凱樂塔電站水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

張福芹，李鐵軍

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

凱樂塔電站水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

張福芹，李鐵軍

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

介紹了凱樂塔電站水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。對(duì)水輪發(fā)電機(jī)在定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機(jī)架及通風(fēng)冷卻系統(tǒng)等方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明。為今后類似水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

水輪發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)形式；設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1 電站概述

凱樂塔水利樞紐電站位于幾內(nèi)亞共和國(guó)的西部，距離首都科納克里公路里程180 km，電站位于孔庫(kù)雷河下游一段河道較為寬闊處，以發(fā)電為主，正常蓄水位下水庫(kù)庫(kù)容為2 300萬m3，攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，工程電站安裝3臺(tái)單機(jī)容量為78.2 MW的水輪發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量234.6 MW。大壩由擋水壩段、取水壩段、泄流底孔壩段和溢流壩段組成，壩長(zhǎng)1 100 m，壩頂高程114.00 m，最大壩高22 m。取水壩段分三孔取水，設(shè)有攔污柵、快速事故閘門，后接引水系統(tǒng)。

2 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

型 號(hào)：SF78.2-36/8150

額定容量：78.2 MW/92 MVA

額定電壓：10.5 kV

額定電流：5 059 A

功率因數(shù)：0.85（滯后）

額定頻率：50 Hz

額定轉(zhuǎn)速：166.7 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：450 r/min

絕緣等級(jí)：F/F（定子/轉(zhuǎn)子）

勵(lì)磁方式：可控硅靜止勵(lì)磁

額定勵(lì)磁電壓：250 V（125℃）

額定勵(lì)磁電流：1 470 A

3 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凱樂塔水輪發(fā)電機(jī)為立軸、三相同步軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)。結(jié)構(gòu)型式為半傘式，即上導(dǎo)軸承布置在轉(zhuǎn)子上方，推力軸承和下導(dǎo)軸承布置在轉(zhuǎn)子下方的結(jié)構(gòu)。采用密閉徑向自循環(huán)的空氣冷卻通風(fēng)系統(tǒng)。見圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)剖面圖

3.1 定子

定子由定子機(jī)座、定子鐵心、定子繞組、匯流銅排等組成。

定子機(jī)座為正16邊形，為方便運(yùn)輸，分成4瓣。機(jī)座對(duì)邊尺寸9 300 mm，高2 240 mm，設(shè)有頂環(huán)、上環(huán)、中環(huán)及下環(huán)，環(huán)間沿周向布置加強(qiáng)筋、支撐管。定子機(jī)座與基礎(chǔ)板間采用徑向銷定位，允許定子機(jī)座受熱膨脹時(shí)徑向自由移動(dòng)。

定子鐵心采用低損耗、無時(shí)效的優(yōu)質(zhì)冷軋高導(dǎo)磁薄硅鋼片50W250沖制而成。沖片雙面涂F級(jí)絕緣漆以減少渦流損耗。鐵心外徑為8 150 mm，內(nèi)徑7 380 mm，高度1 250 mm。定子沖片在工廠交錯(cuò)疊裝于4分瓣的定子機(jī)座上，現(xiàn)場(chǎng)通過機(jī)座合縫板用螺栓把合成整體。鐵心壓緊采用分塊式上齒壓板加下部大齒壓板結(jié)構(gòu)，依靠雙鴿尾筋精確可靠定位，通過鐵心軛部的穿心螺桿壓緊固定（見圖2）。為防止長(zhǎng)期運(yùn)行后鐵心松動(dòng)，在上齒壓板設(shè)置碟形彈簧，以吸收機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后鐵心漆膜收縮，保證長(zhǎng)期運(yùn)行后鐵心仍有足夠的安全面壓。

圖2 穿心螺桿式鐵心壓緊結(jié)構(gòu)

定子內(nèi)徑可滿足整體吊出發(fā)電機(jī)下機(jī)架及水輪機(jī)頂蓋的要求。

定子繞組為雙層條式波繞組，3支路Y形連接。繞組絕緣為F級(jí)，主絕緣采用真空多膠液壓VPR工藝。在線棒與線棒之間及鐵心背部均埋設(shè)有電阻測(cè)溫元件，以監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組和鐵心的溫度。線棒的槽部、出槽口及彎曲過渡部分均作防暈處理。定子線棒換位方式采用槽內(nèi)360°羅貝爾換位，以減小端部漏磁引起的附加損耗和股線溫差。

