EDL高轉(zhuǎn)速大型臥式水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

黃劍奎，劉俊杰，趙志強(qiáng)

（1.浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙富控股集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311121）

0 前言

謝攀水電站位于老撾南部占巴塞省的波羅高原，電站最高水頭689.6 m，采用壓力管道引水（一管四機(jī)），安裝有3臺單機(jī)148 MVA、額定轉(zhuǎn)速600 r/min的大容量高轉(zhuǎn)速立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組（EGAT）及1臺48 MVA、額定轉(zhuǎn)速500 r/min的大型臥式?jīng)_擊式水輪發(fā)電機(jī)組（EDL），兩種機(jī)型的機(jī)組分別于2019年7月及2019年12月順利投入商業(yè)運(yùn)行。本文重點(diǎn)說明臥式機(jī)組EDL發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

目前國內(nèi)容量40 MVA以上的高轉(zhuǎn)速大型臥式水輪發(fā)電機(jī)的業(yè)績并不多，在運(yùn)行的僅有國外引進(jìn)的額定容量45 MVA、額定轉(zhuǎn)速600 r/min的以禮河臥式水輪發(fā)電機(jī)，浙富水電設(shè)計(jì)制造的EDL發(fā)電機(jī)對于國產(chǎn)高轉(zhuǎn)速大型臥式發(fā)電機(jī)而言具有特別重要的意義。

高轉(zhuǎn)速大型臥式發(fā)電機(jī)由于發(fā)電機(jī)尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受重載徑向軸承安全承載能力及運(yùn)輸、安裝檢修等諸多技術(shù)問題的制約，該類發(fā)電機(jī)很容易出現(xiàn)發(fā)電機(jī)振動(dòng)偏大、定子鐵心松動(dòng)、軸承燒瓦等問題。EDL發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)針對這些方面的問題，進(jìn)行了必要的技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證，最終順利的解決了困擾高轉(zhuǎn)速大型臥式發(fā)電機(jī)的諸多技術(shù)難題。

1 發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

額定容量： 48 MVA

額定電壓： 13.8 kV

額定電流： 2 008 A

額定頻率： 50 Hz

額定轉(zhuǎn)速： 500 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速： 915 r/min

勵(lì)磁方式： 自并激可控硅靜止勵(lì)磁

定子鐵心內(nèi)徑： 3 300 mm

定子鐵心長度： 1 326 mm

發(fā)電機(jī)GD2： ≥ 300 t·m2

旋轉(zhuǎn)方向： 非驅(qū)動(dòng)側(cè)看逆時(shí)針

2 發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

EDL機(jī)組為單轉(zhuǎn)輪布置結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)為三相凸極同步發(fā)電機(jī)，采用了密閉循環(huán)自通風(fēng)的空氣冷卻方式，臥式徑向軸承根據(jù)載荷大小采用了大小軸承布置。

發(fā)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)側(cè)臥式徑向滑動(dòng)軸承、非驅(qū)動(dòng)側(cè)臥式徑向滑動(dòng)軸承（兼軸向承載）、制動(dòng)器、空冷器、發(fā)電機(jī)端板及軸承潤滑油供油系統(tǒng)等部件組成，斷面圖如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)斷面圖

3 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

國內(nèi)常規(guī)臥式水輪發(fā)電機(jī)容量一般不超過10 MVA，且額定轉(zhuǎn)速在1 000 r/min及以上，這些發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小。徑向滑動(dòng)軸承一般采用內(nèi)冷的自循環(huán)結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)和軸承通常在工廠整體組裝發(fā)運(yùn)，現(xiàn)場安裝相對簡單；而EDL這樣的大型臥式水輪發(fā)電機(jī)，由于發(fā)電機(jī)尺寸比較大，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、軸承及發(fā)電機(jī)大軸等均需要在現(xiàn)場組裝，其中定子結(jié)構(gòu)的不同決定了現(xiàn)場定轉(zhuǎn)子組裝方式的不同；另外，大尺寸的臥式發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子重量也較大，因而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)徑向軸承的載荷也比較大，所以需要承載能力大的重載徑向軸承來承載，結(jié)合機(jī)組高轉(zhuǎn)速運(yùn)行特點(diǎn)，軸承損耗會(huì)比較大，采用常規(guī)的內(nèi)冷自循環(huán)冷卻方式很難滿足軸承的安全運(yùn)行需要，軸承潤滑通常需要采用強(qiáng)迫外循環(huán)冷卻。

