大型水輪發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)問題研究

周旭明

（四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司紫坪鋪水力發(fā)電廠，四川 成都 610091）

大型水輪發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)問題研究

周旭明

（四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司紫坪鋪水力發(fā)電廠，四川 成都 610091）

隨著社會經(jīng)濟水平不斷的提升，在很大的程度上推進了電力行業(yè)的發(fā)展，對于電力來講其最關(guān)鍵的來源就是依賴于火力及水利。本文分析了大型水輪發(fā)電機的定子及轉(zhuǎn)子等相關(guān)方面，并提出了實用性技術(shù)提升策略。

大型水輪發(fā)電機；定子鐵芯；推力軸承

中國有著豐富的水資源，是水電行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著諸多大型水利工程的建成，有效的推進了我國水電發(fā)展，對應的水電機組不斷的朝向大型及超大型發(fā)展。根據(jù)國內(nèi)水利發(fā)電工程學會相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，到2020年，國內(nèi)的700MW水輪發(fā)電機數(shù)目將會超出150臺。大型水輪發(fā)電機具備非正常停機損失大、定轉(zhuǎn)子額定電壓較高以及發(fā)電機定子繞組的中性點引出方法極多等自身特點。

一、大型水輪發(fā)電機技術(shù)問題分析

如圖1所示，定子鐵芯受力簡示圖。

圖1　定子鐵芯簡示圖

3大型水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護方式

1定子鐵芯熱膨脹

隨著國際科學技術(shù)的不斷發(fā)展，對應技術(shù)較為先進的國家，水輪發(fā)電機單機容量逐漸擴大，其對應定子鐵芯的直徑也是持續(xù)增加，由最初的幾米持續(xù)發(fā)展至十幾米，或者說還有超過20m的。相對直徑在成倍的提高，緊接著其鐵芯溫升所產(chǎn)生的對應徑向尺寸的膨脹量是在飛速提升，鐵芯以及機座之間的溫差所出現(xiàn)的徑向尺寸過量也隨之提升。水輪發(fā)電機定子鐵芯，其鐵芯的溫度升至為50℃時，那么鐵芯徑向膨脹就會達到11mm，鐵芯以及機座溫差是20℃時，那么其鐵芯以及機座的半徑方向過盈量就大概會是2mm，進而促使定子鐵芯因為其受到了機座徑向壓力而存在極大的切向應力。

2定子鐵芯壓緊質(zhì)量

在實際運作過程中，大型水輪發(fā)電機盡管其機座能夠自由伸縮膨脹，對應的鐵芯軸向單位相關(guān)面積壓力會大幅度下降，對應的定子鐵芯就會出現(xiàn)翹曲的情況。要是其機座并不是全部膨脹，其對應的單位壓力面積承受壓力會保持在10kgf/cmZ之下，這時其對應定子鐵芯也還是會極有可能存在翹曲情況。

3定子鐵芯分瓣

定子鐵芯的結(jié)構(gòu)是分瓣狀的，關(guān)于定子鐵芯的裝配，應重視其鐵芯合縫位置會受到分布不均勻以及很難預測的對應擠壓力，該擠壓力對定子鐵芯會造成不良的影響，這樣就在很大的程度上加劇了翹曲情況的出現(xiàn)。導致定子鐵芯在受到相關(guān)的力之后出現(xiàn)形變以及振動、損壞等。

4轉(zhuǎn)子支架剛度及圓盤形結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子對應支架的結(jié)構(gòu)形式一般是根據(jù)其發(fā)電機容量以及轉(zhuǎn)速和尺寸、運輸條件等相關(guān)條件來合理選定。通常在中型及小型或者是高速水輪發(fā)電機上利用較為簡單的圓盤式或者是無支架轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。對于大型水輪發(fā)電機來講，其因為會受到相關(guān)運輸條件的制約，一般會利用中心體以及支臂裝配組合形成支臂式的轉(zhuǎn)子支臂。關(guān)于其對應容量以及尺寸非常大的水輪發(fā)電機，近年來，國內(nèi)通常使用的發(fā)電站裝配以及拼焊，大多都是多層圓盤式轉(zhuǎn)子支架。

二、大型水輪發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)改善

1水輪機模型轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計

水輪機的最關(guān)鍵部件就是轉(zhuǎn)輪，其相關(guān)性能直接關(guān)系著對應發(fā)電機運作經(jīng)濟性以及安全性、穩(wěn)定性。關(guān)于水輪機模型轉(zhuǎn)輪水力性能設(shè)計，國內(nèi)外的研究差距很大，很多有關(guān)項目對應轉(zhuǎn)輪是使用國外引進的相關(guān)技術(shù)，其自開發(fā)轉(zhuǎn)輪效率大約是95%，國外所引進的轉(zhuǎn)輪效率能夠達到94%以上。國內(nèi)很多較大型工程有效的引進了三維粘性流體數(shù)據(jù)庫為其最主要的基礎(chǔ)，再合理運用其對應實驗技術(shù)以及相關(guān)模型制造水平的不斷提升，國內(nèi)在很短的時間內(nèi)關(guān)于模型轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計，跟上了世界的先進水平。

2大型水輪發(fā)電機推力軸承技術(shù)