繞組兩端用非磁性端箍固定，端箍通過支架固定在定子鐵心齒壓板上。

除定子合縫面處的線棒外，大部分線棒的下線、打槽楔等工作在工廠完成，定子合縫處的線棒在工地現(xiàn)場(chǎng)完成下線、打槽楔工作。

3.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極和制動(dòng)環(huán)板等組成（見圖3）。整個(gè)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)和制造，能夠滿足在飛逸轉(zhuǎn)速下安全運(yùn)行不小于5 min。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架與上端軸采用法蘭連接，連接螺栓為均布的12個(gè)M72螺栓。

圖3 轉(zhuǎn)子裝配圖

轉(zhuǎn)子支架為整體圓盤式組焊結(jié)構(gòu)，上圓盤開有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)孔，以使發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生需要的風(fēng)量。轉(zhuǎn)子支架在工廠焊接成整體，經(jīng)退火后精加工，整體運(yùn)輸至電站工地。轉(zhuǎn)子支架與磁軛之間采用東芝成熟的浮動(dòng)連接結(jié)構(gòu)。

磁軛由4.5 mm厚高強(qiáng)度扇形沖片在現(xiàn)場(chǎng)交錯(cuò)疊壓而成，通過鉸制螺栓把緊并傳遞沖片間的作用力，使磁軛成為一整體，大大提高磁軛的強(qiáng)度和剛度。疊片采用2片一疊、錯(cuò)開一極距搭接方式，并通過導(dǎo)向銷與組合磁軛鍵定位。磁軛下端裝有制動(dòng)環(huán)，制動(dòng)環(huán)待磁軛疊片壓裝結(jié)束后裝在磁軛下端，與磁軛為分開結(jié)構(gòu)，裝拆方便。

磁軛外緣設(shè)有鴿尾槽用于固定磁極。

磁極由磁極鐵心和磁極線圈組成。磁極鐵心由高強(qiáng)度專用冷軋磁極薄沖片疊成，通過螺桿壓緊。磁極線圈由異形斷面的半硬紫銅排焊接而成，具有散熱面積大，散熱效果好的特點(diǎn)。線圈匝間墊以Nomex絕緣紙，與銅排熱壓成一體。線圈與鐵心間用絕緣板塞緊，對(duì)地絕緣可靠，磁極到現(xiàn)場(chǎng)后無需脫出線圈清掃即可直接掛裝。

磁極掛裝時(shí)，在磁極鐵心鴿尾側(cè)面打入長(zhǎng)楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，楔形鍵用壓板鎖定。極間設(shè)有一個(gè)中間支撐，可滿足不吊轉(zhuǎn)子方便拆裝磁極。

轉(zhuǎn)子設(shè)有縱橫阻尼繞組，阻尼條與阻尼環(huán)采用銀銅焊連接，阻尼繞組間采用柔性連接，防止因振動(dòng)和熱位移而引起的故障。其連接既牢固可靠，又便于檢修拆卸。

勵(lì)磁引線由銅排制成，固定在轉(zhuǎn)子支架平面上，沿著上端軸接至集電環(huán)。

集電環(huán)由鍛鋼制成，安全地緊固在集電環(huán)支架上，并采用有效的絕緣。在集電環(huán)的外表面開有多節(jié)距矩形環(huán)槽，以增大散熱面積，并使電刷光滑接觸取得好的接觸和冷卻效果。

3.3 軸承

上導(dǎo)軸承布置在上機(jī)架上中心體油槽內(nèi)，為分塊扇形瓦結(jié)構(gòu)，瓦面為巴氏合金，共8塊。導(dǎo)軸承采用支柱支撐結(jié)構(gòu)，瓦的背面有球面支承柱，該結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)導(dǎo)瓦能靈活偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)瓦支撐的調(diào)整具有方便、可靠、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)（見圖4）。上端軸滑轉(zhuǎn)子的外周面作為上導(dǎo)軸瓦的摩擦面。

圖4 上導(dǎo)軸承裝配

為有效的隔斷軸電流的回路，不僅在上導(dǎo)瓦上采取了必要的軸電流防護(hù)措施，也在水輪機(jī)受油器管路上安裝了絕緣法蘭，隔斷了所有可能形成軸電流的回路。

上導(dǎo)軸承潤(rùn)滑油的冷卻，采用內(nèi)循環(huán)方式，內(nèi)置盤管式冷卻器，冷卻效果好，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單。

