抽水蓄能水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比分析

【摘要】工業(yè)生產(chǎn)中所應(yīng)用到的抽水蓄能發(fā)電機容量較大，實際運行時轉(zhuǎn)速也很高，很容易發(fā)生運行故障。為了避免水輪發(fā)電機運行故障的發(fā)生，需要在水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計上做出相應(yīng)的改進?？紤]到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量是影響水輪發(fā)電機發(fā)生故障的重要原因，所以在設(shè)計時一定要做好嚴(yán)格的發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，切實提高水輪機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的強度和剛度。以某蓄能水電站為例，本文對抽水蓄能水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了分析，并對比了多種不同方式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，得出相關(guān)結(jié)論，以供同行參考。

【關(guān)鍵詞】抽水蓄能；水輪發(fā)電機；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

抽水蓄能水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的強度與剛度決定了水輪機運行的穩(wěn)定性。一般情況下，為了滿足水輪發(fā)電機大容量、高轉(zhuǎn)速的運行要求，在設(shè)計發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時會將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的磁軛和轉(zhuǎn)抽設(shè)為一體，材料采用強度比較高的鍛鋼，將磁極結(jié)構(gòu)設(shè)置為向心磁極結(jié)構(gòu)，以便消除轉(zhuǎn)子離心力對線圈的影響。這種結(jié)構(gòu)形式能起到一定保障作用，但是設(shè)計相對復(fù)雜，在加上設(shè)計成本較高，所以實踐時還需慎用。下面，筆者以兩種容量相同、極數(shù)對也相同的水輪機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為例，對二者進行對比研究，詳細結(jié)論如下。

一、抽水蓄能水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

1、水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用

在探討抽水蓄能水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計之前，我們先對抽水蓄能水輪發(fā)電機會轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)作用進行分析。從功能作用上來看，水輪發(fā)電機本身在電力系統(tǒng)中起調(diào)縫調(diào)相的作用，對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行起著重要的保障、控制作用。而發(fā)電機中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)則主要負責(zé)推動水輪運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)發(fā)電。如果水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)，水輪發(fā)電質(zhì)量也會隨之受到影響，甚至導(dǎo)致發(fā)電無法完成。所以說在抽水蓄能水輪發(fā)電機運行中，做好轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分保障轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定運行對水輪發(fā)電是極有意義的。

2、傳統(tǒng)方案和與新方案的比較

在傳統(tǒng)的設(shè)計方案中，設(shè)計人員在設(shè)計水輪發(fā)電機電子結(jié)構(gòu)時大多采用向心磁極方案，即將結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子磁軛與轉(zhuǎn)軸連為一體，實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)運行的目的。但在實踐應(yīng)用中，由于這種設(shè)計方案比較耗費成本，且設(shè)計工藝又相對比較復(fù)雜，所以并沒有得到普遍的應(yīng)用。后來，隨著國內(nèi)設(shè)計事業(yè)的不斷進步，人們開始對水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，本著降本增效的原則大幅度降低轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度，簡化了原先的設(shè)計方法，通過技術(shù)改進這一方式成功降低了設(shè)計成本。

二、兩種發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)介紹

1、A市蓄能電站水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

A市蓄能電站所使用的水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在設(shè)計時采用了分段軸結(jié)構(gòu)，用多個圓環(huán)鍛鋼筋構(gòu)件來組成轉(zhuǎn)子磁軛，將線圈外圈從螺桿中穿心而過，與徑向鍵緊緊固定在一起。線圈內(nèi)部內(nèi)圈中的穿心螺桿則與鍵、轉(zhuǎn)軸頂軸以及主軸固定在一起，不設(shè)計轉(zhuǎn)子支架，磁軛表面牢牢固定住磁極及T尾相關(guān)鍵；另外，對于磁極線圈材料的選擇上，通常采用普通型的平線圈，必要時候會在線圈外部添加磁極圍帶作支撐，防止轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力切向分量對線圈質(zhì)量造成損壞。下圖1是A市蓄能電站水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖。

2、B市蓄能電站轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

采用分段軸結(jié)構(gòu)，頂軸與轉(zhuǎn)子支架一體，與主軸靠螺拴及徑向銷緊固。頂軸部分為鍛件，轉(zhuǎn)子支架分上下兩部分鑄件，三件焊接為一體；磁軛為疊片磁軛加穿心螺桿結(jié)構(gòu)，通過復(fù)合鍵固定于轉(zhuǎn)子支架；磁極通過T尾及相關(guān)鍵固定于磁軛；磁極采用改進型向心線圈，大幅降低了工藝難度。下圖2是B市蓄能電站水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計的對比

1、軸系結(jié)構(gòu)（軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛）

A市蓄能電站：分段軸結(jié)構(gòu)，磁軛由多個圓環(huán)鍛件組成，通過外圈穿心螺桿及徑向鍵緊固為一體，通過內(nèi)圈的穿心螺桿及軸向鍵與頂軸及主軸緊固為一體。

B市蓄能電站：采用分段軸結(jié)構(gòu)，頂軸與轉(zhuǎn)子支架為一體結(jié)構(gòu)，與主軸靠螺拴及徑向鍵緊固。頂軸部分為鍛件，轉(zhuǎn)子支架分上下兩部分鑄件，三件焊接為一體。

分析結(jié)論：磁軛多個高強度圓環(huán)鍛件結(jié)構(gòu)，其材料成本及制造難度均高于疊片磁軛，且由于此結(jié)構(gòu)磁軛無徑向緊量，在起停機過程中圓環(huán)鍛件間存在搓動現(xiàn)象，對機組安全運行帶來隱患。

2、磁極線圈

A市蓄能電站：磁極采用普通平線圈，加有圍帶及極間支撐以避免離心力切向分量對磁極線圈造成損害。

B市蓄能電站：磁極采用改進型向心線圈，在大幅降低工藝難度的同時，仍具備傳統(tǒng)向心線圈避免離心力切向分量對磁極線圈造成損害的優(yōu)點。

分析結(jié)論：B市蓄能電站水輪發(fā)電機所采用的改進型向心線圈，其長端整體內(nèi)側(cè)平行，單銅排分別向心，線圈焊接難度雖有增加，但取消了線圈圍帶及極間支撐，整體成本降低。

四、結(jié)束語

綜上所述，隨著水輪發(fā)電重要程度的越來越大，市場對水輪發(fā)電機整體性能的要求也越來越高，為了能充分滿足市場要求，提高水輪發(fā)電機性能與質(zhì)量，設(shè)計時必須做好每一個部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，尤其是影響水輪發(fā)電機運行穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。本篇文章著重對兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了對比分析，并得出了相關(guān)結(jié)論，希望對同行工作有所幫助。

參考文獻

[1]李博.抽水蓄能水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架剛強度分析[A].抽水蓄能電站工程建設(shè)文集（2011）[C].2011

[2]劉為民，宋子明.水輪發(fā)電機滾動推力軸承的設(shè)計應(yīng)用[A].2010全國機械裝備先進制造技術(shù)（廣州）高峰論壇論文匯編[C].2010