表1為發(fā)電機(jī)容量及轉(zhuǎn)速等參數(shù)與EDL發(fā)電機(jī)比較接近的典型大型臥式發(fā)電機(jī)。

表1 相近似典型高轉(zhuǎn)速大型臥式水輪發(fā)電機(jī)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.1 定子

早期大型臥式發(fā)電機(jī)定子一般為兩分瓣結(jié)構(gòu)，即定子機(jī)座和鐵心均采用兩分瓣結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：①定子可以在工廠疊片下線；②轉(zhuǎn)子及大軸現(xiàn)場安裝及檢修簡單方便；③現(xiàn)場安裝工期短。缺點(diǎn)是：①定子鐵心剛度較弱；②定子振動(dòng)相比偏大；③定子鐵心分瓣合縫處鐵心容易損壞，需要采取特殊措施應(yīng)對。

EDL發(fā)電機(jī)定子根據(jù)合同要求，鐵心應(yīng)采用整體疊片結(jié)構(gòu)，即疊片組裝后的定子鐵心不允許采用分瓣結(jié)構(gòu)。根據(jù)電站運(yùn)輸條件，EDL僅定子機(jī)座采用兩分瓣現(xiàn)場把合的結(jié)構(gòu)，而定子鐵心為整體疊片結(jié)構(gòu)。

（1）定子機(jī)座

EDL兩分瓣定子機(jī)座在現(xiàn)場通過螺栓把合成一體，現(xiàn)場無需焊接，機(jī)座組裝精度容易保證。為方便疊片，定子組裝時(shí)機(jī)座沿定子中心線方向采用立式放置，由于安裝間組裝的定子與實(shí)際使用的臥式狀態(tài)不一致，因此定子機(jī)座結(jié)構(gòu)上要充分考慮疊片后的翻身起吊及定子機(jī)座的剛強(qiáng)度需要。

圖2 定子機(jī)座

（2）定子鐵心

根據(jù)合同要求，EDL定子鐵心在現(xiàn)場整圓疊裝。這種整體結(jié)構(gòu)的定子鐵心優(yōu)點(diǎn)是：①定子鐵心無接縫，無需擔(dān)心接縫處鐵心的損壞；②鐵心剛度好，運(yùn)行中的鐵心振動(dòng)小；③鐵心圓度容易得到保證，無槽底錯(cuò)位，整體性精度高質(zhì)量好；④發(fā)電機(jī)可靠性高。缺點(diǎn)是：①轉(zhuǎn)子安裝及檢修難度大；②轉(zhuǎn)子穿入或拆離定子需要特殊對策及工器具設(shè)計(jì)；③廠房設(shè)計(jì)根據(jù)轉(zhuǎn)子安裝方式可能需要特殊設(shè)計(jì)；④現(xiàn)場安裝工期長。

EDL定子鐵心的定位采用了如圖3所示的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在鐵心外緣側(cè)是圓形的定位孔，較普通的半開口鴿尾定位槽有更強(qiáng)的抗翹曲和限位能力，能有效防止鐵心端部沖片的徑向位移。該結(jié)構(gòu)還具有裝鍵定位簡單、疊片精度高，且鐵心在徑向可自由膨脹，能有效解決鐵心熱變形引起的鐵心與機(jī)座間熱應(yīng)力問題。

圖3 定子鐵心定位結(jié)構(gòu)

