新疆下坂地電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

陳玉玲

（東方電氣集團(tuán) 東風(fēng)電機(jī)有限公司，四川 樂山614000）

1 電站簡介

新疆下坂地電站位于新疆喀什地區(qū)庫爾干河中上游，是我國海拔最高的水利樞紐工程之一，擔(dān)負(fù)著塔里木盆地西南部春季供水,生態(tài)補(bǔ)水和發(fā)電等綜合功能。安裝三臺單機(jī)容量50MW 的水輪發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量150MW。

2 發(fā)電機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)

3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

新疆下坂地電站發(fā)電機(jī)屬于典型大容量高轉(zhuǎn)速混流式機(jī)組，在國內(nèi)外均有較大設(shè)計(jì)難度，該機(jī)組不但對轉(zhuǎn)動慣量有較高要求，而且機(jī)組轉(zhuǎn)動部件設(shè)計(jì)更具有挑戰(zhàn)性，直接影響著機(jī)組的整體性能。

3.1 定子鐵芯內(nèi)徑選擇分析

定子鐵芯內(nèi)徑的選擇是發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。若鐵芯內(nèi)徑偏大，在飛逸轉(zhuǎn)速時，磁極與磁軛的應(yīng)力難以滿足強(qiáng)度要求；若鐵芯內(nèi)徑偏小，不但轉(zhuǎn)動慣量無法滿足，磁極極間距較小，而且不利于發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻，線圈無法側(cè)向固定也存在較大難度。

同時，定子鐵芯外徑選擇對轉(zhuǎn)子磁軛結(jié)構(gòu)型式也有一定的影響。鐵芯外徑偏小，磁軛與主軸之間的距離將變小，雖然可采用磁軛整體熱套在主軸上的結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)卻不利于采用無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，影響機(jī)組性能。

因此針對下坂地機(jī)組采用無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的要求，綜合轉(zhuǎn)動慣量及應(yīng)力要求，最終確定定子鐵芯外徑4500mm。

3.2 磁軛沖片疊裝方法分析

因?yàn)闄C(jī)組采用無風(fēng)扇徑向通風(fēng)方式，所以轉(zhuǎn)子采用圓盤式支架結(jié)構(gòu)，而磁軛沖片在工地疊裝于支架上。磁軛的疊裝方式有多種，計(jì)算分析如下：

3.2.1 磁軛相錯1/2 個極距疊法分析

設(shè)計(jì)過程中合理地選擇磁軛疊裝方法, 將會直接影響磁軛強(qiáng)度和拉緊螺桿受力情況是否滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)力增大系數(shù)β 是用來衡量不同疊片方式對磁軛斷面應(yīng)力的影響。

Z1——每張沖片的極數(shù)

Z2——相鄰兩層沖片錯開的極距倍數(shù)

n ——單元磁軛任意接縫斷面上的沖片的接縫數(shù)

磁軛的平均拉應(yīng)力

Fe——磁軛的離心力

Fp——磁極的離心力

δ——磁軛沖片的厚度

Nt——磁軛沖片總層數(shù)

Bmin——磁軛沖片最小徑向?qū)挾?/p>

磁軛拉緊螺桿和銷釘?shù)钠骄魬?yīng)力：

m1、m1——每極螺桿數(shù)和定位銷數(shù)

d1、d2——每極螺桿和定位銷的直徑

若按常規(guī)疊裝，Z1=2，采用層間相錯一個極矩，應(yīng)力增大系β1=2/(2-1)=2。每張沖片切向力由一個極距內(nèi)螺桿承受：

磁軛的平均拉應(yīng)力為：σ=5800kgf/cm2

螺桿所受剪應(yīng)力：τ=262.5kgf/cm2

若采用層間相錯1/2 個極距的沖片設(shè)計(jì)，則β2=4/(4-1)=4/3，每張沖片切向力由1/2 個極距內(nèi)螺桿承受：

磁軛的平均拉應(yīng)力：σ=4351kgf/cm2

螺桿所受剪應(yīng)力：τ=525kgf/cm2

對比上述兩種方式可知，層間相錯1/2 個極距的沖片設(shè)計(jì)方式可使磁軛平均拉應(yīng)力減小33.35%，磁軛拉緊螺桿剪應(yīng)力增加一倍，對磁軛沖片強(qiáng)度要求明顯降低。磁軛沖片選用國產(chǎn)高強(qiáng)度磁軛鋼板WDER600，磁軛拉緊螺桿選用冷拉圓鋼35CrMo 即可滿足設(shè)計(jì)要求。

