水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子改造設(shè)計

王　慧

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

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水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子改造設(shè)計

王慧

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要通過對水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的性能進行分析，針對水輪發(fā)電機現(xiàn)場運轉(zhuǎn)出現(xiàn)的問題，進行轉(zhuǎn)子改造設(shè)計，包括軸、轉(zhuǎn)子支架的優(yōu)化設(shè)計、磁軛、磁極、制動系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、集電環(huán)和刷架，以及轉(zhuǎn)子引線等。改造后的麻石電站1#水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，目前該機組已經(jīng)發(fā)電，運行狀況良好。

關(guān)鍵詞水輪發(fā)電機；轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子支架；軸；磁極；磁軛

0引言

麻石水電站位于廣西融水縣大浪鄉(xiāng)融江干流上，屬低水頭河床式電站。電站原設(shè)計裝有三臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，總裝機容量100MW，其中1#機組的水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為5.3m，發(fā)電機單機容量為28MW，于1972年12月投產(chǎn)。2010年電站擬將1#機組的水輪機轉(zhuǎn)輪直徑由5.3m改擴為5.5m，發(fā)電機容量由28MW改擴為36.5MW，機組部件全部更新，發(fā)電機基礎(chǔ)不變。本文著重就1#水輪發(fā)電機改造轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行介紹。

1發(fā)電機的主要數(shù)據(jù)

型號：SF36.5-56/9000；額定容量：42.941MVA；額定功率：36.5MW；額定電壓：10.5kV；額定功率因數(shù)：0.85(滯后)；額定頻率：50Hz；相數(shù)：3；額定轉(zhuǎn)數(shù)：107.1r/min；飛逸轉(zhuǎn)速：305r/min；接線方式：Y；推力負(fù)荷：730t；GD2：8500t-m2；旋轉(zhuǎn)方向：俯視順時針；冷卻方式：密閉自循環(huán)空氣冷卻。

2轉(zhuǎn)子總體結(jié)構(gòu)

麻石1#改造水輪發(fā)電機為立軸半傘式密閉自循環(huán)空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電機(見圖1)。發(fā)電機轉(zhuǎn)子外徑為φ8436,重量為200t。主要部件包括：頂軸、主軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極、集電環(huán)、刷架、轉(zhuǎn)子引線、制動系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、勵磁電纜等。

2.1軸

發(fā)電機采用三段軸結(jié)構(gòu)，機組軸系由發(fā)電機頂軸、轉(zhuǎn)子支架中心體、發(fā)電機主軸和水輪機主軸組成。主軸和頂軸材質(zhì)均為鍛鋼20SiMn。軸系有足夠的剛強度，滿足第一階臨界轉(zhuǎn)速至少為飛逸轉(zhuǎn)速的125%的合同要求，同時也滿足對軸系振動、擺度及制造廠內(nèi)精加工的要求。頂軸和轉(zhuǎn)子支架采用螺栓連接，轉(zhuǎn)子支架中心體和主軸采用帶銷段的銷螺栓連接。頂軸上熱套滑轉(zhuǎn)子，滑轉(zhuǎn)子與頂軸之間設(shè)有3mm厚的絕緣層，可阻斷軸電流的通路。

2.2轉(zhuǎn)子支架

轉(zhuǎn)子支架為圓盤式焊接結(jié)構(gòu)，由中心體和外環(huán)組件組成。中心體為整體，由于運輸條件的限制，外環(huán)組件分為4瓣，廠內(nèi)與中心體預(yù)裝，在工地組焊成整圓。

根據(jù)改造合同規(guī)定“轉(zhuǎn)子支架為圓盤式全焊接結(jié)構(gòu)，分瓣運至工地組焊，焊后無需處理，并應(yīng)盡量減少在現(xiàn)場的安裝工作量”，對麻石改造項目水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架進行了優(yōu)化設(shè)計。

目前圓盤式水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架一般采用均勻分瓣結(jié)構(gòu)。麻石有56個磁極，考慮運輸?shù)葪l件限制，一般做法是將轉(zhuǎn)子支架分為14瓣，每瓣對應(yīng)4個磁極，即使用14對立筋。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過分析及強度計算，認(rèn)為可采用不均勻分瓣結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子支架分為12瓣，這樣可減少2對立筋，從而減少2對磁軛鍵及其它相關(guān)零件。并且可減少工地外環(huán)組件合縫焊接工作量。不均勻分辨轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)圖見圖3。

