深溪溝水電站大容量軸流式水輪發電機設計

汪小芳，黃道錦

(東芝水電設備(杭州)有限公司，浙江杭州310016)

深溪溝水電站位于四川省雅安市漢源縣和涼山州甘洛縣接壤處，為大渡河干流規劃的第十八級電站，其上一梯級電站為瀑布溝水電站，下一級為規劃中的枕頭壩水電站。深溪溝水電站為河床式布置，安裝間布置在右岸山體內。深溪溝水電站主要任務為發電，為上游瀑布溝水電站的反調節電站。電站裝設4臺單機容量為165MW的軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量660MW。工程于2006年4月開工，2007年11月河床截流，2010年6月首臺機組發電。

1 發電機基本技術參數

發電機型號SF165－66/13640

額定容量183.34MVA/165MW

額定電壓15.75kV

額定電流6721A

額定功率因數0.9(滯后)

額定頻率50Hz

額定轉速90.9r/min

飛逸轉速273r/min

絕緣等級F/F(定子/轉子)

額定勵磁電壓435V

額定勵磁電流1600A

發電機GD2＞61000t－m2

推力負荷3070t

旋轉方向俯視順時針

2 發電機總體結構

深溪溝水電站發電機為立軸半傘式、密閉自循環空氣冷卻的三相凸極同步發電機，主要由定子、轉子、上下機架、上下導軸承及推力軸承、制動和頂起系統、滅火系統、空氣冷卻系統、自動化系統等組成，總體結構形式見圖1。

該發電機的結構設計可以使下機架及水輪機所有可拆部件在安裝和檢修時能通過定子內腔吊出，并可以在不吊出轉子和不拆除上機架的情況下更換轉子磁極和定子線棒，以及對定子繞組端部等處進行預防性檢查。

發電機軸系采用三段軸(含轉子中心體)結構，即轉子中心體上部設有上端軸，下部設有發電機主軸，三者聯成一體，與各部軸承構成軸系，屬于有兩個導軸承的半傘式發電機。上導軸承布置在上機架中心體內，下導軸承布置在下機架中心體內，兩者距離轉子中心分別為1950mm和1500mm。經計算分析，發電機與水輪機組裝后，軸系的臨界轉速為飛逸轉速的1.25倍以上，表明軸系在運行時具有足夠的穩定性。發電機主軸與轉子支架采用外法蘭聯結，聯軸螺栓為15個M120×4，通過液壓拉伸器拉緊，同時設置了5個特殊結構的扭矩鍵，從而可以安全可靠地傳遞運行過程中的扭矩。

發電機采用機械制動。在下機架支臂上設置了10只三腔三活塞油氣分離、氣動復位式制動器。制動器主活塞直徑為315mm，最大行程40 mm。制動塊采用非金屬無石棉材料，摩擦系數大，磨損率低，粉塵少，不污染環境。在制動器下層活塞下可送高壓油以頂起轉子并設機械鎖定裝置，以保持轉子在頂起的位置上而無需保持連續的液壓。制動時氣壓為0.6～0.8MPa，頂轉子油壓為13.5MPa。

圖1 發電機總體布置剖面圖

為防止軸電流通過軸瓦形成回路而使軸瓦損傷，在上導軸承導軸瓦背部設置了兩層絕緣。兩層絕緣之層間夾一片中間金屬板，用導線將軸瓦和中間板引至發電機端子箱，以便作軸承的絕緣電阻測量。另外，在下機架上安裝軸電流互感器以監測軸電流的發生，在互感器下方裝設主軸接地碳刷用于轉子一點接地保護。

在發電機機坑內配置了5個電加熱器，功率為3kW，用于停機時防止受潮結露。

3 定子

定子由定子機座、定子鐵心、定子繞組等組成。在工地進行定子機座把合、鐵心疊片和繞組下線等工作。

定子機座由鋼板焊接而成，正二十四邊形，對邊尺寸為15250mm，高2700mm。機座在工廠組焊加工，分6瓣運至工地，在現場無需做結構性的焊接，僅用合縫法蘭連接螺栓把合成整體即可。機座設頂環、上環、中環和下環，穿過中環沿圓周在與鴿尾筋相對應的位置設置支撐棒以提高其整體剛性。機座下環底部設置了12處基礎板，采用螺栓與基礎連接，通過徑向鍵定位并傳遞扭矩，這種結構可適應機座熱變形以及鐵心的徑向熱脹冷縮，從而有效避免了鐵心產生“翹曲”現象。

定子鐵心外徑為13640mm，內徑為12850 mm，高1650mm。定子鐵心采用厚0.5mm的低損耗、無時效、無取向、優質冷軋高磁導率的硅鋼片疊壓而成。沖片表面均勻涂覆固化時間短、收縮率小、硬度高的F級絕緣漆以降低渦流損耗。定子鐵心高度方向分為45段，通風溝高5mm，通風槽鋼采用非磁性不銹鋼材質。為降低端部漏磁和損耗，在鐵心的上下兩端齒部設置了階梯段落。定子鐵心采用分塊式上、下齒壓板壓緊結構，通過設置于鐵心背部的拉緊螺桿壓緊，并依靠裝于螺桿內徑側的鴿尾鍵定位。在拉緊螺桿上端加裝碟形彈簧以保證定子鐵心在長期運行后仍能保持給定的壓力。

