清蓄電站發電電動機轉子結構特點

王 樂，季懷杰

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400；2.清遠蓄能發電有限公司，廣東 清遠 511853）

清蓄電站發電電動機轉子結構特點

王 樂1，季懷杰2

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400；2.清遠蓄能發電有限公司，廣東 清遠 511853）

高速大容量發電電動機轉子是其關鍵部件。由東芝設計制造的清蓄發電電動機轉子部分結構特殊，如磁軛采用浮動式結構、極間連接采用柔性連接以及極間設置四處極間支撐等，文章詳細分析了其結構特點，并簡要敘述了其安裝工藝要求。

發電電動機轉子；結構特點；安裝工藝

0 概述

清蓄電站安裝4臺可逆式水泵水輪發電機組，單機容量320MW，4臺機組全部由東芝供貨。機組發電電動機為立軸半傘式結構，采用無風扇密閉自循環空氣冷卻，發電電動機轉子作為其最關鍵的部分，由轉軸、磁軛、磁極等部件組成，由于其部分結構特殊，對工藝也有特殊的要求。

1 發電電動機轉子結構特點

1.1 轉子主要技術參數

額定容量/軸輸出功率：356MVA/331MW；

額定轉速：428.6r/min；

飛逸轉速：690r/min；

飛輪力矩（GD2）：≥5700t·m2；

轉子外徑：Φ5225mm。

1.2 轉軸結構特點

清蓄發電電動機轉軸采用分段軸結構（見圖1），由轉子支架、滑轉子、滑環軸和下端軸4部分組成。

轉子支架為圓盤式焊接結構（見圖2），由3層環板和7扇肋板與圓筒軸組焊。肋板外側立面分別布置有7根開有鍵槽的立筋，供磁軛和磁軛鍵裝配用，立筋下端部向外突出有30.5mm長、100mm厚的L型磁軛掛鉤，上環板下部立筋上部開有止浮塊卡槽（供止浮塊安裝用），立筋下端掛鉤處外表面加工有30mm長、0.5mm高的凸臺，便于第一段磁軛環裝配定位。滑轉子和下端軸均采用20SiMn高強度優質鋼鍛造結構，滑環軸由Q235B鋼板卷制焊接而成。為保證強度和剛度要求，滑轉子軸領和軸、下端軸和推力頭均采用整體鍛造結構。

圖1 清蓄發電電動機轉軸整體結構圖

圖2 清蓄發電機轉子支架

轉軸各段間均采用止口定位（止口處為過盈配合）、螺栓連接結構（見圖1），此種結構聯接可靠，聯軸后軸線精度高，且能有效傳遞扭矩[4]。為使下端軸和轉子支架間有效傳遞扭矩，下端軸上法蘭與轉子支架下法蘭間還設置有6個徑向扭矩銷（見圖3），扭矩銷設有定位銷釘和固定螺栓進行定位、固定。

圖3 下端軸與轉子支架連接扭矩銷布置圖

1.3 磁軛結構特點

清蓄轉子磁軛為東芝傳統設計的厚板磁軛結構。磁軛軸向高度為3570mm，由9段磁軛環組成，每段磁軛環由50mm和75mm厚的環形磁軛鋼板（Q690D高強度鋼板）在工廠內堆疊而成，環形磁軛鋼板通過拉緊螺桿把合為一體（分三次壓緊），螺桿把緊力矩為240～277kg·m，把緊后磁軛鋼板間間隙控制在2mm以內。

九段磁軛環在工廠內進行預裝。預裝后，在工廠內分兩個（或三個）流程進行精加工（加工磁軛環內圓、外圓、磁軛鍵槽和磁極鍵槽）。為保證精加工后分段磁軛環的整體性，在每一個精加工流程中都用臨時螺桿將需加工的磁軛環把合為一體，并且在相鄰精加工流程間選定精加工用磁軛模板。經工廠精加工的磁軛分9段運抵工地后，在工地直接疊裝成形。

