清遠抽水蓄能電站發電電動機環形磁軛結構分析

李鐵軍，管亞軍

[東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310020]

0 引言

清遠抽水蓄能電站位于廣東省清遠市清新縣太平鎮境內，安裝有4臺發電電動機/水泵水輪機組，發電電動機額定容量356MVA/331MW，額定轉速428.6r/min，飛逸轉速690r/min。轉子外徑Φ5225mm，飛逸轉速下，轉子周速達到189m/s。

磁軛既是發電電動機磁路的組成部分，也是固定磁極的結構部件。運行過程中，磁軛受力情況復雜，需承受自身離心力、磁極離心力、磁拉力以及扭矩作用，有的還要承受熱套帶來的配合力的作用。根據技術參數，設計理念不同，磁軛有多種結構形式。通常，磁軛按基本組成形式分為扇形磁軛（見圖1）和環形磁軛（見圖2）；按磁軛與轉子支架（有時為主軸）配合形式，通常分為熱套磁軛以及浮動磁軛[1]。清遠抽水蓄能電站發電電動機考慮高轉速的剛強度要求，磁軛采用環形浮動磁軛，本文介紹此類磁軛的設計、制造以及安裝技術。

圖1 扇形磁軛Fig.1 Sector rim

圖2 環形磁軛Fig.2 Ring rim

1 磁軛設計結構

清遠抽水蓄能電站為大容量、高轉速發電電動機，磁極尺寸大、重量重，運行時，單個磁極所受離心力達到萬噸級，這些力全部要通過磁軛來承受。另外，機組不但高速旋轉、正反轉，還要頻繁啟停機，因此疲勞問題也需要檢討考慮。綜合各個方面，清遠抽水蓄能電站磁軛設計采用環形磁軛：磁軛內外徑Φ2600/Φ4363mm，高3570mm，總重有200多噸，材料選用Q690D。為方便制造、安裝，將整個磁軛軸向設計成9段，從水輪機側往上依次為第1段、第2段、……、第9段，各段高度設計為300mm或350mm，段間設計有高度為65mm通風道，段與段之間定位采取通過通風葉片上的止口進行定位的方式。各段磁軛設計為由t50mm或t75mm的環形磁軛鋼板堆疊而成，環形磁軛鋼板之間通過拉緊螺桿把合為一體[2]。圖3為磁軛斷面圖，圖4為單段磁軛圖。

圖3 磁軛斷面Fig.3 Rim section

圖4 單段磁軛Fig.4 Rim block

為滿足組裝制動環板的需要及軸向剛度，增加第一段剛度，將第一段部分把緊螺栓設計成鉸制螺栓，以此可提高整體性。

為保證磁軛與轉子支架同心，減少現場調心工作量，段與段之間設計采用定位止口，止口布置在通風葉片上，方便現場疊裝時定位。

為防止頂轉子時磁軛與轉子支架錯位，在第8段上設計有磁軛止浮板（見圖5），以此將磁軛與轉子支架軸向關聯起來。

圖5 磁軛止浮板Fig.5 Sector rim

為方便安裝制動環，在第一段磁軛下表面加工出一個安裝平面。

磁軛與轉子支架配合采用切向磁軛鍵結構（見圖6），磁軛內徑設計有7處鍵槽。該結構為浮動結構，徑向無配合緊量，周向用切向鍵楔緊。其中T形鍵設計在廠內裝在轉子支架上，現場只需安裝切向鍵。高速旋轉時磁軛仍可與旋轉中心保持同心。

圖6 磁軛鍵Fig.6 Rim key

磁軛與磁極配合形式為3T尾結構（見圖7）。 磁極徑向通過磁極鍵徑向打緊，牢固固定在磁軛上。軸向在第一段磁軛T尾槽內設計有可調整止落塊，以便現場調整磁極中心高度。

圖7 3T尾Fig.7 Three T-shape tail

清遠抽水蓄能電站發電電動機轉速較高，飛逸轉速為690r/min，此時轉子周速約189m/s。為抵擋離心力，磁極間設計需要有極間支撐、極間拉桿、阻尼環拉桿等，通過在磁軛上設計徑向螺紋孔，實現上述結構的固定。

2 加工制造

環形磁軛制作對制造廠加工制造水平要求較高，在廠內加工制造的磁軛內外徑中心度、磁軛鍵、磁極鍵及尺寸形位公差要求較高，特別是尺寸大、重量重的，尤其困難。考慮機床、工序等相關因素，過程中可能還需要轉換工位，使得整個加工過程工藝復雜，控制困難，難度大。

清遠抽水蓄能電站磁軛內外徑為Φ2600/Φ4363mm，高3570mm，總重200多噸。需要加工的地方有內外徑、磁軛鍵槽、磁極鍵槽、單段磁軛上下端面、極間連接用的各種徑向螺紋孔等。特別是磁軛鍵槽以及磁極鍵槽，加工精度要求高。制作工藝復雜，概括來說，整個制作工程包括鋼板下料、通風葉片及導磁塊焊接、單段堆疊、單段粗加工、整體精加工等大的工序，這里面每道工序都有不小的難度。其中，對于鋼板下料，要求單板不平度小于3mm（這一點需對鋼板原材料提出嚴格要求）。因高強度鋼板不宜進行火焰調型，必要時可以使用大型龍門油壓機調型；通風葉片及導磁塊焊接，過程中容易使磁軛鋼板外周發生變形，焊接必須考慮焊接時機及方法，不能使得鋼板有影響使用的變形；單段堆疊，需考慮合理的面壓，控制壓緊螺桿伸長量，均勻緊固，使每段圓周高度均勻；精加工，為保證磁軛鍵槽以及磁極鍵槽精度，防止錯牙，滿足現場裝配精度，應盡量減少分段加工次數。