采用不均勻分瓣減少了立筋數(shù)，對應(yīng)的磁軛主鍵、副鍵及卡鍵和護板等的零件個數(shù)也相應(yīng)減少，降低了零件加工成本。同時，麻石改造項目采用徑向、切向復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)，需要到工地配刨副立筋，副立筋加工精度要求較高，難度較大。采用不均勻分瓣可減少工地配刨副立筋數(shù)量。另外由于不均勻分瓣結(jié)構(gòu)瓣數(shù)減少，這樣也減少了工地外環(huán)組件合縫焊接工作量，節(jié)省了焊料，并減少了安裝工期。

2.3磁軛

磁軛由上磁軛壓板、下磁軛壓板、磁軛沖片、拉緊螺桿和螺母等組成。磁軛沖片由4mm厚的高強度優(yōu)質(zhì)熱軋鋼板WDER345制成，用拉緊螺桿和螺母拉緊，形成一個整體。磁軛是發(fā)電機GD2以及通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，磁軛采用通風(fēng)溝加通風(fēng)隙結(jié)構(gòu)，設(shè)有5道40mm高的通風(fēng)溝，為通風(fēng)系統(tǒng)提供足夠的風(fēng)量。磁軛與轉(zhuǎn)子支架采用徑向和切向復(fù)合鍵連接結(jié)構(gòu)。通過磁軛凸鍵、磁軛副鍵和熱打鍵墊片保證磁軛和轉(zhuǎn)子支架間的徑向配合力，使得磁軛滿足分離轉(zhuǎn)速的要求，而且在徑向方向可以自由熱脹，同時磁軛凸鍵和磁軛副鍵的緊量配合保證轉(zhuǎn)子支架和磁軛可以有效的傳遞扭矩。

磁軛下部的制動環(huán)，通過磁軛拉緊螺桿把合在磁軛壓板下部，制動環(huán)為分塊結(jié)構(gòu)，散熱性能較好，易于拆卸。此結(jié)構(gòu)是經(jīng)實踐證明的具有成熟的設(shè)計和運行經(jīng)驗、能長期安全、可靠運行的結(jié)構(gòu)。

磁軛壓板在位于磁極極間的位置開螺孔，用來固定極間擋風(fēng)板，避免了通常使用的在極間焊支撐塊來固定擋風(fēng)板的結(jié)構(gòu)見圖4。

2.4磁極

磁極主要由磁極鐵心、磁極線圈、極身絕緣及阻尼繞組等組成。磁極鐵心由磁極沖片、磁極壓板、磁極鐵心拉桿等零件組成。磁極沖片材料為1.5mm厚的WDEL250。疊裝的磁極沖片通過磁極壓板以及磁極鐵心拉桿把合成整體。通過計算，磁極壓板采用了Q345B焊接式結(jié)構(gòu) ，磁極通過T尾與磁軛上對應(yīng)的鍵槽掛接。

磁極線圈為帶散熱匝銅排四角焊結(jié)構(gòu)，F(xiàn)級絕緣和上、下絕緣托板一起通過熱壓的方式形成整體，絕緣托板不許互換。線圈匝間墊有厚度為0.4mm的間苯二酚環(huán)氧浸漬玻璃坯布HEC52406A，絕緣托板材料為環(huán)氧玻璃坯布壓制件。磁極線圈的絕緣材料能夠承受機組各種工況產(chǎn)生的力，而不產(chǎn)生有害變形。

磁極上設(shè)有縱、橫阻尼繞組，由阻尼條、阻尼環(huán)和阻尼環(huán)連接片組成。阻尼環(huán)連接片用多層0.5mm厚的薄銅板制成，外形似ψ的彈性連接結(jié)構(gòu)，在外力作用下，ψ型的連接可以產(chǎn)生一定的彈性變形，因此可防止因振動和熱脹而引起的斷裂，并且方便拆卸和更換。磁極極間驅(qū)動端和非驅(qū)動端各設(shè)有極間旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板，減少端部的漏風(fēng)，保證順暢的冷卻風(fēng)路，見圖5。

2.5制動系統(tǒng)

