水輪發(fā)電機(jī)組斜立筋定子機(jī)座受力分析與探討

彭雪峰

(衡陽(yáng)市水利局水利水電基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站， 湖南 衡陽(yáng)　421001)

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水電站技術(shù)

水輪發(fā)電機(jī)組斜立筋定子機(jī)座受力分析與探討

彭雪峰

(衡陽(yáng)市水利局水利水電基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站， 湖南 衡陽(yáng)421001)

【摘要】隨著綜合國(guó)力不斷提高，我國(guó)水電事業(yè)也在蓬勃發(fā)展，大批大型水電站相繼建成投產(chǎn)，大量先進(jìn)的機(jī)電技術(shù)在水電站建設(shè)中普遍應(yīng)用。其中，斜立筋結(jié)構(gòu)定子機(jī)座先后被三峽水電站、彭水水電站、構(gòu)皮灘水電站、糯扎渡水電站等大型水電站采用。本文針對(duì)定子機(jī)座的結(jié)構(gòu)，分析了它在機(jī)組運(yùn)行中的受力情況，探索了減少其在運(yùn)行中振動(dòng)的措施。

【關(guān)鍵詞】水輪發(fā)電機(jī)組；斜立筋；定子機(jī)座；受力分析與探討

水輪發(fā)電機(jī)組定子機(jī)座支承著鐵芯、線棒及上機(jī)架。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，定子機(jī)座在切向方向受到轉(zhuǎn)子的磁拉力，在徑向方向受到鐵芯受熱膨脹的向外擠壓力。切向方向的磁拉力基本等于機(jī)組轉(zhuǎn)輪所受的水推力，力量相當(dāng)大。而鐵芯的擠壓力與運(yùn)行溫度、機(jī)座基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等有關(guān)。為對(duì)抗上述受力，我國(guó)傳統(tǒng)的定子機(jī)座在上下環(huán)板、立筋設(shè)計(jì)有足夠厚度的鋼板，機(jī)座基礎(chǔ)則大多采用浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)。而法國(guó)某公司設(shè)計(jì)的定子機(jī)座，采用固定式基礎(chǔ)和斜立筋結(jié)構(gòu)，利用機(jī)座在運(yùn)行中的彈性變形來(lái)抵消外力。如果說(shuō)傳統(tǒng)的定子機(jī)座給人的印象是厚重扎實(shí)，那么斜立筋定子機(jī)座給人們的感覺(jué)則是輕盈飄逸。由于大大地降低了制造廠的生產(chǎn)成本，這種結(jié)構(gòu)得到了普遍的采用和推廣。

1斜立筋定子機(jī)座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

斜立筋定子機(jī)座最明顯的特點(diǎn)就是機(jī)座為斜立筋結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)定子機(jī)座的立筋按照徑向方向分布，而斜立筋定子結(jié)構(gòu)的立筋按照與徑向成45°分布。該結(jié)構(gòu)的定子機(jī)座在國(guó)內(nèi)首先應(yīng)用于三峽左岸電站首批發(fā)電機(jī)組。其特點(diǎn)是：在機(jī)組運(yùn)行、定子鐵芯發(fā)熱膨脹時(shí)，定子機(jī)座可以通過(guò)彈性變形，增大半徑來(lái)滿足鐵芯的膨脹量，避免鐵芯產(chǎn)生永久變形，從而保證鐵芯的圓度。而定子機(jī)座斜立筋的周向分量，可以在機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)抗磁拉力產(chǎn)生的扭矩(見(jiàn)圖1)。

圖1　機(jī)座結(jié)構(gòu)對(duì)比

2斜立筋定子機(jī)座受力分析

水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，定子鐵芯、線棒溫度升高，鐵芯受熱膨脹，并通過(guò)定位筋徑向向外擠壓定子機(jī)座。由于機(jī)座立筋與徑向成45°，在同樣大小的壓力條件下，立筋更容易彎曲產(chǎn)生形變。當(dāng)然，這種變形在彈性范圍內(nèi)，相當(dāng)于在鐵芯膨脹時(shí)，機(jī)座對(duì)鐵芯有一個(gè)箍緊作用，從而更好地保護(hù)定子。又因?yàn)樗膹椥?，避免了機(jī)座對(duì)鐵芯的剛性擠壓，防止對(duì)鐵芯產(chǎn)生破壞。同時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子巨大的磁拉力傳遞給定子時(shí)，也要靠定子機(jī)座來(lái)抵抗拉力。傳統(tǒng)定子機(jī)座立筋與切線方向成90°，在定子受到磁拉力作用時(shí)，更容易產(chǎn)生變形。而斜立筋定子機(jī)座結(jié)構(gòu)的斜立筋與定子切線方向成45°，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的立筋型式，具有更強(qiáng)的剛性以及更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。通過(guò)機(jī)座受力分析，斜立筋定子機(jī)座結(jié)構(gòu)在徑向和切向兩種力的作用下，都對(duì)保護(hù)定子鐵芯圓度、防止鐵芯損壞、增加定子機(jī)座穩(wěn)定具有更好的作用。

3斜立筋定子機(jī)座設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1斜立筋定子機(jī)座設(shè)計(jì)