推力軸承及下導(dǎo)軸承布置在下機(jī)架中心體油槽內(nèi)。推力頭和軸為整體結(jié)構(gòu)，工廠內(nèi)整體加工，現(xiàn)場(chǎng)安裝較為簡(jiǎn)捷方便。

推力鏡板用碳素鍛鋼制成，為單一環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通過螺栓把合到推力頭上。

推力軸承采用典型的彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)，能夠承受水輪發(fā)電機(jī)組所有轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量和水輪機(jī)最大水推力構(gòu)成的組合載荷。彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)具有性能可靠、瓦間受力均勻、瓦變形小、抗傾覆能力強(qiáng)及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)（見圖5）。

推力軸承由12塊彈性塑料瓦組成，在機(jī)組啟停機(jī)時(shí)有良好的潤(rùn)滑特性，機(jī)組無需設(shè)置推力軸承高壓油頂起裝置。推力瓦的布置能在頂起轉(zhuǎn)子、卸除軸承負(fù)荷時(shí)，在不干擾定子、轉(zhuǎn)子的條件下，便于軸瓦的調(diào)整、拆卸和組裝。油槽壁開有2處推力瓦檢修窗，可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)推力軸承支撐臺(tái)，方便的進(jìn)行推力瓦的裝拆作業(yè)。

圖5 彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)

下導(dǎo)軸承也采用分塊扇形瓦結(jié)構(gòu)，瓦面為巴氏合金，共16塊。支撐機(jī)構(gòu)與上導(dǎo)相同。由于上導(dǎo)軸承已經(jīng)有效的采取防止軸電流的措施，所以在下導(dǎo)軸承處不再設(shè)置軸電流防范措施。

推力軸承與下導(dǎo)軸承，采用鏡板泵外循環(huán)冷卻方式，設(shè)有2只桶式油冷器，布置在機(jī)坑風(fēng)罩的外部。

3.4 發(fā)電機(jī)軸

發(fā)電機(jī)主軸為中空結(jié)構(gòu)，方便安裝水輪機(jī)受油器管路等。發(fā)電機(jī)主軸與轉(zhuǎn)子中心體采用18個(gè)M72雙頭螺栓及6個(gè)矩形鍵傳遞扭矩的結(jié)構(gòu)（見圖6）。

圖6 扭矩鍵結(jié)構(gòu)

機(jī)組軸系由滑環(huán)軸、上端軸、轉(zhuǎn)子中心體、發(fā)電機(jī)主軸和水輪機(jī)軸及轉(zhuǎn)輪組成。其徑向分別采用上導(dǎo)、下導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承支撐，軸向?yàn)橥屏S承支撐。推力頭布置在轉(zhuǎn)子中心體下方，與主軸為一體結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析計(jì)算，機(jī)組整個(gè)軸系的一階臨界轉(zhuǎn)速為573.9 r/min，滿足合同大于450 r/min的125%的要求。

3.5 上、下機(jī)架

上機(jī)架為非負(fù)荷機(jī)架，為中心體加支臂式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。由于運(yùn)輸條件的限制，上機(jī)架支臂在現(xiàn)場(chǎng)與中心體焊接。上機(jī)架通過把合螺栓和銷釘固定在定子機(jī)座上，有足夠的剛度，可以承受半數(shù)磁極短路時(shí)作用在上導(dǎo)軸承的單邊不平衡力。在不吊出轉(zhuǎn)子、不拆除上機(jī)架的條件下，可拆卸和掛裝磁極并檢查定子線棒端部或更換定子線圈。

下機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架，通過基礎(chǔ)板用螺栓和定位銷固定在基礎(chǔ)上。下機(jī)架由中心體和6條支臂組成，由于運(yùn)輸條件的限制，其中2條支臂在現(xiàn)場(chǎng)焊接。對(duì)下機(jī)架采用有限元的方法進(jìn)行計(jì)算，在最大軸向負(fù)荷下的最大下沉量不大于2.5 mm。

