湖北楊東河（渡口）電站高轉速大容量水輪發電機設計

周祥德

（湖南云箭集團有限公司，湖南長沙410100）

湖北楊東河（渡口）電站高轉速大容量水輪發電機設計

周祥德

（湖南云箭集團有限公司，湖南長沙410100）

國內單機容量20MW以上，額定轉速750r/min以上的水電站屈指可數，缺少該類水輪發電機的設計經驗，湖北楊東河（渡口）電站發電機為國內采用實芯磁極結構的最大容量、最高轉速的水輪發電機，機組設計具有一定的創新性。該機已在電站成功投入運行多年。本文介紹了湖北楊東河（渡口）電站水輪發電機的設計特點、有關參數的取值，可供水電行業同行參考。

高轉速大容量；實芯磁極結構水輪發電機；設計

1 概況

湖北楊東河（渡口）電站，總裝機容量為2× 25.5MW,設計水頭385m，最高水頭419m，屬于高水頭電站。高水頭、大容量的水電站由于開發難度較大，對主機設備的參數性能、制造水平要求較高。湖北楊東河（渡口）電站作為國內少數高水頭、大容量水電站，它的開發成功，為高水頭電站水電設備的開發設計提供了有益的借鑒。

湖北楊東河（渡口）電站水輪機型號HL84-LJ-155,水輪發電機型號為SF25.5-8/3250，電機額定容量25.5MW，長期超出力+10%，額定轉速750r/min。國內單機容量20MW以上，額定轉速750r/min以上的水電站為數不多，高速、大容量水輪發電機成功設計制造經驗較少。湖北楊東河（渡口）電站發電機為國內采用實芯磁極結構的最大容量、最高轉速的水輪發電機，許多設計具有一定的創新性。已在電站成功投入運行多年，性能指標全面滿足GB/T7894-2009的標準及業主的要求。該電機的成功設計，可供水電行業同行參考。發電機參數如下：

型號：SF25.5-8/3250 功率因數：0.8（滯后）

額定容量：25.5MW,額定電壓：10500V

額定電流：1752.6A 額定轉速：750r/min

飛逸轉速：1222r/min飛輪力矩GD2115t.m2

2 總體布置（見圖1）

圖1 發電機裝配圖

3 電磁設計的特點

（1）本機的飛逸轉速為1222r/min，轉子外緣線速度155.4m/min，選擇轉子磁極為實芯磁極結構。實芯磁極結構除具有較高的機械性能外，它還具有良好的電磁性能，電磁阻尼效應較強，對任何次數的齒諧波均能起抑制作用，可省卻常規疊片磁極所設置的阻尼繞組，提高發電機的安全可靠性。實芯磁極結構的水輪發電機極靴為整體鍛鋼制成，在實際運行過程中，處在電機的交變磁場中，由于渦流，極靴表面將發熱。如電磁參數選擇不當，極靴表面損耗過大，極靴將嚴重過熱，影響發電機轉子的溫升。此類現象在國內部分水電設備制造廠家設計的實芯磁極結構電機中，時常發生。本機的電磁設計，為減小極靴表面的損耗采用如下措施：

1）控制發電機氣隙磁密Bδ取較低的值，常規的為6800～7500Gs，本機取6711Gs。

2）極弧系數αp取較低的值，常規的為0.68～0.76，本機取0.647。

3）發電機定子槽寬bs與氣隙δ之比不大于1.5，本機取0.67。

（2）本機為高速大容量水輪發電機，通風冷卻效果較好，為提高發電機的經濟技術指標，縮短鐵心長度，提高機組軸系的剛度，大幅提高發電機的線負荷A的取值，常規的線負荷A為500～600A/cm,本機取A為643A/cm,定子鐵心長度僅為1210mm。

（3）定子繞組采用三相雙層波繞組，定子槽數Z=144，q=6,并聯路數a=1,銅線為30-2.5×7.5/2.7×7.7的雙滌綸玻璃絲包燒結銅扁線，換位節距為46mm,為降低定子繞組的附加損耗，定子繞組采用315.7°的直線不完全換位。傳統常規的三相雙層波繞組采取360°完全換位，采用315.7°的直線不完全換位損耗更低，效率更高。

圖2 轉子裝配

4 結構設計特點

湖北巴東楊東河電站發電機為高速大容量的水輪發電機，總體布置采用懸式三導結構，為確保發電機的溫升不超標，采用轉子兩端帶旋漿風扇的密閉自循環通風冷卻系統，推力軸承為彈性金屬塑料瓦，導瓦為巴氏合金免刮瓦球面支撐結構，為減小軸承的損耗，油槽潤滑油采用L-TSA32潤滑油，軸承采用內循環油冷卻。轉子上、下端軸通過法蘭與磁軛聯接（見圖2），軸為中空結構，以滿足水機中心孔補氣的要求，為保證不漏水，上、下端軸與轉子磁軛聯接法蘭面設置密封橡皮圈。在上機架每條支腿外側，設置一個剛性千斤頂。發電機配6臺100kW高效穿片脹接式空冷器。

