南歐江四級發電機轉子設計及結構特點

唐鳳姣，黃小紅

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

1 前言

轉子是水輪發電機的核心部件，需同時具有足夠的機械強度和優良的電氣性能。作為轉動部件，轉子承擔著傳遞水力扭矩形成旋轉勵磁磁場，進而與定子三相繞組作用感應出電動勢完成能量轉換的作用，同時，轉子是機組GD2的主要貢獻者，也是建立發電機通風冷卻系統的主要結構要素。

燈泡貫流式機組轉子主要由轉子支架、轉子磁軛、磁極及勵磁繞組組成，磁軛主要有疊片式和整體磁軛圈式兩種結構，轉子支架和磁極的結構隨磁軛結構的變化而不同。

2 轉子結構

轉子結構形式主要隨磁軛結構變化而變化，磁軛主要有疊片磁軛和整體磁軛圈磁軛。

疊片磁軛基本適用于各種機型、轉速和容量的機組，適用范圍廣，因需要現場疊片，現場轉子組裝工期較長。疊片磁軛由扇形磁軛片堆疊并通過拉緊螺桿拉緊而成，整體磁軛與轉子支架通過磁軛鍵楔緊，與磁極通過磁極鍵楔緊形成整體。

磁軛圈磁軛一般由厚板或環鍛磁軛圈與轉子支架在工廠焊接成整體，磁極通過螺桿拉緊固定于磁軛圈上，具有結構簡單，經濟性好，轉子現場組裝簡單、工時少的優點。但受制作能力、材料強度等的制約，磁軛圈結構較多應用于電站運輸條件好的低轉速燈泡貫流式機組上。

3 南歐江四級轉子設計

南歐江四級電站位于老撾南歐江干流上，是高水頭大容量燈泡機組，其典型參數如下：

最大水頭：28 m

額定水頭：23.5 m

發電機容量：44 MW/46.3 MVA

額定電壓：13.8 kV

額定轉速：136.4 r/min

飛逸轉速（非協聯）：480 r/min

發電機GD2：1 890 t·m2

燈泡比：1.31

轉子外徑：Ф5 151 mm

磁軛外徑：Ф4 706 mm

對于燈泡貫流式水輪發電機組，受燈泡比的限制，相對常規立式機組，發電機直徑較小，一般只有同等容量轉速立式發電機的60%～75%[1]，機組的飛逸轉速系數高[2]，非協聯飛逸轉速系數一般達到3左右。通常,以系數K=發電機容量（MVA）×額定轉速（r/min）表征發電機的綜合設計制造難度[3]，對于燈泡貫流式水輪發電機，可引申系數Kr=容量（MVA）×飛逸轉速2（r/min）以更直觀地反映發電機轉子的設計制造難度。表1 是部分燈泡貫流式水輪發電機Kr 系數列表。

可以看出，南歐江四級發電機容量不是很大，但水頭到了燈泡貫流式機組的適用上限，飛逸轉速特別高，系數Kr在已建的中大容量燈泡貫流式機組中最大，轉子設計制造難度相對最大。

3.1 轉子支架及磁軛設計

設計應兼顧結構安全可靠性和經濟性，南歐江四級轉子磁軛外徑不大，運輸條件也允許，考慮經濟性，優先對磁軛圈式結構進行研討。

在滿足發電機GD2的前提下，磁軛圈結構轉子設計需要綜合考慮以下幾個方面：

（1）剛強度滿足合同及設計規范要求，主要是轉子支架、磁軛圈、磁極拉緊螺桿及磁極芯棒的強度。

（2）制作可行性，如磁軛圈制作的可行性,磁軛圈與轉子圓盤的可焊性。

（3）經濟性,即結構的綜合成本不能過高。

3.1.1 磁軛圈結構磁極強度校核

對既定的電磁方案，主要校核磁極拉緊螺桿和磁極芯棒的強度。每個磁極由8 根M56 螺桿拉緊固定，布置如圖1，不考慮磁軛圈變形引起的附加力作用，飛逸工況下強度校核結果如表2。由計算結果可以看出，拉緊螺桿和芯棒強度合格，結構可行。

圖1 磁極拉緊螺桿布置圖

表2 磁極拉緊螺桿及芯棒的強度

3.1.2 磁軛圈強度校核

考慮制作可行性及經濟性，磁軛圈多采用低合金結構鋼Q355 厚板壓型焊接制作。分別對單圓盤磁軛圈和雙圓盤磁軛圈結構進行檢討，滿足發電機GD2的磁軛圈厚度為140 mm，其幾何模型見圖2，計算應力分布見圖3、圖4。

圖2 磁軛圈模型圖

圖3 單圓盤磁軛圈應力云圖

圖4 雙圓盤磁軛圈應力云圖

從解析結果可以看出，單圓盤磁軛圈集中應力517.8 MPa，一般應力421 MPa，雙圓盤磁軛圈集中應力488.5 MPa，一般應力394 MPa，均遠超Q355 材料許用應力，140 mm 厚磁軛圈結構不可行。為降低磁軛圈應力，對160 mm 厚和180 mm 厚雙圓盤磁軛圈進行分析計算，計算結果匯總見表3。