另外，從圖3可以看出，這種壓緊螺桿穿過鐵心軛部，由于這種穿心螺桿穿過的是弱磁場區(qū)，也就沒有了受磁場影響而發(fā)熱的顧慮，且拉緊螺桿無需絕緣處理，減少了電站的維護(hù)工作量，提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

3.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子由大軸、磁軛及磁極等組成。

（1）轉(zhuǎn)子磁軛

轉(zhuǎn)子磁軛采用中厚板焊接一體結(jié)構(gòu)，各磁軛鋼板均為整圓環(huán)形切割板，磁軛精加工后在工廠與大軸熱套并整體運(yùn)輸。與常規(guī)立軸式發(fā)電機(jī)的差異是，臥式發(fā)電機(jī)采用這種熱套磁軛的關(guān)鍵是磁軛熱套緊量的確定及精確計(jì)算，磁軛和大軸間需要足夠的緊量防止運(yùn)行中磁軛的松動(dòng)，從而提高發(fā)電機(jī)的可靠性。這種磁軛相比疊片磁軛具有剛度大、整體性好、現(xiàn)場安裝簡單方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 磁軛

（2）磁極

根據(jù)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度計(jì)算，磁極鐵心采用雙“T”尾固定結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有承載能力大及加工安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。

磁極線圈采用了表面有凸出散熱匝的結(jié)構(gòu),可成倍增加其散熱面積,從而降低線圈的溫升。

為了防止磁極線圈離心力導(dǎo)致的線圈變形而引起的磁極線圈甩出的重大事故，磁極線圈極間設(shè)置了支撐，EDL發(fā)電機(jī)的磁極線圈采用了軸向風(fēng)阻小、支撐結(jié)構(gòu)簡單可靠的抱箍支柱式支撐結(jié)構(gòu)。

圖5 磁極

由于受整體定子結(jié)構(gòu)的影響，大型臥式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子安裝、檢修時(shí)穿入或拆離定子是難度比較大的一個(gè)作業(yè)，每個(gè)步驟均需要有周全的對策，大軸的起吊位置及支撐點(diǎn)的設(shè)置均應(yīng)確保轉(zhuǎn)子在安裝或檢修時(shí)的每個(gè)步驟能安全順利推進(jìn)。

3.3 驅(qū)動(dòng)側(cè)和非驅(qū)動(dòng)側(cè)徑向滑動(dòng)軸承

EDL兩徑向軸承均采用兩分瓣結(jié)構(gòu)的圓筒形徑向瓦，徑向瓦和軸承座間采用球面鉸接連接，這種結(jié)構(gòu)能充分適應(yīng)臥式發(fā)電機(jī)大軸產(chǎn)生的撓度需要，軸承安裝調(diào)整簡單，徑向瓦沿軸向方向受力均勻，軸承運(yùn)行可靠性高。

圖6 徑向滑動(dòng)軸承

EDL機(jī)組由于采用單沖擊式轉(zhuǎn)輪布置，所以驅(qū)動(dòng)側(cè)徑向軸承的載荷會(huì)比非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承大很多。EDL驅(qū)動(dòng)側(cè)徑向軸承最大載荷為170 t。另外，運(yùn)行中轉(zhuǎn)輪受到的軸向水推力由非驅(qū)動(dòng)側(cè)徑向軸承兼顧承受。

由于EDL的轉(zhuǎn)輪采用的是兩噴嘴結(jié)構(gòu)，因此不同工況下作用在轉(zhuǎn)輪上的水推力大小及方向都是不一樣的，導(dǎo)致兩徑向軸承受到的徑向載荷大小和方向也不一樣，軸承及軸承支撐或基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)充分考慮了這個(gè)載荷大小及方向的變化。

由于軸承損耗較大，徑向軸承潤滑油的冷卻采用了強(qiáng)迫外循環(huán)冷卻方式。

3.4 其他

（1）制動(dòng)

