水輪發電機轉子改造設計

王　慧

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

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水輪發電機轉子改造設計

王慧

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要通過對水輪發電機轉子的性能進行分析，針對水輪發電機現場運轉出現的問題，進行轉子改造設計，包括軸、轉子支架的優化設計、磁軛、磁極、制動系統、除塵系統、集電環和刷架，以及轉子引線等。改造后的麻石電站1#水輪發電機轉子結構設計合理，目前該機組已經發電，運行狀況良好。

關鍵詞水輪發電機；轉子；轉子支架；軸；磁極；磁軛

0引言

麻石水電站位于廣西融水縣大浪鄉融江干流上，屬低水頭河床式電站。電站原設計裝有三臺軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量100MW，其中1#機組的水輪機轉輪直徑為5.3m，發電機單機容量為28MW，于1972年12月投產。2010年電站擬將1#機組的水輪機轉輪直徑由5.3m改擴為5.5m，發電機容量由28MW改擴為36.5MW，機組部件全部更新，發電機基礎不變。本文著重就1#水輪發電機改造轉子部分的結構設計進行介紹。

1發電機的主要數據

型號：SF36.5-56/9000；額定容量：42.941MVA；額定功率：36.5MW；額定電壓：10.5kV；額定功率因數：0.85(滯后)；額定頻率：50Hz；相數：3；額定轉數：107.1r/min；飛逸轉速：305r/min；接線方式：Y；推力負荷：730t；GD2：8500t-m2；旋轉方向：俯視順時針；冷卻方式：密閉自循環空氣冷卻。

2轉子總體結構

麻石1#改造水輪發電機為立軸半傘式密閉自循環空氣冷卻三相凸極同步發電機(見圖1)。發電機轉子外徑為φ8436,重量為200t。主要部件包括：頂軸、主軸、轉子支架、磁軛、磁極、集電環、刷架、轉子引線、制動系統、除塵系統、勵磁電纜等。

2.1軸

發電機采用三段軸結構，機組軸系由發電機頂軸、轉子支架中心體、發電機主軸和水輪機主軸組成。主軸和頂軸材質均為鍛鋼20SiMn。軸系有足夠的剛強度，滿足第一階臨界轉速至少為飛逸轉速的125%的合同要求，同時也滿足對軸系振動、擺度及制造廠內精加工的要求。頂軸和轉子支架采用螺栓連接，轉子支架中心體和主軸采用帶銷段的銷螺栓連接。頂軸上熱套滑轉子，滑轉子與頂軸之間設有3mm厚的絕緣層，可阻斷軸電流的通路。

2.2轉子支架

轉子支架為圓盤式焊接結構，由中心體和外環組件組成。中心體為整體，由于運輸條件的限制，外環組件分為4瓣，廠內與中心體預裝，在工地組焊成整圓。

根據改造合同規定“轉子支架為圓盤式全焊接結構，分瓣運至工地組焊，焊后無需處理，并應盡量減少在現場的安裝工作量”，對麻石改造項目水輪發電機轉子支架進行了優化設計。

目前圓盤式水輪發電機轉子支架一般采用均勻分瓣結構。麻石有56個磁極，考慮運輸等條件限制，一般做法是將轉子支架分為14瓣，每瓣對應4個磁極，即使用14對立筋。結構如圖2所示。

通過分析及強度計算，認為可采用不均勻分瓣結構，將轉子支架分為12瓣，這樣可減少2對立筋，從而減少2對磁軛鍵及其它相關零件。并且可減少工地外環組件合縫焊接工作量。不均勻分辨轉子支架結構圖見圖3。

采用不均勻分瓣減少了立筋數，對應的磁軛主鍵、副鍵及卡鍵和護板等的零件個數也相應減少，降低了零件加工成本。同時，麻石改造項目采用徑向、切向復合鍵結構，需要到工地配刨副立筋，副立筋加工精度要求較高，難度較大。采用不均勻分瓣可減少工地配刨副立筋數量。另外由于不均勻分瓣結構瓣數減少，這樣也減少了工地外環組件合縫焊接工作量，節省了焊料，并減少了安裝工期。

2.3磁軛

磁軛由上磁軛壓板、下磁軛壓板、磁軛沖片、拉緊螺桿和螺母等組成。磁軛沖片由4mm厚的高強度優質熱軋鋼板WDER345制成，用拉緊螺桿和螺母拉緊，形成一個整體。磁軛是發電機GD2以及通風系統的重要組成部分，磁軛采用通風溝加通風隙結構，設有5道40mm高的通風溝，為通風系統提供足夠的風量。磁軛與轉子支架采用徑向和切向復合鍵連接結構。通過磁軛凸鍵、磁軛副鍵和熱打鍵墊片保證磁軛和轉子支架間的徑向配合力，使得磁軛滿足分離轉速的要求，而且在徑向方向可以自由熱脹，同時磁軛凸鍵和磁軛副鍵的緊量配合保證轉子支架和磁軛可以有效的傳遞扭矩。

磁軛下部的制動環，通過磁軛拉緊螺桿把合在磁軛壓板下部，制動環為分塊結構，散熱性能較好，易于拆卸。此結構是經實踐證明的具有成熟的設計和運行經驗、能長期安全、可靠運行的結構。