磁軛環第1段上端面、第9段下端面及第2～8段上下端面圓周各均布有14組V型通風葉片（見圖4），使段與段之間形成65mm高的通風道，轉子轉動時通風道內產生整個發電電動機通風系統主要的動壓頭。同時，磁軛環每極外圓側上、下端面（第1段在上端面、第9段在下端面）各焊接有4塊65/2mm厚的導磁塊（見圖4），以使磁軛外圓處磁場分布均勻。第一段磁軛環內側與轉子支架配合處，在掛鉤上部對應位置表面也加工有30mm長、0.5mm的凸臺，以便第一段磁軛環裝配定位。第八段磁軛環上端面內側均布有7處止浮塊（見圖5），止浮塊背部用螺栓固定到磁軛上，卡口卡到轉子支架立筋凹槽內，止浮塊上端面與立筋間間隙安裝時要求為0.70～0.80mm。

圖4 轉子磁軛環局部圖

圖5 止浮塊裝配

磁軛環段與段間通過設置在通風葉片端部和內側拉緊螺母端面上的止口徑向定位（設計要求定位止口加工完后不允許打磨），軸向整體無拉緊螺桿。磁軛整體每極對應處銑有3個T尾槽，T尾槽外側立面為精加工面，用于磁極和磁軛間固緊。第一段磁軛環處每極兩側T尾槽底部焊有50mm高的磁極止落塊，掛裝磁極時用于臨時支撐，且磁極掛裝后可通過加調整墊調整磁極鐵芯中心線高程。

磁軛整體為浮動式結構[2]，轉子支架與磁軛整體之間通過7處組合周向鍵冷打楔緊（如圖6），進行周向配合、傳遞扭矩。組合鍵均為楔形長鍵（裝配長度為3654/3650mm），T型鍵在工廠內冷縮裝配到立筋鍵槽內，打入鍵現場冷打入到磁軛內側鍵槽內與T型鍵配合；組合鍵裝配后，上、下端部設有止動壓板，運行時以限制鍵軸向串動。磁軛與轉子支架間無徑向緊度（徑向有間隙），運行時，轉子磁軛在離心力和熱應力的作用下可自由徑向膨脹。由于磁軛與轉子支架間無徑向緊度要求，現場工藝不需熱打鍵，可省去加熱磁軛的工藝流程，也可以使設計時對轉子支架的強度要求有所降低[3]。

圖6 轉子磁軛軸向鍵裝配圖

由于磁軛為分段浮動式結構，為保證安全穩定運行，疊裝時需嚴格控制磁軛與轉子支架的同心度，實際疊裝中主要從以下幾點進行控制：

（1）疊裝之前需將轉子支架的水平度調整在0.02mm/m以內，并且應保證后續數據測量是在轉子支架水平度≤0.02mm/m時進行，以使測量的數據準確、有效；

（2）通過磁軛環內圓與轉子支架立筋外圓面間間隙來控制磁軛內圓與轉子支架的同心度。工藝要求磁軛內圓與轉子支架立筋外圓面間間隙相對差按≤0.04mm控制，最大也不能大于0.20mm；

（3）通過磁軛外圓相對于轉子支架中心的偏心值來控制磁軛外圓與轉子支架間的同心度，磁軛偏心值采用最小二乘法進行計算（為計算準確考慮了轉子支架水平度，對計算結果進行修正）。工藝要求每疊裝一段磁軛需確認該段偏心值≤0.15mm，再進行下一段磁軛的疊裝，以確保最終磁軛整體偏心量≤0.15mm。

1.4 磁極結構特點

圖7 磁極鍵裝配

圖8 4種磁極鍵壓板

清蓄發電機轉子有7對磁極，采用T尾固定方式，每極有3個T尾。磁極掛裝到轉子磁軛上時，每極兩側T尾落壓到對應磁軛T尾槽底部的止落塊上。每極3個T尾與磁軛T尾槽間通過通體打成對的長楔形磁極鍵配合緊固（如圖7）。每對磁極鍵中，外側小頭朝上的鍵為放置鍵（長3565mm），內側大頭朝上的鍵為打入鍵（長3820mm，楔緊后需割除兩端露出磁軛的部分，割除后長3570mm），裝配時倒角應在T尾根部處（如圖7）。磁極鍵端部設有磁極鍵壓板，磁極鍵壓板共有4種形式（如圖8）。