發(fā)電機設(shè)置8個φ220單活塞制動系統(tǒng)，采用氣壓制動和氣壓復(fù)位以及油壓頂轉(zhuǎn)子。制動時氣壓為 0.5～0.7MPa， 額定工作氣壓為0.7MPa。制動器同時起到千斤頂?shù)淖饔?，在安裝、檢修和起動前，將電動試壓泵中的高壓油注入制動器，從而將機組轉(zhuǎn)動部分頂起。頂起轉(zhuǎn)子時油壓為10MPa。頂轉(zhuǎn)子最大高度為15mm，制動器最大行程為40mm。在行程范圍內(nèi)，制動器能夠停在機組檢修時需要的合適位置，頂?shù)胶线m位置后，可以撤掉油壓，采用制動器自帶的機械鎖定裝置進行鎖定。

在發(fā)電機停機過程中,當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到額定轉(zhuǎn)速的20%時，應(yīng)對發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行氣壓制動，使其快速停機，以免推力軸承低速運行時油膜破壞導(dǎo)致瓦面燒損。制動器布置在發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁軛制動環(huán)下方，基座支撐在下機架支臂上，圓周均勻分布。

2.6除塵系統(tǒng)

2.6.1制動器除塵裝置

在制動過程中，制動環(huán)與制動塊將發(fā)生摩擦，產(chǎn)生制動粉塵。通過設(shè)置制動器除塵裝置，可除去制動粉塵。制動吸塵器放置在下機架基礎(chǔ)上，吸塵裝置具備手動和自動兩種方式。

2.6.2碳粉除塵裝置

機組運行過程中，集電環(huán)和刷架的摩擦將產(chǎn)生碳粉顆粒，碳粉顆粒容易隨著風(fēng)路污染定、轉(zhuǎn)子，因此需要設(shè)置碳粉除塵系統(tǒng)。碳粉除塵系統(tǒng)包括控制箱，過濾網(wǎng)，管路等必要設(shè)備。碳粉吸塵器放置在上蓋板之上。吸塵裝置具備手動和自動兩種方式。

麻石電站原機組沒有碳粉除塵裝置，導(dǎo)致碳粉直接進入發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)。改造后的碳粉除塵裝置為在吸塵罩底部均勻引出8根橡膠管，然后接到吸塵環(huán)管上，從該環(huán)管上引出一根管接至吸塵器。改造后的碳粉除塵系統(tǒng)除塵效果良好，得到用戶的肯定。

2.7集電環(huán)和刷架

集電環(huán)通過鍵和小緊量熱套配合的方式固定在頂軸上，且位于頂罩內(nèi)部，集電環(huán)采用F級絕緣。集電環(huán)安裝后最大擺度不超過0.5mm。 刷架裝配保證在機組運行時，可以觀察碳刷磨損情況。刷握采用可帶電拆卸恒壓刷握。每極電刷數(shù)量為18個，每臺機使用36個電刷。額定勵磁電流1148.7A，電刷電密0.07977A。

2.8轉(zhuǎn)子引線

轉(zhuǎn)子引線從集電環(huán)開始，經(jīng)過頂軸槽、轉(zhuǎn)子支架、磁軛，最終和磁極線圈的引出線連接。在頂軸上互成100°的位置開槽，轉(zhuǎn)子引線連接集電環(huán)后，穿過頂軸上的槽，并通過槽楔固定，然后在轉(zhuǎn)子支架上用線夾和支架固定。轉(zhuǎn)子引線線夾處包絕緣，使結(jié)構(gòu)簡單，并且能保證安全穩(wěn)定運行要求。

3結(jié)語

改造后的麻石電站1#水輪發(fā)電機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，目前該機組已經(jīng)投入發(fā)電，運行狀況良好。通過對麻石1#水輪發(fā)電機改造的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行深入分析和計算，并且對局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而確保該機組能夠長期安全穩(wěn)定運行。

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DesignonModifiedRotorofNo.1Hydro-GeneratorofMashi

HydropowerStation

Wang Hui

(HarbinElectricMachineryCompanyLimited,Harbin150040,China)

AbstractAccording to performance analysis for rotor of hydro-generator, reformation designs of rotor are taken due to problems occurred during operation of the hydro-generator, including optimal designs for shaft, rotor spider, magnetic yoke, magnetic pole, braking system, dust removal system, collecting ring, brush holder rocker and rotor leads. After the reformation, rotor structure design of No.1 hydro-generator of Mashi Hydropower Station is reasonable. So far, generator sets have started to generate electricity and run very well.

Key wordsHydro-generator；rotor；rotor spider；shaft；magnetic pole；magnetic yoke

收稿日期：2015-11-01

作者簡介：王慧女1984年生；畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機的設(shè)計工作.

中圖分類號：TM312

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-7281(2016)01-0042-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.13