凱樂塔電站水輪發電機設計

張福芹，李鐵軍

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

凱樂塔電站水輪發電機設計

張福芹，李鐵軍

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

介紹了凱樂塔電站水輪發電機的結構形式和設計特點。對水輪發電機在定子、轉子、軸承、機架及通風冷卻系統等方面的設計進行了說明。為今后類似水輪發電機的設計提供借鑒。

水輪發電機；結構形式；設計特點

1 電站概述

凱樂塔水利樞紐電站位于幾內亞共和國的西部，距離首都科納克里公路里程180 km，電站位于孔庫雷河下游一段河道較為寬闊處，以發電為主，正常蓄水位下水庫庫容為2 300萬m3，攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，工程電站安裝3臺單機容量為78.2 MW的水輪發電機，總裝機容量234.6 MW。大壩由擋水壩段、取水壩段、泄流底孔壩段和溢流壩段組成，壩長1 100 m，壩頂高程114.00 m，最大壩高22 m。取水壩段分三孔取水，設有攔污柵、快速事故閘門，后接引水系統。

2 發電機基本參數

型 號：SF78.2-36/8150

額定容量：78.2 MW/92 MVA

額定電壓：10.5 kV

額定電流：5 059 A

功率因數：0.85（滯后）

額定頻率：50 Hz

額定轉速：166.7 r/min

飛逸轉速：450 r/min

絕緣等級：F/F（定子/轉子）

勵磁方式：可控硅靜止勵磁

額定勵磁電壓：250 V（125℃）

額定勵磁電流：1 470 A

3 發電機結構設計

凱樂塔水輪發電機為立軸、三相同步軸流轉漿式水輪發電機。結構型式為半傘式，即上導軸承布置在轉子上方，推力軸承和下導軸承布置在轉子下方的結構。采用密閉徑向自循環的空氣冷卻通風系統。見圖1。

圖1 發電機剖面圖

3.1 定子

定子由定子機座、定子鐵心、定子繞組、匯流銅排等組成。

定子機座為正16邊形，為方便運輸，分成4瓣。機座對邊尺寸9 300 mm，高2 240 mm，設有頂環、上環、中環及下環，環間沿周向布置加強筋、支撐管。定子機座與基礎板間采用徑向銷定位，允許定子機座受熱膨脹時徑向自由移動。

定子鐵心采用低損耗、無時效的優質冷軋高導磁薄硅鋼片50W250沖制而成。沖片雙面涂F級絕緣漆以減少渦流損耗。鐵心外徑為8 150 mm，內徑7 380 mm，高度1 250 mm。定子沖片在工廠交錯疊裝于4分瓣的定子機座上，現場通過機座合縫板用螺栓把合成整體。鐵心壓緊采用分塊式上齒壓板加下部大齒壓板結構，依靠雙鴿尾筋精確可靠定位，通過鐵心軛部的穿心螺桿壓緊固定（見圖2）。為防止長期運行后鐵心松動，在上齒壓板設置碟形彈簧，以吸收機組長期運行后鐵心漆膜收縮，保證長期運行后鐵心仍有足夠的安全面壓。

圖2 穿心螺桿式鐵心壓緊結構

定子內徑可滿足整體吊出發電機下機架及水輪機頂蓋的要求。

定子繞組為雙層條式波繞組，3支路Y形連接。繞組絕緣為F級，主絕緣采用真空多膠液壓VPR工藝。在線棒與線棒之間及鐵心背部均埋設有電阻測溫元件，以監測發電機運行時繞組和鐵心的溫度。線棒的槽部、出槽口及彎曲過渡部分均作防暈處理。定子線棒換位方式采用槽內360°羅貝爾換位，以減小端部漏磁引起的附加損耗和股線溫差。

繞組兩端用非磁性端箍固定，端箍通過支架固定在定子鐵心齒壓板上。

除定子合縫面處的線棒外，大部分線棒的下線、打槽楔等工作在工廠完成，定子合縫處的線棒在工地現場完成下線、打槽楔工作。

3.2 轉子

轉子由轉子支架、磁軛、磁極和制動環板等組成（見圖3）。整個轉子的設計和制造，能夠滿足在飛逸轉速下安全運行不小于5 min。發電機轉子支架與上端軸采用法蘭連接，連接螺栓為均布的12個M72螺栓。

圖3 轉子裝配圖

轉子支架為整體圓盤式組焊結構，上圓盤開有適當的通風孔，以使發電機在運行時產生需要的風量。轉子支架在工廠焊接成整體，經退火后精加工，整體運輸至電站工地。轉子支架與磁軛之間采用東芝成熟的浮動連接結構。