磁極鐵芯由1.5mm厚的DJL400型高強度專用冷軋磁極沖片疊壓而成（如圖9），沖片為普通的等身磁極沖片，拉緊螺桿通過鐵芯兩端端板固緊鐵芯，磁極端板為34CrNi3Mo鍛鋼結構。磁極鐵芯在工廠內疊裝時，采用靴部調整片、阻尼條處調整片和T尾部調整片進行高度調整（調整片與整張沖片點焊為一體）（如圖10）。

圖9 磁極鐵芯局部圖

圖10 磁極鐵芯調整片

磁極線圈為單層、平頭、焊接式線圈，線圈銅排采用散熱能力好的異形半硬紫銅排，橫向和縱向銅排在彎角處通過銅焊平頭對接。線圈絕緣為F級絕緣，匝間墊Nomex絕緣紙，絕緣紙與銅排熱壓成一體，靠近磁軛側末匝線圈用無堿玻璃絲帶半包一周（絕緣厚度為1mm）。鐵芯采用聚酯玻璃纖維材料絕緣板包裹整個極身作為極身絕緣，端角處采用Nomex膠粘帶貼于4角，在工藝上要求線圈和鐵芯間極身絕緣應塞實，且塞至底部極靴處，極身包裹絕緣處周身涂硅膠，同時極身絕緣應高出線圈至少5mm，并用硅膠整周封口。磁極線圈與極靴間設有上絕緣托板（無下絕緣托板），托板為聚酯玻璃纖維材料，采用分段對接結構（分6段，對接處有間隙，間隙內涂滿硅膠），內側與極身絕緣間有7mm間隙，整周間隙涂滿硅膠；絕緣托板用環氧膠貼于極靴內側鐵芯上，且整周用止口、止臺固定（止口止臺間留有周向間隙，以適應絕緣托板的熱脹冷縮）。同時，為適應線圈的熱脹冷縮，防止因線圈和絕緣托板熱脹冷縮不一致造成線圈層間絕緣破壞，在線圈和絕緣托板間設有不銹鋼滑動法蘭（如圖11）。

圖11 磁極線圈裝配圖

磁極線圈連接銅排分為上部連接銅排（1號～14號磁極線圈）、下部連接銅排（2號～13號磁極線圈）和勵磁引出銅排（1號、14號磁極線圈），連接銅排由多層磷銅片組成，通過鴿尾與線圈銅排采用銀銅焊組焊。極間連接為柔性連接，采用線夾板式連接結構[1]（如圖12），通過拉緊螺桿、絕緣套管和絕緣墊圈將柔性連接銅排的各銅片交差連接，并整體固定到磁軛上，連接銅排連接后，要求纏繞3層無堿玻璃繩并用環氧樹脂固化，這種連接結構在運行時可提供相對于線圈的一個輕微位移，防止極間連接產生的離心力使磁極線圈末匝產生變形和滑動，同時，也便于安裝、拆卸和檢修[2]。

圖12 線圈極間連接結構

磁極鐵芯由于采用普通的等身結構，磁極線圈在運行時受到的側向力較大，為防止線圈在側向力作用下產生有害變形，在線圈間軸向對稱位置加裝4處線圈極間支撐（如圖13）。極間支撐由極間支撐板、墊塊、壓板、壓緊螺栓和墊圈等零部件組成，工藝要求極間支撐板與線圈間側邊間隙為0～0.5mm，可通過平墊圈下的調整墊進行調整；磁極線圈的極間支撐可保證磁極線圈安全穩定運行，但在磁極線圈或定子繞組檢修需拔出磁極時，只有吊出轉子后方可進行。磁極線圈軸向支撐采用撐塊結構（如圖14），在磁極兩側T尾上、下端各設2個線圈撐塊，以保證運行時線圈不會徑向串動（中間T尾上、下端也各設有一塊撐塊，是為了防止磁極在加工、運輸翻身時線圈由于重力的作用軸向松動）。線圈軸向撐塊安裝時要求：上部（集電環側）線圈撐塊需與T尾槽底貼緊，且與線圈間保持0.2～0.5mm的間隙；下部（水機側）線圈撐塊需與磁極止落塊貼緊，與線圈間間隙也控制在0.2～0.5mm內。

