介紹燈泡式貫流水輪發(fā)電機定子的選型與設計。

關鍵詞：燈泡式；結構緊湊；經濟；選型與設計

相比于立式機組而言，燈泡式貫流水輪發(fā)電機組具有水頭低，結構緊湊，質量輕，投資小，土建開挖量小，工期短，收效快等特點。定子作為水輪發(fā)電機的一個重要組成部分，對機組整體結構的布置起著至關重要的作用。下面就來介紹一下燈泡式貫流水輪發(fā)電機定子部分主要部件的選型與設計。

燈泡式貫流水輪發(fā)電機燈泡比是指定子機座外徑與水輪機轉輪外徑的比值，它是燈泡式貫流水輪發(fā)電機組的一個特征參數。它對水輪機的水力特性和發(fā)電機的主要尺寸、電磁參數、冷卻性能以及機組安裝等都有直接影響。如果燈泡比選擇過大，會使水輪機的水力特性變壞，機組的效率降低：反之，燈泡比選擇過小，會導致整個水輪發(fā)電機組的飛輪力矩(GD2)減小，甩負荷時的速率上升增大，L／ι值增大，轉子磁極間距減小。通風冷卻效果差。特別是轉子溫升會增大，同時定子機座的剛度也會降低，結構布置的徑向空間減小，因此設計時，必須選擇合適的燈泡比，通常燈泡比取0.8～1.2。表1中列舉了部分國內外電站燈泡式貫流水輪發(fā)電機組的燈泡比和其他主要參數。

燈泡式貫流水輪發(fā)電機的定子部分由定子機座、定子鐵芯、定子線圈、端箍裝配、銅環(huán)引線、定子測溫裝置等裝配及零部件組成。

定子機座的選型

定子機座的結構型式有：環(huán)板式定子機座、V形筋式定子機座和貼壁式定子機座。其中由于環(huán)板式定子機座結構簡單，剛度好，因此被較多采用。如能滿足運輸條件，定子機座盡量采用整圓結構，對于分瓣式機座，應在工地將其組成整圓之后再進行疊片和下線。機座主要材料為Q235鋼板，上游與中間環(huán)或冷卻套通過螺栓連接，下游與水輪機管形座通過螺栓連接，定子機座承受自重及電磁扭矩，并將扭矩傳遞至水輪的管形座上，下游側環(huán)板與管形座環(huán)板要有足夠數量的連接螺栓，機座與管形座結合面的靜摩擦力應能夠承受突然短路切向力，必要時可增設銷釘。機座要有一定的剛度以滿足機組安全運行要求，同時機座與鐵芯的結構還應能適應鐵芯的熱變形，使鐵芯在熱膨脹時不會對機座產生過大的壓應力，引起鐵芯翹曲。由于受燈泡比的限制，一般燈泡式貫流水輪發(fā)電機機座剛度較立式機組偏小，熱膨脹引起的鐵芯翹曲也較少。在計算受磁拉力作用時的剛度條件和限制機座變形所占氣隙比值的剛度條件時機座斷面慣性矩J值可按1.2～1.3倍的數值進行較核。

定子鐵芯設計

定子鐵芯是磁路的主要組成部分并用以固定定子繞組，由定子扇形片、通風槽片、定位筋，齒壓板、拉緊螺桿等部件組成。定子扇形片的材料為冷軋無取向磁性鋼帶，規(guī)格多為0.35mm或0.5mm厚。設計時應保證每片槽數為整數，并使片間的接縫不在齒上；接縫邊應留有0.2～0.3mm的間隙，以避免相鄰扇形片邊緣搭疊。為減小鐵芯中的渦流損耗，扇形片沖制后應除毛刺，并涂絕緣漆。定子扇形片的槽形尺寸按電磁計算結果選定，貫流式發(fā)電機均采用開口槽，槽口楔部尺寸根據槽寬選定，楔高按槽楔的結構及強度選定，每片鴿尾槽數一般為2或3，這種扇形片的定位好，疊片效率高被廣泛采用。

燈泡式貫流水輪發(fā)電機鐵芯分為若干段，每段長度在30～55mm之間。定子通風溝由通風槽片構成。通風槽片由點焊于扇形片上通風槽鋼組成，通風槽片材料多選用65W600硅鋼片，為避免點焊熱變形引起的扇形片齒部及槽底部翹曲，從而導致疊片錯牙，需將扇形片擴槽，沿齒槽周邊沖去2mm寬度，通風槽鋼材質為1cr18Ni9Ti。由于燈泡式貫流發(fā)電機的轉速較低，定子的軛部較窄，因此多采用鐵芯背部布置拉緊螺桿的結構型式。定子鐵芯的片間壓力一般選1.5～1.8MPa，軸向壓力由齒壓板、拉緊螺桿、螺母產生。為解決熱膨脹引起的鐵芯翹曲問題，多采用雙鴿尾筋結構，將熱膨脹值和擠壓應力限制在允許范圍內。

定子繞組

貫流發(fā)電機的定子繞組形式主要分成條式波繞組、疊繞組，圈式疊繞組。定子繞組的形式，導線規(guī)格及槽形尺寸等在電磁計算時就已確定，為了要獲得好的性能參數以及受結構限制等因素的影響，不同機組選擇的繞組形式也不同。如果選擇條式線圈繞組，為減小股線溫差及在槽漏磁場中不同位置產生循環(huán)電流而引起的附加損耗，線圈需在鐵芯長度范圍內進行完全或不完全換位。

結語：

據統(tǒng)計采用燈泡式貫流機組比相同容量的軸流轉槳式機組，在電站建設投資上一般可節(jié)省10％～25％，年發(fā)電量可增加約3％～5％，同時對水頭的要求更低。因此燈泡式貫流水輪發(fā)電機是開發(fā)低水頭水能資源的一種最經濟、最適宜的水輪發(fā)電機形式，這也是貫流技術能夠迅速發(fā)展起來的原因。目前，國內已經有數十個電站近百臺燈泡式貫流機組投入運行。