表3 雙圓盤磁軛圈強度對比表

可以看出，隨厚度增加，磁軛圈應力降低，但厚度達到160 mm 以后，應力降低不明顯，即使厚度增加到180 mm，磁軛圈應力仍達到372 MPa。因此，隨厚度增加，磁軛圈自身離心力產生的應力占比增加，無法有效降低應力，磁軛圈需采用高強度合金鋼材料。高強度合金鋼材料成本高、焊接工藝性較差，不利于提高轉子可靠性，故南歐江四級轉子不適合采用磁軛圈結構。

3.1.3 疊片磁軛結構

轉子支架采用結構簡單、剛性及抗疲勞性好的整體圓盤式結構，轉子支架外徑為Ф4 230 mm，圓周均布11 根軸向立筋。

磁軛片為每扇4 極，一周由11 張磁軛片構成，考慮磁軛鍵槽和磁極鍵槽的削弱影響和疊片磁軛的必要剛度，磁軛內徑為Ф4 180 mm，飛逸工況下磁軛的最大集中應力為567.8 MPa，平均應力為380 MPa 左右，磁軛片選用650 MPa 等級高強度熱軋磁軛鋼板，具有足夠的安全裕度，應力分布見圖5。此時，發電機GD2遠超水力需要，為盡量降低磁軛重量提高經濟性，同時降低導軸承載荷優化燈泡機兩導軸承載荷分配比并提高機組軸系的穩定可靠性，在磁軛軸向設置了9 道風道，風道高度31 mm,見圖6。

圖5 飛逸工況疊片磁軛應力云圖

圖6 疊片磁軛斷面圖

磁軛片采用激光切割制作，現場疊片并用高強度螺桿拉緊成整體磁軛，激光切割的磁軛片孔位及槽位精度高，現場無需鉸孔。為確保運行時磁軛與轉子支架不分離，同時考慮燈泡機臥式水平安裝，轉動部件徑向力因重力作用周期變化的影響，磁軛與轉子支架間采用徑-切向復合磁軛鍵結構。復合磁軛鍵由徑向熱加墊T 型鍵與兩側切向冷配打的打入鍵構成。徑向熱加墊緊量能保證在1.8 倍額定轉速下磁軛與轉子支架不分離，同時冷配打切向鍵能確保磁軛與轉子支架間周向可靠楔緊。

3.2 磁極設計

南歐江四級發電機容量較大，飛逸轉速高，發電機直徑較小，磁極長度相對較長，達1 893 mm，磁極部件應力高，磁極線圈周向變形量較大。為保證磁極結構剛強度，除磁極沖片采用高強度材料外，發電機磁極上采用了以下結構：長磁極鍵和圍帶磁極線圈。

燈泡貫流式機組水頭較低，一般轉速也較低，多采用徑向短磁極鍵結構。短磁極鍵由布置于磁極兩端的兩對楔形鍵組成，現場組裝時，常配合磁極鴿尾處的側邊調整墊片和極身內徑處的調整墊片使用。極身內徑處間隙為發電機第二氣隙，間隙變化會直接引起勵磁電流變化{4}，安裝間隙以不超過1 mm為宜，見圖7。短鍵結構拆裝方便，現場可對磁極外徑進行一定調整，但徑向布置的磁極鍵會減少磁軛的有效徑向高度而影響受力。長鍵結構成本較高，現場配鍵難度相對較大，但整體性好，因此，考慮磁軛強度和磁極應力高變形大的因素，南歐江四級發電機采用側邊長磁極鍵結構。

常規燈泡機因極數多轉子外徑較小，應力水平不高，線圈變形小，極間距離小，一般不需也很難設置線圈極間支撐。但無線圈支撐時，飛逸工況下南歐江四級磁極線圈的最大變形達到4.7 mm,遠超設計允許值，必須采取措施減少線圈變形。磁極線圈極間最小距離只有12 mm，無法設置支撐，故設置圍帶以減少線圈變形。如圖8，考慮圍帶支撐剛強度和絕緣距離后，相鄰磁極的圍帶布置間隙過小存在干涉，磁極的圍帶須軸向錯開布置，因此，S 極磁極的圍帶偏上游側布置，而N 極磁極的圍帶偏下游側布置。

圖7 短磁極鍵結構

圖8 磁極圍帶結構

4 轉子安裝

疊片磁軛轉子的現場組裝工作是成熟的工藝，但是，疊片時轉子中心體下游側朝下，因特殊圍帶結構的采用，磁極掛裝時需先掛裝圍帶偏下游側的N極磁極，再掛裝S 極磁極。

5 結論

南歐江四級電站是高水頭燈泡貫流式機組，機組飛逸轉速和轉子設計制造難度系數Kr在目前大容量燈泡貫流式機組中是最高的，通過綜合考慮轉子剛強度、工廠制造能力、結構可靠性及經濟性，選用疊片磁軛轉子結構，并針對磁軛磁極的具體問題采取有效結構措施，保證了轉子結構的安全可靠性。南歐江四級電站3 臺機組分別于2020 年9 月（2 臺）和11 月投入商業運行，機組運行狀態良好。