圖13 線圈極間支撐結構

圖14 磁極線圈撐塊結構

磁極設有縱橫向阻尼繞組（由阻尼環和阻尼條組成），以抑制運行中轉子的自由振蕩，削弱負序氣隙旋轉磁場，提高發電機擔負不對稱負荷的能力，同時能加速發電機自同期并入系統。縱橫阻尼繞組整體為鼠籠結構，每極靴部中間位置縱向均布7根阻尼條（如圖15），阻尼條與弧形阻尼環在端部采用銀銅焊連接，阻尼環通過止口固定在磁極端板端部。相鄰兩極阻尼環間的連接為柔性連接（如圖15），采用螺栓和柔性連接片進行連接，柔性連接片彎成雙Ω形，中間通過拉緊螺桿固定在磁軛上，這種結構可防止連接部件因振動和熱位移而引起故障，且連接牢固可靠、便于檢修拆卸。

圖15 阻尼環固定及連接

1.5 其它結構特點

機械制動采用傳統的風閘制動裝置（主要有制動器、制動環和相關管路等組成），制動環為分瓣式結構（如圖16），由14塊制動環板組成，制動環板通過沉頭螺栓固定在磁軛下端，外側通過止口與磁軛配合。裝配時要求相鄰制動環板間高差小于1mm，整圓制動板高差小于3mm，相鄰制動板間隙為10±2mm。

圖16 制動環結構

圖17 極間擋風板

發電電動機采用密閉式徑向通風系統，轉子轉動產生動壓頭。在磁極間上、下端各設有一處極間V型擋風板（如圖17），用螺栓固定在磁軛上，可對從磁軛流出的冷卻風進行整流，改善磁極線圈冷卻效果。同時，第九段磁軛上端面還設有磁軛擋風環（如圖18），與上擋風板共同組成轉子上部密閉通風空間，安裝要求磁軛擋風圈與上擋風板2下端法蘭間的間隙為7.5±2mm。

圖18 磁軛擋風環

勵磁引線采用矩形銅排，與磁極線圈的勵磁引出銅排連接，經磁軛、轉子支架、轉子支架圓筒軸內壁、滑轉子內壁和滑環軸內壁，最后引至集電環（如圖19）。勵磁銅排與磁極線圈勵磁引出銅排的連接為柔性連接，磁極線圈勵磁引出銅排為柔性連接片，與勵磁銅排現場配打孔后固定到磁軛上，工藝要求在組裝完成后磁極線圈勵磁引出銅排彎曲部位以下需纏繞無堿玻璃絲繩，并用環氧膠進行固化；勵磁銅排轉折連接部位也采用柔性連接片連接，連接片與銅排在現場配打連接孔，并用螺栓將連接片和銅排固定。勵磁銅排的固定采用常見的線夾式固定結構，在磁軛和轉子支架處通過壓板、絕緣塊、底座、絕緣套管和螺栓等進行固定，同時要求固定螺栓頭部和墊片表面、底座表面及周圍10mm范圍內表面涂絕緣硅膠并完全覆蓋；在軸內直接通過壓板、絕緣板和絕緣套管進行固定。

圖19 勵磁引線

2 結語

目前，清蓄電站正在進行機電安裝，本文結合安裝現場和相關技術資料對清蓄發電電動機轉子結構特點進行詳細剖析，并對部分工藝進行簡要說明，希望可以給發電電動機轉子安裝和后期的維護檢修提供參考。

[1]白延年.水輪發電機設計與計算[M].北京：機械工業出版社，1982.

[2]陳錫芳.水輪發電機結構運行監測與維修[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[3]李文棟.第十九次中國水電設備學術討論會文集[C].北京：中國水利水電出版社，2011.

[4]李鐵軍.高速大容量發電電動機轉子設計[J].西北水電，2012（S1）：110-112.

TV743

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1672-5387（2015）S-0054-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.017

2015-10-23

王 樂（1988-），男，助理工程師，從事抽水蓄能水電站機械維護檢修工作。