巨型水輪發電機結構特點

楊開黎，王巖祿

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

巨型水輪發電機結構特點

楊開黎，王巖祿

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

巨型水輪發電機一般額定轉速較低，轉動部分的重量和結構尺寸較大，因此發電機結構選型和設計工作非常重要。本文介紹了立軸半傘式密閉自循環全空冷三相凸極同步巨型水輪發電機結構特點，主要包括巨型水輪發電機定子、轉子、推力軸承和下導軸承、下機架、軸承冷卻系統等。對巨型水輪發電機的設計具有一定指導意義。

巨型水輪發電機；結構；特點

0 前言

自1998年開始引進巨型水輪發電機技術，2003年開始獨立設計、制造三峽右岸700MW世界尺寸最大、推力負荷最大(5560t)的水輪發電機以來，已相繼完成龍灘、拉西瓦、小灣、溪洛渡、向家壩等多臺巨型水輪發電機的設計制造工作。完成了引進、消化、吸收和再創新的過程。

巨型水輪發電機主要結構部件的設計是保證機組安全穩定運行的重要保障。

1 巨型水輪發電機

典型巨型水輪發電機如表1所示。

2 發電機總體結構

典型立軸半傘式密閉自循環全空冷三相凸極同步發電機總體結構，如圖 1所示。發電機主要部件包括：定子、轉子、上機架、上導軸承、下機架、推力軸承、下導軸承、空氣冷卻器、埋入基礎、制動系統、滅火系統、蓋板、油水管路、輔助接線等必要的輔助部件。

表1 典型巨型水輪發電機

2.1 定子

定子裝配由定子機座、定子鐵心、定子繞組及銅環引線等部分組成，如圖2所示。

定子機座為鋼板焊接結構，由多層環板、多個垂直的斜立筋、筋板及外壁組成。定子機座均為分瓣結構，廠內預裝，工地組裝拼焊。斜立筋機座能夠適應鐵心的熱膨脹。定子機座的下環板為大齒壓板。定子機座斜立筋下端與基礎連接，連接處有銷釘和螺栓緊固；上端與上機架固定。

圖1 發電機總體結構

定子鐵心由冷軋無取向硅鋼片沖片疊成。鐵心疊片后用穿心螺桿壓緊，穿心螺桿與鐵心間設有絕緣套管，壓緊螺帽下墊有蝶形彈簧墊圈。定子鐵心首末兩段疊片用粘接膠粘成整體，以增強剛度，減小振動和降低損耗；齒壓片選用無磁性鋼材料。定子鐵心采用雙鴿尾的定位筋固定于定子機座上。

圖2 定子裝配

2.2 轉子

轉子裝配，由頂軸、轉子支架、主軸、磁軛、磁極和集電裝置等部件組成，如圖 3所示。頂軸材質為鍛鋼20SiMn，頂軸與轉子支架用螺栓連接，銷釘定位，止口輔助定位，頂軸上部安裝有集電環。主軸材質為鍛鋼20SiMn。主軸與轉子支架用螺栓連接，銷套定位并傳遞扭矩，止口輔助定位。

圖3 轉子裝配

轉子支架為圓盤式斜立筋鋼板焊接結構，由中心體和多個外環組件組成。外環組件與中心體在工廠內進行預裝，在工地組圓焊接。中心體由上法蘭、下法蘭、中心圓筒、內部徑向垂直筋板及外部垂直斜筋板等部件組成。每個外環組件由上環板、下環板和垂直斜筋板等部件組成。

磁軛由高強度薄鋼板疊成，分為上下兩段,每段上下兩端均設有壓板，用拉緊螺桿拉緊，各自形成一個整體。磁軛和轉子支架之間采用徑、切向復合鍵連接結構，復合鍵可以承擔磁軛的徑向緊量作用力和切向扭矩。

磁極由磁極鐵心、磁極線圈組成。鐵心由沖片疊成，兩端設有磁極壓板，用拉緊螺桿壓緊，鐵心設有阻尼繞組。磁極線圈由帶散熱翅的銅排四角焊接而成。磁極中部有極間撐塊，承受線圈側向力，以減小線圈側向變形及應力。

2.3 推力及下導軸承

根據廠房布置及軸系穩定性情況，巨型機組的推力軸承和導軸承可以分為以三峽、溪洛渡等電站為代表的推導組合結構（圖4）和以龍灘、拉西瓦等電站為代表的推導分開結構（圖5）。

