巨型水輪發電機的結構特點分析

程湛

摘 要：巨型水輪發電機技術推出之后便在很多大型水電工程中得到應用，水輪機的運行狀態對水利工程的使用性能具有直接影響，而巨型水輪發電機中的相關部件和結構設計是保證水輪機運行穩定的關鍵內容，為此，我們有必要針對巨型水輪發電機的結構特點展開研究。本文就以典型的立軸半傘式密閉自循環全空冷三相凸極同步巨型水輪發電機為例，探討其結構特點，對水輪發電機結構中的關鍵系統的組成內容進行闡述，旨在為后續的巨型水輪發電機的設計工作提供參考建議。

關鍵詞：巨型水輪發電機；結構特點；設計

中圖分類號：TV734 文獻標志碼：A

我國的巨型水輪發電機技術最早是1998年從國外引進的一類水電工程應用技術，在持續應用和發展過程中，不斷研究技術中的關鍵設計理念和結構特征，在2003年便具備獨立完成巨型水輪發電機的設計工作，并且將設計的巨型設備成功應用到三峽工程中，在一段時間內成為世界上規格最大和負荷最大的水輪發電機。還在短時間內完成了多個水電工程的巨型水輪發電機的設計工作，在投入使用后表現出明顯的應用效果。可見，我國的巨型水輪發電機已經在短時間內完成從引進外來先進技術，掌握技術和創新技術的整個發展過程。在實際應用過程中可以發現，水輪發電機的結構設計水平與投入使用之后水輪發電機的運行安全密切相關，為此，我們需要不斷更新技術，完善結構設計，保證水輪發電機的安全穩定運行。

1 發電機總體結構

立軸半傘式密閉自循環全空冷三相凸極同步發電機的結構元件有定子、轉子、上機架、上導軸承、下機架、推力軸承、下導軸承、空氣冷卻器、埋入基礎、制動系統、滅火系統、蓋板、油水管路和輔助接線等，為了研究巨型水輪發電機的結構特點，我們針對立軸半傘式密閉自循環全空冷三相凸極同步發電機中的重點結構部件的組成進行分別探討：

1.1 定子

巨型水輪發電機中定子裝置的主要作用是利用定子鐵心、繞組和機座共同構成的旋轉磁場為水輪發電機提供旋轉動力，再配合其他部件完成電能輸送，為此，定子在水輪機發電機中承擔著不可替代的作用，是水輪發電機的主要動力來源。在定子結構中的機座主要是由大量的環板、垂直方向的斜立筋、筋板和外壁共同焊接而成的鋼板結構。由于定子機座為焊接結構，均為預制元件在現場組裝并且焊接，機座中的斜立筋起到對抗鐵心熱膨脹的作用，而環板是一般的大齒壓板。同時，斜立筋的上下兩端均起到固定作用，分別與機組的基礎元件連接，上端連接上機架，為了確保連接穩固性均采用銷釘或者螺栓加固。

定子鐵心裝置是由冷軋而成的硅鋼片疊成，只有利用穿心螺桿將疊片壓實，為了保證定子鐵心的使用性能，在壓緊過程中需要在鐵心的中間部位設置絕緣材料，同時在壓緊操作中使用的緊螺帽下方墊上彈簧墊圈。將定子鐵心的兩端疊片使用膠水黏結成一個整體，這樣可以盡量減少運行過程中由于機械振動所產生的磨損現象，對定子的使用性能和強度具有積極作用，而齒壓片選用的則是無磁性的鋼材料，避免定子運行過程中對旋轉磁場造成干擾，最后應用定位筋將鐵心固定在機座上。定子裝置的主要結構如圖1所示。

1.2 轉子

轉子裝置屬于旋轉的主要構件，是指由軸承支撐的旋轉體。轉子結構中的主要部件有頂軸、轉子支架、主軸、磁軛、磁極和集電裝置等。其中的頂軸一般選用鍛鋼材質，為了保證轉子結構的有效運行，多采用螺栓將頂軸和支架進行連接，并且應用銷釘和止口進行定位和加固，頂軸上部安裝與實際設計相符的集電環。鍛鋼20SiMn因具備較強的可鍛造性、良好的焊接性能和便于加工的特點，可以同時作為主軸和頂軸的首選材料。