磁軛由4.5 mm厚高強度扇形沖片在現場交錯疊壓而成，通過鉸制螺栓把緊并傳遞沖片間的作用力，使磁軛成為一整體，大大提高磁軛的強度和剛度。疊片采用2片一疊、錯開一極距搭接方式，并通過導向銷與組合磁軛鍵定位。磁軛下端裝有制動環，制動環待磁軛疊片壓裝結束后裝在磁軛下端，與磁軛為分開結構，裝拆方便。

磁軛外緣設有鴿尾槽用于固定磁極。

磁極由磁極鐵心和磁極線圈組成。磁極鐵心由高強度專用冷軋磁極薄沖片疊成，通過螺桿壓緊。磁極線圈由異形斷面的半硬紫銅排焊接而成，具有散熱面積大，散熱效果好的特點。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，磁極到現場后無需脫出線圈清掃即可直接掛裝。

磁極掛裝時，在磁極鐵心鴿尾側面打入長楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，楔形鍵用壓板鎖定。極間設有一個中間支撐，可滿足不吊轉子方便拆裝磁極。

轉子設有縱橫阻尼繞組，阻尼條與阻尼環采用銀銅焊連接，阻尼繞組間采用柔性連接，防止因振動和熱位移而引起的故障。其連接既牢固可靠，又便于檢修拆卸。

勵磁引線由銅排制成，固定在轉子支架平面上，沿著上端軸接至集電環。

集電環由鍛鋼制成，安全地緊固在集電環支架上，并采用有效的絕緣。在集電環的外表面開有多節距矩形環槽，以增大散熱面積，并使電刷光滑接觸取得好的接觸和冷卻效果。

3.3 軸承

上導軸承布置在上機架上中心體油槽內，為分塊扇形瓦結構，瓦面為巴氏合金，共8塊。導軸承采用支柱支撐結構，瓦的背面有球面支承柱，該結構在運行時導瓦能靈活偏轉，導瓦支撐的調整具有方便、可靠、準確等優點（見圖4）。上端軸滑轉子的外周面作為上導軸瓦的摩擦面。

圖4 上導軸承裝配

為有效的隔斷軸電流的回路，不僅在上導瓦上采取了必要的軸電流防護措施，也在水輪機受油器管路上安裝了絕緣法蘭，隔斷了所有可能形成軸電流的回路。

上導軸承潤滑油的冷卻，采用內循環方式，內置盤管式冷卻器，冷卻效果好，安裝維護簡單。

推力軸承及下導軸承布置在下機架中心體油槽內。推力頭和軸為整體結構，工廠內整體加工，現場安裝較為簡捷方便。

推力鏡板用碳素鍛鋼制成，為單一環狀結構，通過螺栓把合到推力頭上。

推力軸承采用典型的彈簧簇支撐結構，能夠承受水輪發電機組所有轉動部分的重量和水輪機最大水推力構成的組合載荷。彈簧簇支撐結構具有性能可靠、瓦間受力均勻、瓦變形小、抗傾覆能力強及安裝維護方便等優點（見圖5）。

推力軸承由12塊彈性塑料瓦組成，在機組啟停機時有良好的潤滑特性，機組無需設置推力軸承高壓油頂起裝置。推力瓦的布置能在頂起轉子、卸除軸承負荷時，在不干擾定子、轉子的條件下，便于軸瓦的調整、拆卸和組裝。油槽壁開有2處推力瓦檢修窗，可以通過轉動推力軸承支撐臺，方便的進行推力瓦的裝拆作業。

圖5 彈簧簇支撐結構

下導軸承也采用分塊扇形瓦結構，瓦面為巴氏合金，共16塊。支撐機構與上導相同。由于上導軸承已經有效的采取防止軸電流的措施，所以在下導軸承處不再設置軸電流防范措施。

推力軸承與下導軸承，采用鏡板泵外循環冷卻方式，設有2只桶式油冷器，布置在機坑風罩的外部。

3.4 發電機軸

發電機主軸為中空結構，方便安裝水輪機受油器管路等。發電機主軸與轉子中心體采用18個M72雙頭螺栓及6個矩形鍵傳遞扭矩的結構（見圖6）。

圖6 扭矩鍵結構

機組軸系由滑環軸、上端軸、轉子中心體、發電機主軸和水輪機軸及轉輪組成。其徑向分別采用上導、下導軸承和水導軸承支撐，軸向為推力軸承支撐。推力頭布置在轉子中心體下方，與主軸為一體結構。經分析計算，機組整個軸系的一階臨界轉速為573.9 r/min，滿足合同大于450 r/min的125%的要求。