推力軸承采用小支柱雙層瓦結構，可以有效控制瓦面的變形（圖6）。托盤位于推力瓦與支柱之間，可以起到減小軸瓦變形和避免應力集中的作用。

圖4 推導組合結構

圖5 推導分開結構

圖6 彈性小支柱

支柱頂面為球面，中間一段M80的螺紋與支座相連，通過M80的螺紋來調節支柱的高度。支柱中心加工有通孔，孔內設有測量桿，可調節瓦的載荷。

2.4 下機架

下機架為負荷機架，包括中心體和徑向支臂，用優質熱軋鋼板焊接而成。支臂與中心體在廠內進行預裝，在工地進行組焊。在中心體的外壁上開有窗口，便于檢修推力軸承瓦。下機架的末端與基礎連接。下機架不僅承受機組轉動部分重量和水推力等組合載荷，同時還承受下導軸承的徑向負荷。

對于特大型機組，下機架軸向撓度應控制在5mm以內。同時下機架的結構還應考慮運輸的限制和更好地傳遞徑向負荷。因此下機架一般設計成輻射型分體結構。

機組承重機架（下機架）的軸向撓度統計值見表2。下機架的軸向變形一般發生在推力軸承支撐直徑上，如圖 7所示。因此在設計時該處環板的厚度一般選定約 120mm，在環板下面設置了支撐錐體和筋板。較高的機架有利于提高機架的軸向剛度。

表2 承重機架的軸向撓度

2.5 軸承冷卻系統

由于巨型機組的推力負荷普遍在2500t以上，其推力軸承損耗大，超過500kW。推導復合軸承的軸承損耗更大。常規的推力軸承內循環潤滑冷卻方式無論從油槽結構還是循環冷卻效果，均無法滿足機組的潤滑冷卻要求。因此，采用外循環冷卻方式已成為巨型機組推力軸承冷卻的共識。目前國內外主流的外循環冷卻方式分別為：以龍灘電站為代表的外加泵外循環（圖8）、以拉西瓦電站為代表的鏡板泵外循環（圖9）、以三峽右岸（哈電）和以小灣電站為代表的導瓦泵外循環（圖10）。

圖7 下機架受力圖

外加泵外循環，主要特點是在潤滑油循環回路系統中外加一組互相備用的電動油泵，作為循環動力，其余由冷卻器、濾油器、壓力表、流量顯示器和閥門等元件組成。

圖8 外加泵外循環

圖9 鏡板泵外循環

導瓦泵外循環，亦稱導瓦間隙泵外循環。將導瓦進油側加寬作為間隙泵的泵體。泵體表面是導瓦鎢金的一部分，泵體部分比導瓦直徑略大，即泵體表面距滑轉子表面約1mm間隙。當軸承運轉時，借助油的粘滯作用，將油帶入間隙，油流受阻，壓力增高。增壓的潤滑油可按導瓦數分別引到出油環管，再從出油環管引入油冷卻器，進行熱交換。

圖10 導瓦泵外循環

4 結束語

隨著國內巨型水輪發電機的陸續設計、制造、安裝和發電，全面提高了國內主要發電設備制造廠家的綜合實力，提升了發電設備設計和制造技術水平。由于巨型水輪發電機的主要技術參數和結構的特殊性，承擔著機組全部轉動部分負荷的推力軸承的選型設計，是決定機組能否安全、穩定運行的關鍵。哈電機公司作為國內發電設備的主要制造廠家，通過進一步強化對巨型機組設計技術的消化吸收已獨立完成多個巨型水電項目的設計，為后續水電1000MW級機組的設計提供了可靠的技術依據。

審稿人：劉公直

Design Feature of Huge Hydro-generators

YANG Kaili, WANG Yanlu
（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

Normally, the huge hydro-generator has heavy rotating components, large structural dimension and low rated speed, so the type selection and structure design is very important. This paper presents the design features of vertical shaft semi-umbrella type enclosed self-circulating totally air-cooled three-phase salient-pole synchronous huge hydro-generator, including stator,rotor, thrust bearing and guide bearing, lower bracket, bearing cooling system and so on. It is useful for guidance of the huge hydro-generator design.

huge hydro-generator; structure; characteristic

TM312

A

1000-3983(2014)03-0026-04

2013-08-23

楊開黎（1967-），1990年畢業于華中理工大學電機專業，現從事電機控制工作，高級工程師。