綜合考慮磁軛尺寸、重量、精度等因素，清遠抽水蓄能電站磁軛加工采用的方案是分段加工、轉移工位的方式，先加工9/8/7/6/5段，整體加工完畢后，再將已加工好的第5段作為基準，整體加工第5/4/3/2/1段。精加工時先加工內外圓和磁軛鍵槽，再以磁軛鍵槽為基準，加工出各磁極鍵槽換工位校正用基準。工位轉移時，為防止基準跑位，要采取必要的工藝措施。

3 現場疊裝

環形磁軛疊裝時與疊片磁軛不同，各磁軛段需從轉子支架頂端往下套裝，廠房高度往往不能做到一次吊裝到位，因此設計階段應事先考慮吊裝方式，以便給現場安裝提供合適的吊具以及吊繩[3]。一般有兩種方法，設計環形吊具或者采用長短繩。清遠抽水蓄能電站采用的是長、短繩替換的方法吊裝磁軛段（見圖8）。前3段需要更換繩子，后6段均可一次到位。通過對疊裝過程的跟蹤控制，以下幾個關鍵點應特別注意：

第一段掛裝，該段是疊裝基準，需要盡最大努力調到最好，調整時可在內圈與轉子支架間使用千斤頂進行調整。

外周T尾槽內磁極鍵配合面的錯牙控制，過程中需監測段間的錯牙，并關注每一段疊裝上去后，底下幾段的變化趨勢。

磁軛偏心值控制，清遠抽水蓄能電站轉子偏心允許值為0.15mm。建議每疊1段，均進行圓度測量并計算偏心，偏心滿足要求后方可進行下一段疊裝。

測點的選擇可以跟磁極數一致，清遠抽水蓄能電站14個磁極，在磁軛周向相應位置選擇14個測點。

清遠抽水蓄能電站發電電動機1號磁軛疊裝完成后，對磁軛外圓、內徑間隙值、段與段之間的錯牙情況都進行了測量，數據優良，其中磁軛最大偏心0.1mm，滿足國標以及設計要求。

圖8 磁軛段掛裝方法Fig.8 Rim Block Assembly Method

4 結構優點

清遠抽水蓄能電站發電電動機磁軛采用浮動環形磁軛，相對于扇形疊片結構，該結構整體剛度較好，能夠承擔更大的磁極離心力，提高了轉子的穩定性。另外，由于采用浮動結構，磁軛無需熱套，靜止時磁軛對轉子支架沒有徑向箍緊力，轉子支架受力情況簡單。同時，環形磁軛在廠內分段制作完成，現場只需要掛裝磁軛段，可以減少現場疊片的工作量。運行時，發電電動機高速旋轉，單位時間內應力交變次數多、交變應力幅值大，環形磁軛結構可以較好地解決疲勞問題。

5 結束語

清遠抽水蓄能電站發電電動機磁軛采用環形磁軛，目前4臺機均完成了機械過速試驗、水泵甩入力試驗、發電機單甩負荷及雙機同甩負荷試驗，以及三機同甩負荷試驗，并已投入商業運行，現運行情況良好。由于環形磁軛與扇形疊片磁軛在設計、制造、安裝上有很大不同，本文通過對清遠環形磁軛結構的分析介紹，希望可以給類似結構的設計、制造以及安裝提供一定的借鑒。

[1]李文棟，等.立式水輪發電機浮動磁軛設計及應用[C].第19次中國水電設備學術討論論文集，2013.

LI Wendong，et al. Design and application of float type rotor rim for vertical generator [C].Proceedings of the 19th Chinese Conference on Hydropower Equipment，2013.

[2]李鐵軍，等.高速大容量發電電動機轉子設計[J].西北水電，2012，（增刊 1）：110-112.

LI Tiejun，et al. High Speed Large Capacity Generator-Motor Rotor Design [J].XIBEI SHUIDIAN，2012，（Supplement 1）：110-112.

[3]李鐵軍，等.清遠抽水蓄能電站厚板環形磁軛疊裝過程控制與分析[C].第20次中國水電設備學術討論論文集，2015.

LI Tiejun，et al. Process control and analysis for ring rim lamination of qingyuan pumped storage power station[C].Proceedings of the 20th Chinese Conference on Hydropower Equipment，2015.

[4]何少潤，陳泓宇. 清遠抽水蓄能電站主機設備結構設計及制造工藝修改意見綜述[J]. 水電與抽水蓄能，2016，2（5）:7-21.

HE Shaorun，CHEN Hongyu. Review on amendments of the main equipment structure design and manufacturing process of Qingyuan pumped storage power station[J]. Hydro power and Pumped Storage，2016，2（5）：7-21.

[5]陳泓宇，李華，程振宇. 清遠抽水蓄能電站三臺機組同甩負荷試驗關鍵技術研究[J].水電與抽水蓄能，2016，2（5）.

CHEN Hongyu，LI Hua，CHENG Zhenyu.Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station[J]. Hydropower and Pumped Storage，2016，2（5）.

李鐵軍（1982—），男，工程師，主要研究方向：常規發電機設計，抽水蓄能電站發電電動機設計等。E-mail：li.tiejun@toshiba-thpc.com

管亞軍（1982—），女，助理工程師，主要研究方向：發電機設計等。E-mail：guan.yajun@toshiba-thpc.com