轉子結構中的主軸和轉子支架需要采用螺栓連接固定才能保證轉子的穩定運行，確定轉子的最終位置后利用銷釘固定，以便于扭矩的傳遞，為了達到定位準確的目的，還可以采用止口再次定位。由于水輪發電機在投入使用后會處于持續運行的狀態，轉子在運行過程中不可避免地會受到機械振動的影響，為此，加固轉子支架，提升轉子運行的穩定性能，對較少磨損具有深遠意義。在立軸半傘式密閉自循環全空冷三相凸極同步發電機的轉子結構中我們所采用的加固方式為圓盤式斜立筋鋼板焊接結構，結構中涵蓋中心體和多個外環組件。與定子裝置相同，同樣是工廠預制之后到現場安裝焊接。其中，中心體是由上下法蘭、中心圓筒和內外徑向垂直筋板等共同組成的鋼筋焊接結構，而外環組件是由上下環板和垂直斜筋板等元件共同焊接而成。

磁軛的主要材質為薄鋼板，對鋼板的強度具有較高要求，一般會設置兩段磁軛，并且在每段的兩端分別設置壓板，利用金螺桿進行拉緊操作，進而形成兩個獨立的整體。在對磁軛和轉子支架進行連接時，需要考慮到來自徑向和切向的兩個作用力，要求連接結構必須具備承受兩個作用力的性能，為此，在這個連接部位需要采用復合鍵結構進行連接。磁極的主要構件有磁極鐵心和磁極線圈，其中鐵心是由沖片疊成，并在兩端分別設置壓板，使用拉緊螺桿進行壓緊操作，為了保證磁極的正常工作狀態，需要設置設定的鐵心繞組。磁極線圈在運行中會產生大量熱量，為此，需要選擇散熱功能較好的銅排材料焊接，為了保證磁極在應力的作用下不產生變形，可以在中間部位設置支撐塊，起到抵消線圈應力的作用。

1.3 下機架

下機架為負荷機架，包括中心體和徑向支臂，用優質熱軋鋼板焊接而成。支臂與中心體在廠內進行預裝，在工地進行組焊。在中心體的外壁上開有窗口，便于檢修推力軸承瓦。下機架的末端與基礎連接。下機架不僅承受機組轉動部分重量和水推力等組合載荷，同時還承受下導軸承的徑向負荷。對于特大型機組，下機架軸向撓度應控制在5mm以內。同時下機架的結構還應考慮運輸的限制和更好地傳遞徑向負荷，因此下機架一般設計成輻射型分體結構。

由于巨型機組的推力負荷普遍在2500t以上，其推力軸承損耗大，超過500kW。推導復合軸承的軸承損耗更大。常規的推力軸承內循環潤滑冷卻方式無論從油槽結構還是循環冷卻效果，均無法滿足機組的潤滑冷卻要求。因此，采用外循環冷卻方式已成為巨型機組推力軸承冷卻的共識。外加泵外循環，主要特點是在潤滑油循環回路系統中外加一組互相備用的電動油泵，作為循環動力，其余由冷卻器、濾油器、壓力表、流量顯示器和閥門等元件組成。

結語

我國的巨型水輪發電機技術經過多年的發展已經具備一定的技術水平，并且在不斷發展的過程中不斷完善和更新技術。巨型水輪發電機在眾多水電工程中的成功應用也標志著巨型水輪發電機的良好技術成果。在巨型水輪發電機設計中，結構性能是保證水輪發電機安全穩定運行的關鍵內容，為此，我們有必要加強對水輪發電機結構性能的研究，通過完善各個結構和元件的使用性能，提升巨型水輪發電機的整體性能，使其具備更好的應用前景。

參考文獻

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