大型水輪發(fā)電機定轉(zhuǎn)子熱膨脹變形分析研究

陳光輝，吳和靜，田 超，李雪明

(1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室， 黑龍江哈爾濱 150040；2. 黑龍江東方學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150086； 3. 吉林省勞動技術(shù)學(xué)校， 長春 130000)

大型水輪發(fā)電機定轉(zhuǎn)子熱膨脹變形分析研究

陳光輝1，吳和靜2，田 超1，李雪明3

(1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室， 黑龍江哈爾濱 150040；2. 黑龍江東方學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150086； 3. 吉林省勞動技術(shù)學(xué)校， 長春 130000)

指出了我國國內(nèi)大部分在運行700 MW及以上的機組都存在實測氣隙比設(shè)計氣隙偏小的問題，它導(dǎo)致機組振動數(shù)值變大，影響機組的安全穩(wěn)定運行。指出了定轉(zhuǎn)子的熱膨脹變形是影響定轉(zhuǎn)子之間動態(tài)氣隙變小的主要因素之一。通過對大型水輪發(fā)電機定轉(zhuǎn)子的熱膨脹變形進行分析研究，為解決水輪大電機定轉(zhuǎn)子之間動態(tài)氣隙偏小問題提供參考依據(jù)。

水輪發(fā)電機；定子；轉(zhuǎn)子；氣隙；熱膨脹變形

0 引言

目前，我國國內(nèi)大部分水輪發(fā)電機在運行機組都存在實測氣隙比設(shè)計氣隙偏小的問題。氣隙不均勻?qū)е虏黄胶獯爬ψ兇螅瑱C組的振動數(shù)值變大，影響機組的安全穩(wěn)定運行，所以解決氣隙偏小的問題十分重要。

影響水輪發(fā)電機定轉(zhuǎn)子之間氣隙的因素有很多。其中定、轉(zhuǎn)子熱膨脹變形是影響定轉(zhuǎn)子之間動態(tài)氣隙變小的主要因素之一。

筆者以在運行某臺700 MW水輪發(fā)電機組為例，針對該電站的水輪發(fā)電機定轉(zhuǎn)子的熱膨脹進行分析，為解決水輪發(fā)電機定轉(zhuǎn)子之間動態(tài)氣隙偏小問題提供參考依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)子的熱變形分析

1.1 轉(zhuǎn)子熱打鍵變形分析

轉(zhuǎn)子支架與磁軛用磁軛鍵進行連接。磁軛鍵的打入分2次進行。先進行冷狀態(tài)下打鍵，后進行熱狀態(tài)下打鍵。冷狀態(tài)是打入半徑方向偏小的幾個區(qū)間的磁軛鍵，調(diào)整磁軛圓度之后將全部磁軛鍵打緊。為了保證磁軛與轉(zhuǎn)子支臂之間有足夠的緊量，采取熱打鍵的方法，使轉(zhuǎn)子支臂與磁軛間形成溫差而增大間隙，再將磁軛鍵對稱打入。轉(zhuǎn)子磁軛熱打鍵會產(chǎn)生一定的變形影響。此處的熱打鍵變形是不可恢復(fù)的，對機組在正常運行時氣隙的變化有直接的影響。真實地模擬此處的熱打鍵緊量是分析氣隙變化影響因素的一個重要先提條件。

磁軛鍵打入深度為[1]：

(1)

式中：δ為磁軛單側(cè)緊量，mm；J為磁軛鍵斜率，通常為1/200。

該電站是單機容量為700 MW的混流式水輪發(fā)電機機組。磁軛與轉(zhuǎn)子支架之間所采取的3 mm打鍵緊量的作用下，各部件的徑向變形情況如圖1所示。磁軛與轉(zhuǎn)子支架之間的熱打鍵緊量根據(jù)部件的材料特性進行自行分配，各部件的變形結(jié)果如表1所示。

