抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)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(jī)容量較大，實(shí)際運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速也很高，很容易發(fā)生運(yùn)行故障。為了避免水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行故障的發(fā)生，需要在水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做出相應(yīng)的改進(jìn)。考慮到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量是影響水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生故障的重要原因，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一定要做好嚴(yán)格的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，切實(shí)提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。以某蓄能水電站為例，本文對(duì)抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并對(duì)比了多種不同方式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jī)；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度決定了水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。一般情況下，為了滿足水輪發(fā)電機(jī)大容量、高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行要求，在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)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(qiáng)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(duì)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(jì)相對(duì)復(fù)雜，在加上設(shè)計(jì)成本較高，所以實(shí)踐時(shí)還需慎用。下面，筆者以兩種容量相同、極數(shù)對(duì)也相同的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為例，對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比研究，詳細(xì)結(jié)論如下。

一、抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

1、水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的作用 在探討抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)之前，我們先對(duì)抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)作用進(jìn)行分析。從功能作用上來(lái)看，水輪發(fā)電機(jī)本身在電力系統(tǒng)中起調(diào)縫調(diào)相的作用，對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起著重要的保障、控制作用。而發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)則主要負(fù)責(zé)推動(dòng)水輪運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。如果水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，水輪發(fā)電質(zhì)量也會(huì)隨之受到影響，甚至導(dǎo)致發(fā)電無(wú)法完成。所以說(shuō)在抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，做好轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分保障轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)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(jì)方案中，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)水輪發(fā)電機(jī)電子結(jié)構(gòu)時(shí)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)運(yùn)行的目的。但在實(shí)踐應(yīng)用中，由于這種設(shè)計(jì)方案比較耗費(fèi)成本，且設(shè)計(jì)工藝又相對(duì)比較復(fù)雜，所以并沒(méi)有得到普遍的應(yīng)用。后來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)事業(yè)的不斷進(jìn)步，人們開(kāi)始對(duì)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，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(jì)難度，簡(jiǎn)化了原先的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)這一方式成功降低了設(shè)計(jì)成本。

二、兩種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)介紹

1、A市蓄能電站水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) A市蓄能電站所使用的水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)采用了分段軸結(jié)構(gòu)，用多個(gè)圓環(huán)鍛鋼筋構(gòu)件來(lái)組成轉(zhuǎn)子磁軛，將線圈外圈從螺桿中穿心而過(guò)，與徑向鍵緊緊固定在一起。線圈內(nèi)部?jī)?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(jì)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(duì)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(shí)候會(huì)在線圈外部添加磁極圍帶作支撐，防止轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力切向分量對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。

2、B市蓄能電站轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiāo)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(guò)復(fù)合鍵固定于轉(zhuǎn)子支架；磁極通過(guò)T尾及相關(guān)鍵固定于磁軛；磁極采用改進(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)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(gè)圓環(huán)鍛件組成，通過(guò)外圈穿心螺桿及徑向鍵緊固為一體，通過(guò)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(gè)高強(qiáng)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(wú)徑向緊量，在起停機(jī)過(guò)程中圓環(huán)鍛件間存在搓動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)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(duì)磁極線圈造成損害。B市蓄能電站： 磁極采用改進(jìn)型向心線圈，在大幅降低工藝難度的同時(shí)，仍具備傳統(tǒng)向心線圈避免離心力切向分量對(duì)磁極線圈造成損害的優(yōu)點(diǎn)。分析結(jié)論：B市蓄能電站水輪發(fā)電機(jī)所采用的改進(jìn)型向心線圈，其長(zhǎng)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(yǔ)

綜上所述，隨著水輪發(fā)電重要程度的越來(lái)越大，市場(chǎng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)整體性能的要求也越來(lái)越高，為了能充分滿足市場(chǎng)要求，提高水輪發(fā)電機(jī)性能與質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)必須做好每一個(gè)部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其是影響水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。本篇文章著重對(duì)兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比分析，并得出了相關(guān)結(jié)論，希望對(duì)同行工作有所幫助。

參考文獻(xiàn)

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