（1）湖北巴東楊東河電站發電機采用實芯磁極結構,磁極極身與磁軛聯體鍛出,磁極極靴材質為35鍛鋼,極靴用高強度螺栓固定在極身上,極靴承受本身及磁極線圈的離心力,因本機的飛逸轉速高,離心半徑較大,每個磁極極靴承受的離心力高達2102t,為提高極靴固定螺栓的安全系數,磁極極靴與極身采用騎縫螺栓來固定,見圖3。裝配前的極靴和極身分別見圖4、圖5。每個極靴用38根M48的騎縫螺栓來固定，每個螺栓受剪切應力

F:每個磁極極靴承受的離心力F=2102×103kg；

n:騎縫螺栓個數；

S:每個螺栓受剪面積cm2。

圖3

圖4

圖5

（2）本機的飛逸轉速為1222r/min,按設計規范，機組軸系的一階臨界轉速應不低于飛逸轉速的1.2倍，即1466.4r/min,發電機轉子的重量較重，為56.8t,按常規的導軸承布置，機組軸系的一階臨界轉速無法達到1466.4r/min。對上、下導軸承的位置、主軸軸徑的大小等進行詳細的分析，在滿足安裝空間、通風面積等前提下，縮短上、下導軸承的間距，加大磁軛內孔直徑，減輕磁軛重量，滿足了機組軸系的一階臨界轉速不低于飛逸轉速1466.4r/min的要求。

（3）本機額定轉速為750r/min，推力負荷160t,即使采用了L-TSA32稀油潤滑油，推力軸承損耗仍較大，受上機架外形尺寸的限制，無法采用加大上機架油冷卻器的辦法來將過大的軸承損耗排出。通過對推力軸承進行詳細的潤滑計算分析，采取減小推力軸承的受力面積，提高推力軸承的單位壓力p及pv值，來減小推力軸承的損耗。本機的推力軸承單位壓力p取3.76MPa,pv值為1062.2，油膜厚度0.0053mm,推力軸承損耗89.1kW，上導軸承損耗30kW，推力軸承與上導軸承總損耗119.1kW，小于上機架油冷卻器換熱容量。

（4）由于定子上端部布置有并聯環，將端部損耗較大的定子波繞組長節距布置在定子下端，端部損耗較小的短節距布置在上端，使定子上、下端的損耗不偏差太大，使定子繞組上、下端部得到均衡的通風冷卻，使溫升不致過高。

（5）本機為高速發電機，上、下機架的油霧溢出是突出的問題，需采取有效措施予以處理。采取措施如下：

1）加高上機架軸承蓋，加大上機架油槽上方空間,減小油霧壓力。軸承蓋與轉動件配合位置采用加高的密封迷宮，在迷宮上方再加密封壓板。

2）加大導軸承油循環回路的回油孔，在導軸承座上開8-Φ40mm的回油孔，推力頭上的泵油孔為12-Φ20mm,回油孔的面積是泵油孔的2.66倍，使油循環回路順暢，減少油霧的產生。

3）在上導軸承座上的通氣孔采用迷宮式的通氣窗，迷宮隔板加密，減小油霧從通氣孔溢出，見圖6。通氣窗布置在上機架端罩外，以避免少許溢出的油氣污染集電環、刷架。

4）采用雙層擋油管，并加高擋油管高度，同時在雙擋油管中間再加一層擋圈，防止油霧溢出，上機架擋油管高度取220mm。見圖7。

5）加大機架下部的通氣孔，將空氣引入推力頭內腔，以破壞推力頭內腔的負壓，防止油霧溢出落入轉子。

圖6

圖7

（5）本機為高速機組，推力軸承采用彈性金屬塑料瓦，摩擦系數較小，機組停車時間較長。為保證機組的制動性能，加大了發電機的制動器容量，常規計算配置4臺φ160制動器即可，本機配置6臺φ160制動器。

5 運行情況及結語

湖北楊東河（渡口）機組在電站已投運多年，各部溫升、振動等指標全面超過國標要求，綜合性能指標達到國內先進水平，深得業主的好評。實踐證明湖北楊東河（渡口）水輪發電機的設計、制造是成功的，作為國內采用實芯磁極結構的最大容量、最高轉速的水輪發電機，它的成功投運，對類似高轉速、大容量的水輪發電機具有借鑒意義。湖北楊東河（渡口）發電機上采用的技術可推廣應用在更大容量的高速水輪發電機上。

[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.

TV734.2

B

1672-5387（2017）05-0040-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.009

2016-05-18

周祥德（1963-），男，高級工程師，從事水輪發電機設計制造工作。