表1 水輪發(fā)電機3 mm熱打鍵緊量轉(zhuǎn)子各部件

圖1 水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子3 mm熱打鍵緊量各部件徑向變形

1.2 轉(zhuǎn)子的熱膨脹變形分析

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子在機組運行過程中存在勵磁電流[2]。轉(zhuǎn)子支架相對于轉(zhuǎn)子磁軛部位溫度變化幅度較小，所以轉(zhuǎn)子的熱膨脹變形主要集中在轉(zhuǎn)子磁軛部位。轉(zhuǎn)子磁軛熱膨脹變形計算的結(jié)果如表2所示。轉(zhuǎn)子磁軛的溫度載荷分布如圖2所示。圖3為轉(zhuǎn)子磁軛的熱膨脹變形分布。從計算結(jié)果中我們可以看到，轉(zhuǎn)子磁軛的熱變形主要集中在中間部位，變形值隨著溫度升高而增大。

表2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱膨脹變形計算結(jié)果 mm

圖2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁軛溫度載荷分布

圖3 轉(zhuǎn)子磁軛熱膨脹變形分布

2 定子的熱膨脹變形分析

水輪發(fā)電機定子由機座和鐵心組成。在機組運行時，定子會由于溫升產(chǎn)生熱膨脹變形。隨著大容量低轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機定子直徑的增大，定子鐵心與機座間存在過大的熱應(yīng)力使鐵心產(chǎn)生翹曲變形[3]。定子鐵心與機座間存在較大溫差。鐵心的熱膨脹對機座產(chǎn)生壓應(yīng)力，致使鐵心變形，并且熱膨脹力引起的變形隨著機座直徑的增大而愈顯突出。鐵心熱膨脹引起的熱變形對定轉(zhuǎn)子之間氣隙變化有直接的影響。

根據(jù)該電站現(xiàn)場溫度實測數(shù)據(jù)，定子鐵心內(nèi)部溫度為58℃，鐵心背部溫度為42℃，機座內(nèi)部溫度為36℃，機座外部環(huán)境溫度為22℃。溫度載荷分布情況如圖4所示，表3為發(fā)電機定子熱膨脹變形計算結(jié)果，定子各部件熱膨脹變形分布如圖5所示。

表3 發(fā)電機定子熱膨脹變形計算結(jié)果 mm

圖4 發(fā)電機定子溫度載荷分布

圖5 定子各部件熱膨脹變形分布

3 結(jié)語

1) 水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架與磁軛之間是通過磁軛鍵進行連接的。熱打鍵變形是不可恢復(fù)的，在機組安裝以后就已經(jīng)存在了。準(zhǔn)確地計算出此處的熱打鍵緊量，是進行定轉(zhuǎn)子之間動態(tài)氣隙影響因素分析的基礎(chǔ)。

2) 水輪發(fā)電機定、

轉(zhuǎn)子的熱膨脹變形對氣隙變

化有一定的影響。由于定子的溫升比較大，轉(zhuǎn)子的溫升比較小，定子的熱膨脹變形比較明顯，定轉(zhuǎn)子的熱膨脹變形是影響氣隙變小的主要因素之一。

[1] 哈爾濱大電機研究所.水輪機設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，1976：760-761.

[2] 楊建剛.旋轉(zhuǎn)機械振動分析與工程應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社，2007：156-157.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)I[M].北京:高等教育出版社，2004：43-47.

·信息點滴·

美國首個N型太陽能板制造基地誕生

總裝機量200 MW

近日，美國Mission太陽能公司在德克薩斯布魯克斯空軍基地的太陽能板制造廠開幕。這個廠房是德克薩斯州唯一的N型太陽能電池和組件制造廠房，其制造的太陽能板將裝置在本地的太陽能農(nóng)場，產(chǎn)生新能源電力，并為相關(guān)社區(qū)和新能源經(jīng)濟的發(fā)展服務(wù)。

這個覆蓋面積達24萬平方尺的廠房將是美國第一個N型太陽能板制造基地。據(jù)悉，新技術(shù)制造的先進太陽能組件比傳統(tǒng)的P型太陽能組件更為高效。這個720芯組件每組可產(chǎn)生320 W的電力，且工廠的生產(chǎn)率達到每小時50塊太陽能板。其產(chǎn)品總裝機量將達到200 MW。

20140402