定子繞組為雙層條式波繞組、3支路星形連接。繞組絕緣等級為F級，線棒主絕緣采用VPR(真空液壓多膠絕緣)成型工藝。定子線棒采用槽內360°羅貝爾換位以降低附加損耗并均衡線棒中股線間的溫差。定子線棒在工地機坑內整圓下線，上下層線棒端頭采用連接片一體銀焊的結構。定子線棒由槽楔、楔形板和波紋板牢牢地楔緊在槽內，端部由非磁性不銹鋼端箍固定。

4 轉子

轉子由磁極、磁軛和轉子支架等組成。轉子外徑12804mm，轉子裝配重量約620t(不含吊具)。

轉子支架采用圓盤式結構，由中心體、上下圓盤、立筋以及徑向輻板等組成。為便于運輸，在廠內分為中心體和四個外環件進行精加工制造，到工地后再組焊成整體。轉子支架外周布置16根立筋(不均布)，每處立筋由主、副立筋板組成，副立筋到現場配刨加工之后再進行組焊。在轉子支架下圓盤上裝配可拆卸的分塊式制動環，制動環通過螺栓固定在轉子支架上，并由墊片調整水平。

轉子磁軛為熱打鍵結構，分離轉速為額定轉速的1.25倍。整體磁軛由4.5mm厚經激光切割制造的低合金高強度鋼板WDER650在現場疊壓而成，通過螺桿把緊并傳遞沖片間的作用力。疊片采用兩片一疊、層間錯開一個極距搭疊，用導向銷定位導向，不需要在現場對磁軛進行鉸孔。磁軛整圈由16張沖片組成，沖片接縫處留有210 mm寬的通風間隙。磁軛與轉子支架采用徑、切向復合鍵連接結構，能保證正常運行時的磁軛圓度，并能有效傳遞扭矩。

磁極鐵心采用1.5mm厚WDEL250高強度專用冷軋鋼板沖片疊壓而成，通過螺桿壓緊。磁極為單鴿尾結構，通過磁極鍵固定在磁軛上。磁極線圈由異形斷面的半硬紫銅排焊接而成，設有冷卻翅，具有良好的散熱性能。線圈匝間墊以Nomex絕緣紙，與銅排熱壓成一體。線圈與鐵心間用絕緣板塞緊，對地絕緣可靠。線圈上、下端均設置了整體絕緣法蘭，線圈靠近磁軛側用硅膠填滿間隙，磁極到現場后無需脫出線圈清掃即可直接掛裝。磁極裝有縱、橫軸阻尼繞組，阻尼環之間采用柔性連接，以防止因振動和熱位移而引起故障并便于拆卸和更換。

5 上機架及上導軸承

上機架為非負荷機架，由中心體和12條支臂組成，支臂在現場與中心體組焊成一體。上機架支臂通過螺栓和銷釘固定于定子機座頂環上。

上機架中心體內裝有12塊上導軸瓦，采用支柱螺栓支撐結構。通過調整螺栓即可方便地調整軸瓦與軸頸之間的間隙，瓦背面裝有能使瓦靈活傾斜的球面支柱支撐結構，將徑向力通過支撐柱傳到機架上。

在上機架中心體下方裝設上導油槽，上導軸承采用內置抽屜式油冷卻器冷卻方式。油槽蓋板采用TNS型接觸式密封蓋。該裝置的密封齒沿圓周為多等分結構，每瓣均能與軸形成徑向追蹤、與轉軸表面緊密接觸，實現無間隙運行，能有效防止甩油和油霧逸出。由于其是與轉軸接觸運行，因此在安裝時無需調整間隙，操作十分方便。在TNS型密封蓋上設有特殊結構的油霧過濾呼吸器，其主要由本體、折流板、集油器等組成。在油霧通過折流板到集油器的過程中，由油霧凝結成的油滴返流回油槽內，而經過過濾的空氣被排出。這種結構有效地平衡了油槽內外的壓力，阻止了油霧的逸出，也省去了專門的排油霧管路，使得結構大大簡化。

6 下機架及下導軸承與推力軸承

下機架為負荷機架，由中心體和10條支臂組成，支臂在現場與中心體組焊成一體。下機架支臂通過螺栓和銷釘固定于基礎板上。

下導軸承和推力軸承裝于下機架中心體內，兩者共用一個油槽，采用鏡板泵+外置油冷器冷卻方式。下導軸承由30塊瓦組成，支撐結構與上導軸承相同，油槽蓋板亦使用TNS型接觸式密封蓋。

推力頭布置在轉子支架下法蘭接近外圓處，通過16－M100螺栓與轉子支架把合并通過止口定位。推力軸承鏡板采用55號鍛鋼精加工而成，整周均勻布置鏡板泵孔，用螺栓與推力頭把合并通過止口定位。

推力軸承總負荷為3070t，由14塊扇形瓦組成。推力瓦為巴氏合金瓦，采用多支點彈簧簇支承結構。推力軸承配備有高壓油頂起系統，瓦面上開有油室，在機組啟動和停機過程中給推力軸承瓦面注入高壓油。

7 發電機試運行

2010年6月27日10時，深溪溝水電站首臺機組圓滿完成72h滿負荷試運行，成功投產發電，正式進入商業運行。機組運行穩定，性能優良，各項運行指標均達到設計要求。機組運行數據見表1。

表1 首臺機組運行數據表

8 結語

深溪溝水電站大型軸流式水輪發電機首臺機組自投入商業運行以來，運行平穩、振動小、噪聲低，各部分溫度亦不高，達到合同中各項保證值的要求。發電機結構設計合理，技術先進，性能指標優良，受到用戶好評。