磁軛壓板在位于磁極極間的位置開螺孔，用來固定極間擋風板，避免了通常使用的在極間焊支撐塊來固定擋風板的結構見圖4。

2.4磁極

磁極主要由磁極鐵心、磁極線圈、極身絕緣及阻尼繞組等組成。磁極鐵心由磁極沖片、磁極壓板、磁極鐵心拉桿等零件組成。磁極沖片材料為1.5mm厚的WDEL250。疊裝的磁極沖片通過磁極壓板以及磁極鐵心拉桿把合成整體。通過計算，磁極壓板采用了Q345B焊接式結構 ，磁極通過T尾與磁軛上對應的鍵槽掛接。

磁極線圈為帶散熱匝銅排四角焊結構，F級絕緣和上、下絕緣托板一起通過熱壓的方式形成整體，絕緣托板不許互換。線圈匝間墊有厚度為0.4mm的間苯二酚環氧浸漬玻璃坯布HEC52406A，絕緣托板材料為環氧玻璃坯布壓制件。磁極線圈的絕緣材料能夠承受機組各種工況產生的力，而不產生有害變形。

磁極上設有縱、橫阻尼繞組，由阻尼條、阻尼環和阻尼環連接片組成。阻尼環連接片用多層0.5mm厚的薄銅板制成，外形似ψ的彈性連接結構，在外力作用下，ψ型的連接可以產生一定的彈性變形，因此可防止因振動和熱脹而引起的斷裂，并且方便拆卸和更換。磁極極間驅動端和非驅動端各設有極間旋轉擋風板，減少端部的漏風，保證順暢的冷卻風路，見圖5。

2.5制動系統

發電機設置8個φ220單活塞制動系統，采用氣壓制動和氣壓復位以及油壓頂轉子。制動時氣壓為 0.5～0.7MPa， 額定工作氣壓為0.7MPa。制動器同時起到千斤頂的作用，在安裝、檢修和起動前，將電動試壓泵中的高壓油注入制動器，從而將機組轉動部分頂起。頂起轉子時油壓為10MPa。頂轉子最大高度為15mm，制動器最大行程為40mm。在行程范圍內，制動器能夠停在機組檢修時需要的合適位置，頂到合適位置后，可以撤掉油壓，采用制動器自帶的機械鎖定裝置進行鎖定。

在發電機停機過程中,當轉速降低到額定轉速的20%時，應對發電機轉子進行氣壓制動，使其快速停機，以免推力軸承低速運行時油膜破壞導致瓦面燒損。制動器布置在發電機轉子磁軛制動環下方，基座支撐在下機架支臂上，圓周均勻分布。

2.6除塵系統

2.6.1制動器除塵裝置

在制動過程中，制動環與制動塊將發生摩擦，產生制動粉塵。通過設置制動器除塵裝置，可除去制動粉塵。制動吸塵器放置在下機架基礎上，吸塵裝置具備手動和自動兩種方式。

2.6.2碳粉除塵裝置

機組運行過程中，集電環和刷架的摩擦將產生碳粉顆粒，碳粉顆粒容易隨著風路污染定、轉子，因此需要設置碳粉除塵系統。碳粉除塵系統包括控制箱，過濾網，管路等必要設備。碳粉吸塵器放置在上蓋板之上。吸塵裝置具備手動和自動兩種方式。

麻石電站原機組沒有碳粉除塵裝置，導致碳粉直接進入發電機通風系統。改造后的碳粉除塵裝置為在吸塵罩底部均勻引出8根橡膠管，然后接到吸塵環管上，從該環管上引出一根管接至吸塵器。改造后的碳粉除塵系統除塵效果良好，得到用戶的肯定。

2.7集電環和刷架

集電環通過鍵和小緊量熱套配合的方式固定在頂軸上，且位于頂罩內部，集電環采用F級絕緣。集電環安裝后最大擺度不超過0.5mm。 刷架裝配保證在機組運行時，可以觀察碳刷磨損情況。刷握采用可帶電拆卸恒壓刷握。每極電刷數量為18個，每臺機使用36個電刷。額定勵磁電流1148.7A，電刷電密0.07977A。

2.8轉子引線

轉子引線從集電環開始，經過頂軸槽、轉子支架、磁軛，最終和磁極線圈的引出線連接。在頂軸上互成100°的位置開槽，轉子引線連接集電環后，穿過頂軸上的槽，并通過槽楔固定，然后在轉子支架上用線夾和支架固定。轉子引線線夾處包絕緣，使結構簡單，并且能保證安全穩定運行要求。

3結語

改造后的麻石電站1#水輪發電機的總體結構設計合理，目前該機組已經投入發電，運行狀況良好。通過對麻石1#水輪發電機改造的結構設計進行深入分析和計算，并且對局部結構進行優化，從而確保該機組能夠長期安全穩定運行。

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DesignonModifiedRotorofNo.1Hydro-GeneratorofMashi

HydropowerStation

Wang Hui

(HarbinElectricMachineryCompanyLimited,Harbin150040,China)

AbstractAccording to performance analysis for rotor of hydro-generator, reformation designs of rotor are taken due to problems occurred during operation of the hydro-generator, including optimal designs for shaft, rotor spider, magnetic yoke, magnetic pole, braking system, dust removal system, collecting ring, brush holder rocker and rotor leads. After the reformation, rotor structure design of No.1 hydro-generator of Mashi Hydropower Station is reasonable. So far, generator sets have started to generate electricity and run very well.

Key wordsHydro-generator；rotor；rotor spider；shaft；magnetic pole；magnetic yoke

收稿日期：2015-11-01

作者簡介：王慧女1984年生；畢業于華中科技大學，現從事水輪發電機的設計工作.

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：B

文章編號：1008-7281(2016)01-0042-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.13