3.5 上、下機架

上機架為非負荷機架，為中心體加支臂式結構，設計具有足夠的剛度和強度。由于運輸條件的限制，上機架支臂在現場與中心體焊接。上機架通過把合螺栓和銷釘固定在定子機座上，有足夠的剛度，可以承受半數磁極短路時作用在上導軸承的單邊不平衡力。在不吊出轉子、不拆除上機架的條件下，可拆卸和掛裝磁極并檢查定子線棒端部或更換定子線圈。

下機架為負荷機架，通過基礎板用螺栓和定位銷固定在基礎上。下機架由中心體和6條支臂組成，由于運輸條件的限制，其中2條支臂在現場焊接。對下機架采用有限元的方法進行計算，在最大軸向負荷下的最大下沉量不大于2.5 mm。

4 發電機冷卻系統說明

在發電機定子機座外壁周圍均勻地布置8只空氣冷卻器，用來構成密閉循環的通風冷卻系統。轉子支架的上圓盤有通風孔，冷風通過這些風孔，并在轉子自身運轉產生的離心力的作用下強制地通過轉子磁軛上的風道。氣流的分布設計在整個發電機的長度方向上均勻一致，采用上部單側通風，利用轉子下部磁極之間的旋轉漏風來冷卻定子線棒的下側端部。利用上部單側通風，可以有效的將布置在轉子下方的推力油槽可能產生的油霧及制動粉塵與通風回路阻隔開，避免油霧與制動粉塵污染發電機定轉子。采用這種通風方式后，在定子基礎上無需留出風道，這樣不僅簡化了基礎結構，而且具有良好的冷卻效果。應用通風計算軟件分析計算，完全可以滿足機組通風冷卻要求。

5 制動和頂起系統說明

發電機采用電氣和機械制動，可實現聯合或單一方式制動。制動氣壓0.55 MPa，最高制動氣壓0.8 MPa。在發電機下機架上，共裝設6只φ280的制動器，每只制動器上設置兩個行程開關，能反應制動器是否動作或全部復位。制動塊采用非石棉聚合樹脂材料，摩擦系數大，磨損率低，粉塵少，不污染環境，可方便更換。制動系統配置粉塵收集裝置，在制動器投入工作的同時打開粉塵收集系統，以減小環境的污染。

制動器配有鎖定裝置，在高壓油頂起轉子后機械鎖定，以保持轉子在頂起的位置上無需保持連續的油壓而不落下。整個電站共用一套移動式頂轉子用電動高壓油泵。

6 輔助系統

6.1 滅火裝置

發電機采用氣體（CO2）滅火系統，CO2滅火設計為全淹沒系統，每臺機配1套發電機CO2滅火裝置（包括儲氣瓶及瓶架等）。

發電機CO2滅火系統由儲氣瓶及瓶架、輸氣管、噴頭及報警啟動設備等組成。CO2貯存在儲氣瓶內，經輸氣管送至發電機風罩內。為維持CO2滅火濃度，保證滅火質量，每組設兩套管路，一套是主放，緊急滅火釋放CO2，另一套是續放，維持和補充CO2。在機坑里裝設煙霧信號和感溫探測器，當兩者同時動作時方可向發電機送氣。探測器還應便于安裝和維護，設置自動啟動操作系統，并設手動操作設備作為備用。

發電機火災自動報警系統在火災探測元件（感煙型、感溫型等）各自單獨動作時只發報警信號，其中兩個同時動作時用作停機，并可延時起動自動滅火裝置。探測元件在動作后，能自動復歸。

6.2 防潮裝置

在下機架機坑內沿圓周方向均布6只2 kW的電加熱器。電加熱器與發電機控制系統相互閉鎖，加熱器在停機時能自動投入，機組運行時能自動退出。

6.3 防油霧裝置

防油霧裝置采用東芝專利技術--刷形密封。在上導油槽、推力及下導油槽蓋板上設置有與軸無間隙的接觸密封裝置以防止油或油霧溢出。同時在油槽蓋板上設置吸油霧管路，接至機坑外的油霧分離裝置，有效防止油霧對發電機的污染。

6.4 自動化系統

為保障機組的安全穩定運行及電站的自動監控，發電機各處設有自動化元件。分別測量、監控發電機定子鐵心線圈、冷熱風、各部軸承的溫升情況，以及冷卻水管路和制動氣管路的壓力、流量、還有火警、油槽油位等情況。根據需要可現地顯示或遠地顯示并進行自動監控。

7 結束語

凱樂塔電站發電機的設計以能保證機組的長期安全穩定運行為基本出發點，并充分考慮安裝、運行維護的方便性。設計中運用了先進的分析工具和科學的計算方法，對通風冷卻系統、軸系及關鍵部件進行了分析，確保了發電機結構合理、性能可靠。

TM312

A

1672-5387（2016）07-0001-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.001

2015-11-13

張福芹（1981-），女，工程師，從事水輪發電機設計工作。