大型發(fā)電機最關(guān)鍵的構(gòu)成部分就是推力軸承，其對應的設(shè)計以及制造技術(shù)是不是最優(yōu)化會直接關(guān)聯(lián)到水輪發(fā)電機的安全可靠運作。想要合理的對其進行優(yōu)化，就應該注重其結(jié)構(gòu)以及性能參數(shù)，以便于有效提升運作的可靠性。有關(guān)企業(yè)對其投入了大量的人力物力進行全方位的分析研究。自主開發(fā)水輪發(fā)電機推力軸承的熱彈性流體動力的潤滑性能相關(guān)計算分析軟件，構(gòu)建了三萬噸的對應推力軸承試驗臺，該實驗是現(xiàn)今世界上相關(guān)運作中最大推力軸承試驗臺。相關(guān)的實驗室研究結(jié)果也在很多較大的水電站對應推力軸承運作實測過程中展開了一定程度的對比，以便于有效健全和提升推力軸承設(shè)計以及制作技術(shù)和測試技術(shù)。這些相關(guān)的工作也為水輪發(fā)電機的推力軸承設(shè)計以及制作工藝積累了相當?shù)慕?jīng)驗。

大型水輪發(fā)電機組的額定轉(zhuǎn)子電壓通常是較高的，可以超出500V，在強勵時是最高的，并且還伴隨著非常顯著的交流分量，這時直接性的將其取出的危險性極高，并且其對應電纜更不好選擇。我國的很多較大型水電機組在進行工程設(shè)計時大都是利用轉(zhuǎn)子接地保護和失磁保護，并運用轉(zhuǎn)子電壓測量對應附件再就地安裝在相關(guān)的勵磁體系之內(nèi)，把較大功率的電阻安置在相關(guān)勵磁體系屏柜之內(nèi)，其對應轉(zhuǎn)子電阻在分壓之后會長距離的接進發(fā)電機的保護屏柜中，這時轉(zhuǎn)子的接地保護功能就會在發(fā)電機的屏柜之內(nèi)很好的實現(xiàn)。

大型水輪發(fā)電機的機組轉(zhuǎn)子接地保護應該合理的就地安置在對應勵磁體系室內(nèi)，其失磁保護需要的相關(guān)電壓最好是通過變送器之后再接進發(fā)電機的保護設(shè)備上，這樣能夠合理避免掉其高壓電纜存在長距離引線，在很大程度上簡化了勵磁回路并節(jié)約了長距離進行高壓控制的電纜費用。

表1　不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架剛度

4大型水輪發(fā)電機定子繞組主絕緣技術(shù)

有關(guān)公司關(guān)于定子繞組的地主絕緣是應用了F級的桐馬環(huán)氧玻璃粉云母系統(tǒng)，其電機的主絕緣結(jié)構(gòu)以及防暈結(jié)構(gòu)和對應繞組槽部、端部的相關(guān)固定結(jié)構(gòu)與各類絕緣材料，總體上來講均是都實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并且國產(chǎn)的相關(guān)絕緣材料性能均是達到了國際化水平。線棒是多膠帶連接式包扎以及其外包防暈帶絕緣結(jié)構(gòu)，運用對應加熱橫壓來進行固化，以致其能夠一次成型，其對應線棒的尺寸應該是統(tǒng)一的，且要具備較好的互換性。該F級桐馬環(huán)氧玻璃粉云母帶的絕緣運作經(jīng)驗極為豐富以及對應水電站不同電壓等級的較大型水輪發(fā)電機和其相關(guān)的出口機組之上。

5 大型水電機組結(jié)構(gòu)剛強度分析技術(shù)

經(jīng)過國內(nèi)外諸多企業(yè)的相關(guān)設(shè)計，其關(guān)鍵器件剛強度性能展開大量有限元分析以及比對，也找出了不同企業(yè)對于同一個器件的設(shè)計差異。關(guān)于其結(jié)構(gòu)拓撲以及幾何形狀和板厚尺寸等展開了系統(tǒng)化的分析，找出其關(guān)聯(lián)機組器件剛強度的關(guān)鍵因素，對部件的設(shè)計進行的全方位的深刻認識，形成了一定的結(jié)構(gòu)模式，再運用其對應參數(shù)來實現(xiàn)建模，有效達到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及分析過程自動化。其對應的運用變量分析技術(shù)定量分析出對應主參數(shù)，并給設(shè)計師所需要的相關(guān)設(shè)計曲線，進而給結(jié)構(gòu)改善及創(chuàng)新提供參考。運用尺寸以及形狀充分結(jié)合優(yōu)化技術(shù)，能夠合理的找出板厚的配置以及幾何形狀均是合理化的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。諸多水電機組結(jié)構(gòu)器件優(yōu)化設(shè)計均采用了相關(guān)研究成果，并得到了顯著的效果。

結(jié)語

水輪機正常的運作狀態(tài)下，其對應的定子鐵芯會承受切向電磁扭矩以及相關(guān)軸向重力，還有在水輪機快速運作時其對應定子鐵芯會存在一定程度的發(fā)熱，機座以及鐵芯均是不一樣的運作情況，所以在溫度不一樣的狀態(tài)下就會存在溫差，對應的高溫鐵芯會出現(xiàn)膨脹以及其座機的制約，座機對于鐵芯具備一個徑向壓力，和相關(guān)鐵芯膨脹力剛好是相反的；以及其對應的定子鐵芯會受到轉(zhuǎn)子所具備的徑向磁拉力，和分瓣定子會被拼為整圓形態(tài)以配合其鐵芯共同進行運作。水輪機在運作時其鐵芯會受到一定的熱膨脹，致使總體鐵芯對應縫合面會受到不一樣方向所帶來的擠壓力，這樣會導致鐵芯出現(xiàn)損失的情況。因此，對大型水輪發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)問題進行詳細分析研究是勢在必行的。

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