大型沖擊式臥式機(jī)組的常用制動(dòng)方式有水輪機(jī)反向噴嘴制動(dòng)、發(fā)電機(jī)電制動(dòng)、機(jī)械碟剎制動(dòng)及聯(lián)合制動(dòng)等。

由于合同規(guī)定EDL機(jī)組的制動(dòng)只能采用機(jī)械制動(dòng)器的碟剎制動(dòng)方式，導(dǎo)致EDL的總停機(jī)時(shí)間達(dá)到了28 min（其中機(jī)械制動(dòng)時(shí)間只有1.2 min），這么長的停機(jī)時(shí)間給軸承供油等輔機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來很大的難題和比較高的成本代價(jià)。

（2）軸承潤滑油循環(huán)冷卻

前面提到，EDL徑向軸承潤滑油的冷卻及供油需要采用強(qiáng)迫外循環(huán)的冷卻方式，由于冷卻循環(huán)油量非常大，選擇的油泵功率也比較大，又因?yàn)檩S承的徑向軸瓦和大軸間無法儲油，因此潤滑油的連續(xù)供油是軸承安全運(yùn)行的必要條件，如何確保軸承潤滑油在整個(gè)停機(jī)時(shí)間內(nèi)連續(xù)供油，是軸承供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要詳細(xì)考慮的。謝攀電站由于外方設(shè)計(jì)的廠房無法布置高位重力油箱，也無法滿足大軸驅(qū)動(dòng)油泵對回油箱高程位置布置的要求，要確保供油系統(tǒng)在斷電及油泵故障的條件下，機(jī)組停機(jī)期間能連續(xù)給軸承供油，EDL發(fā)電機(jī)引入了壓力供油系統(tǒng)和直流電動(dòng)油泵供油系統(tǒng)，同時(shí)還進(jìn)一步把為電站黑啟動(dòng)配置的柴油發(fā)電機(jī)納入備用電源。

針對上述（1）、（2）的說明，為了提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性及盡可能減小軸承運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，特提出如下建議：

大型臥式水輪發(fā)電機(jī)的制動(dòng)方式需要電站設(shè)計(jì)單位進(jìn)一步優(yōu)化，多種制動(dòng)方式的組合配置可以適當(dāng)降低機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本，并有效縮短機(jī)組停機(jī)時(shí)間，降低機(jī)組停機(jī)階段軸承的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，設(shè)計(jì)單位在廠房設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量滿足主機(jī)廠家對重要輔機(jī)系統(tǒng)布置的需求。

（3）機(jī)組的動(dòng)平衡配重

大型臥式水輪發(fā)電機(jī)組的軸承支撐，尤其帶支撐支架的軸承，因臥式徑向軸承支撐的水平剛度比較弱，因此，機(jī)組的動(dòng)平衡配重對減小機(jī)組的振動(dòng)非常重要，現(xiàn)場需對機(jī)組進(jìn)行精確配重。

EDL機(jī)組經(jīng)精準(zhǔn)配重之后，軸承振動(dòng)非常小，完全滿足并優(yōu)于相關(guān)規(guī)范對振動(dòng)的要求。

非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承：水平28.37 μm，垂直4.93 μm。

驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承： 水平 8.37 μm，垂直2.96 μm。

4 結(jié)論

EDL水輪發(fā)電機(jī)組是浙富首次設(shè)計(jì)制造的40 MW以上的高轉(zhuǎn)速大型臥式水輪發(fā)電機(jī)組，其業(yè)績在國內(nèi)名列前茅，研發(fā)人員從機(jī)組的軸系、定子、轉(zhuǎn)子、軸承等部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝維護(hù)等諸多方面進(jìn)行了全面的技術(shù)攻關(guān)。

通過對發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、創(chuàng)新，EDL機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造及安裝得以順利推進(jìn)，并按期順利投入商業(yè)運(yùn)行。機(jī)組投產(chǎn)后，發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，各性能參數(shù)、溫度及振動(dòng)等指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范及合同要求，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以為更多高轉(zhuǎn)速大型臥式水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)提供借鑒。