由于采用層間相錯1/2 個極距疊法，在設(shè)計(jì)時螺孔既要以磁極中心線對稱布置，又要以兩極之間的中心線對稱，為滿足上述條件，采用了兩種磁軛沖片，其中第二種沖片[圖1（b）]的兩邊端線是第一種沖片[圖1（a）]雙T 尾的中心線。

圖1 磁軛沖片圖

3.2.2 復(fù)合沖片疊法分析

因?yàn)闄C(jī)組完全采用徑向通風(fēng)、定子端部回風(fēng)方式，為了增大徑向通風(fēng)量，所以采用復(fù)合沖片雙向反復(fù)疊裝方式，將3張磁軛沖片組合成一張厚沖片（如圖2）。此種疊裝方法可使磁軛沖片接縫處形成的通風(fēng)溝截面積不變，每個通風(fēng)溝截面積增大了3 倍，減小了風(fēng)阻，改善了通風(fēng)效果。同時，磁軛沖片的正、反向疊法還保證了磁軛的整體性，防止機(jī)組在運(yùn)行過程中磁軛沖片可能出現(xiàn)的螺旋形位移，提高了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能。

圖2 復(fù)合沖片疊法示意圖

3.2.3 塔形向心磁極沖片分析

為了改善機(jī)組的徑向通風(fēng)效果，提高運(yùn)行性能，磁極采用塔形向心磁極沖片，不但可增大磁極極間根部距離，而且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁極線圈產(chǎn)生的離心力全部由磁極鐵芯的極靴承受，線圈不需要設(shè)置側(cè)向固定裝置，有利于發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻，增強(qiáng)機(jī)組的運(yùn)行安全可靠性，同時滿足機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量的要求。

4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

4.1 總體布置分析

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由主軸、支架、磁軛和磁極組成，如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

4.2 轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)分析

轉(zhuǎn)子支架采用了圓盤式轉(zhuǎn)子支架，由輪轂、上、下圓盤、撐板和7 個大立筋焊接而成，轉(zhuǎn)子支架與主軸在工地?zé)崽诪橐惑w。

4.3 磁軛結(jié)構(gòu)分析

轉(zhuǎn)子磁軛由上、下壓板、磁軛沖片、制動環(huán)組成。磁軛采用WDER600 高強(qiáng)度鋼板經(jīng)激光切割而成磁軛沖片疊裝而成，沖片兩端留有較大的通風(fēng)溝，另外沿磁軛軸向高度設(shè)置6個通風(fēng)溝，以確保發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻風(fēng)量。在磁軛下端裝設(shè)分塊的、可拆卸的制動環(huán)。通過磁軛拉緊螺桿將其固定在磁軛上。同時在制動環(huán)與磁軛間設(shè)置不同厚度的墊片，用以調(diào)整制動環(huán)的水平。磁軛與轉(zhuǎn)子支架通過徑切向復(fù)合鍵聯(lián)接固定（如圖4）。

在徑向鍵(凸鍵)與轉(zhuǎn)子支架立筋鍵槽之間可加墊以確保徑向緊量，切向鍵為兩個小鍵，它可以補(bǔ)償支架立筋鍵槽與磁軛之間產(chǎn)生的公差，保證磁軛與轉(zhuǎn)子支架在各種轉(zhuǎn)速下同心，不會產(chǎn)生切向位移。

在磁軛的上、 下端設(shè)有旋轉(zhuǎn)式擋風(fēng)板，旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板采用非磁性材料。

圖4 磁軛徑切向鍵結(jié)構(gòu)圖

圖5 磁極結(jié)構(gòu)圖

4.4 磁極結(jié)構(gòu)分析

磁極由磁極鐵芯、 磁極線圈和阻尼繞組等組成，如圖5所示。磁極沖片由2mm 厚的WDEL450 鋼板沖制疊壓而成，采用6 根φ36 的穿芯拉桿緊固； 設(shè)置9 根φ18 的阻尼條，為了適應(yīng)較高的離心力，將阻尼環(huán)設(shè)置在磁極壓板和磁極沖片之間，既提高了阻尼環(huán)的強(qiáng)度，又縮短了磁軛的長度；磁極線圈由矩形直銅排四角焊接而成，設(shè)有散熱匝，大大的提高了線圈的散熱能力，有效的降低了轉(zhuǎn)子溫升。磁極采用雙T 尾，通過磁極鍵與磁軛固定。

5 結(jié)束語

本文分析了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛沖片疊法，塔形向心磁極、帶散熱匝的焊接式磁極線圈、旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板等新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，并將其運(yùn)用于生產(chǎn)制造過程中，首臺機(jī)組也于2009 年成功投運(yùn)發(fā)電，運(yùn)行結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總體布局是合理的，機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足合同要求。

［1］白延年，主編.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.