定子機(jī)座整體上是一個(gè)圓筒形。由于斜立筋定子機(jī)座具有較好的彈性，因此，它的基礎(chǔ)是固定的。斜立筋向下延伸，伸出下環(huán)板部分作為下支腿，支撐定子的整個(gè)重量，利用混凝土基礎(chǔ)對(duì)下支腿進(jìn)行強(qiáng)制固定。斜立筋向上延伸，伸出上環(huán)板部分作為上支腿，支撐上機(jī)架的重量，并受到上機(jī)架的固定。上、下支腿都可以向外進(jìn)行彈性變形，滿足機(jī)座在運(yùn)行時(shí)的向外膨脹需要。上、下支撐腿在變形時(shí)，造成整個(gè)機(jī)座在軸線方向有一個(gè)微量的變化，即機(jī)座高度變小。為解決這個(gè)問(wèn)題，在上機(jī)架支腿外端處，設(shè)計(jì)可以上下彈性變形的支撐腿作為補(bǔ)償。該結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖2。

圖2　支撐腿補(bǔ)償原理注　實(shí)線表示非運(yùn)行定子機(jī)座及上機(jī)架的狀態(tài)，虛線表示運(yùn)行狀態(tài)。

3.2斜立筋定子機(jī)座在水電站中的應(yīng)用

三峽水電站左岸廠房電站首先采用了這種斜立筋定子機(jī)座。在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，定子機(jī)座下部(下環(huán)板處)的振動(dòng)較小，約為0.03mm，但中上部(上環(huán)板處)振動(dòng)偏大，約0.09mm。從結(jié)構(gòu)上分析，下部振動(dòng)較小是因?yàn)榛炷粱A(chǔ)對(duì)下支腿起到了很好的約束作用。而上部振動(dòng)偏大，很大程度上是由于上機(jī)架對(duì)上支腿的約束力不夠?；谶@種情況，哈爾濱某電機(jī)廠在三峽水電站右岸廠房電站中，對(duì)上機(jī)架進(jìn)行了改造，使上機(jī)架具有更好的剛性，并取得了較好的效果。彭水水電站由于受到運(yùn)輸條件的限制，定子機(jī)座在制造時(shí)，將斜立筋伸出上環(huán)板部分單獨(dú)加工制造，然后用螺栓、銷釘連接；由于工地加工條件的限制，銷釘孔(φ40)在工地鉆鉸質(zhì)量不好，極大地削弱了銷釘?shù)南尬蛔饔?，連接螺栓在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)容易松動(dòng)，使上機(jī)架對(duì)定子機(jī)座上部的約束力減少，定子上部的振動(dòng)值偏大，約0.1～0.16mm。糯扎渡水電站的運(yùn)輸條件同樣受到限制，定子機(jī)座的制造改成工地現(xiàn)場(chǎng)拼裝、焊接，有效地解決了彭水電站遇到的問(wèn)題。

4斜立筋定子機(jī)座的缺點(diǎn)和機(jī)組改進(jìn)建議

斜立筋定子機(jī)座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是彈性較大、剛性偏小，這決定了它在運(yùn)行中的振動(dòng)相對(duì)較大。采用這種斜立筋定子機(jī)座的水輪發(fā)電機(jī)，一般都是大容量低轉(zhuǎn)速機(jī)組，按照《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》(GB 8564—2003)要求，定子機(jī)座的振動(dòng)應(yīng)小于0.04mm。目前國(guó)內(nèi)使用這種斜立筋定子機(jī)座的大型水電站均不滿足這一要求。對(duì)機(jī)組來(lái)說(shuō)，特別是定子的振動(dòng)，會(huì)破壞定子鐵芯、線棒的絕緣，加速設(shè)備老化，影響機(jī)組的使用壽命。雖然斜立筋定子機(jī)座廠家表示在0.12mm下振動(dòng)，對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生安全隱患，但我們?nèi)詰?yīng)正確對(duì)待振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象。在此，提出兩條建議供同行參考：

a.提高具有斜立筋定子機(jī)座的水輪機(jī)組安裝質(zhì)量。提高轉(zhuǎn)子磁軛和定子鐵芯疊裝圓度、同心度、壓緊量的質(zhì)量要求；提高機(jī)組定中心時(shí)的空氣間隙均勻值，使機(jī)組運(yùn)行時(shí)，磁拉力更加趨向于均勻。

b.基于定子機(jī)座振動(dòng)偏大的部位集中在中上部，制造廠家在上機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)加大上機(jī)架的剛度，增強(qiáng)上機(jī)架對(duì)定子上部的約束。

Analysis and discussion on the force of hydroelectric generating set oblique stud stator frame

PENG Xuefeng

(HengyangWaterResourcesBureauWaterConservancyandHydropowerCapitalConstructionEngineeringQualitySupervisionStation,Hengyang421001,China)

Abstract:China hydropower career is booming with the constant improvement of comprehensive national power. A large number of large hydropower stations have been completed and put into operation. A large number of advanced mechanical and electrical technologies are generally applied in hydropower station constructions, wherein oblique stud structure stator frame is successively adopted in some large hydropower stations, such as Three Gorges Hydropower Station, Pengshui Hydropower Station, Goupitan Hydropower Station, Nuozhadu Hydropower Station, etc. In the paper, its force condition in unit operation is analyzed, and the measures of reducing its vibration in operation are explored aiming at the structure of stator frame.

Key words:hydroelectric generating set; oblique stud; stator frame; stress analysis and discussion

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.011

中圖分類號(hào)：TV734.2+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8241(2016)06- 0035- 03