4 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)說明

在發(fā)電機(jī)定子機(jī)座外壁周圍均勻地布置8只空氣冷卻器，用來構(gòu)成密閉循環(huán)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子支架的上圓盤有通風(fēng)孔，冷風(fēng)通過這些風(fēng)孔，并在轉(zhuǎn)子自身運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下強(qiáng)制地通過轉(zhuǎn)子磁軛上的風(fēng)道。氣流的分布設(shè)計(jì)在整個(gè)發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)度方向上均勻一致，采用上部單側(cè)通風(fēng)，利用轉(zhuǎn)子下部磁極之間的旋轉(zhuǎn)漏風(fēng)來冷卻定子線棒的下側(cè)端部。利用上部單側(cè)通風(fēng)，可以有效的將布置在轉(zhuǎn)子下方的推力油槽可能產(chǎn)生的油霧及制動(dòng)粉塵與通風(fēng)回路阻隔開，避免油霧與制動(dòng)粉塵污染發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子。采用這種通風(fēng)方式后，在定子基礎(chǔ)上無需留出風(fēng)道，這樣不僅簡(jiǎn)化了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而且具有良好的冷卻效果。應(yīng)用通風(fēng)計(jì)算軟件分析計(jì)算，完全可以滿足機(jī)組通風(fēng)冷卻要求。

5 制動(dòng)和頂起系統(tǒng)說明

發(fā)電機(jī)采用電氣和機(jī)械制動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合或單一方式制動(dòng)。制動(dòng)氣壓0.55 MPa，最高制動(dòng)氣壓0.8 MPa。在發(fā)電機(jī)下機(jī)架上，共裝設(shè)6只φ280的制動(dòng)器，每只制動(dòng)器上設(shè)置兩個(gè)行程開關(guān)，能反應(yīng)制動(dòng)器是否動(dòng)作或全部復(fù)位。制動(dòng)塊采用非石棉聚合樹脂材料，摩擦系數(shù)大，磨損率低，粉塵少，不污染環(huán)境，可方便更換。制動(dòng)系統(tǒng)配置粉塵收集裝置，在制動(dòng)器投入工作的同時(shí)打開粉塵收集系統(tǒng)，以減小環(huán)境的污染。

制動(dòng)器配有鎖定裝置，在高壓油頂起轉(zhuǎn)子后機(jī)械鎖定，以保持轉(zhuǎn)子在頂起的位置上無需保持連續(xù)的油壓而不落下。整個(gè)電站共用一套移動(dòng)式頂轉(zhuǎn)子用電動(dòng)高壓油泵。

6 輔助系統(tǒng)

6.1 滅火裝置

發(fā)電機(jī)采用氣體（CO2）滅火系統(tǒng)，CO2滅火設(shè)計(jì)為全淹沒系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)配1套發(fā)電機(jī)CO2滅火裝置（包括儲(chǔ)氣瓶及瓶架等）。

發(fā)電機(jī)CO2滅火系統(tǒng)由儲(chǔ)氣瓶及瓶架、輸氣管、噴頭及報(bào)警啟動(dòng)設(shè)備等組成。CO2貯存在儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)，經(jīng)輸氣管送至發(fā)電機(jī)風(fēng)罩內(nèi)。為維持CO2滅火濃度，保證滅火質(zhì)量，每組設(shè)兩套管路，一套是主放，緊急滅火釋放CO2，另一套是續(xù)放，維持和補(bǔ)充CO2。在機(jī)坑里裝設(shè)煙霧信號(hào)和感溫探測(cè)器，當(dāng)兩者同時(shí)動(dòng)作時(shí)方可向發(fā)電機(jī)送氣。探測(cè)器還應(yīng)便于安裝和維護(hù)，設(shè)置自動(dòng)啟動(dòng)操作系統(tǒng)，并設(shè)手動(dòng)操作設(shè)備作為備用。

發(fā)電機(jī)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在火災(zāi)探測(cè)元件（感煙型、感溫型等）各自單獨(dú)動(dòng)作時(shí)只發(fā)報(bào)警信號(hào)，其中兩個(gè)同時(shí)動(dòng)作時(shí)用作停機(jī)，并可延時(shí)起動(dòng)自動(dòng)滅火裝置。探測(cè)元件在動(dòng)作后，能自動(dòng)復(fù)歸。

6.2 防潮裝置

在下機(jī)架機(jī)坑內(nèi)沿圓周方向均布6只2 kW的電加熱器。電加熱器與發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)相互閉鎖，加熱器在停機(jī)時(shí)能自動(dòng)投入，機(jī)組運(yùn)行時(shí)能自動(dòng)退出。

6.3 防油霧裝置

防油霧裝置采用東芝專利技術(shù)--刷形密封。在上導(dǎo)油槽、推力及下導(dǎo)油槽蓋板上設(shè)置有與軸無間隙的接觸密封裝置以防止油或油霧溢出。同時(shí)在油槽蓋板上設(shè)置吸油霧管路，接至機(jī)坑外的油霧分離裝置，有效防止油霧對(duì)發(fā)電機(jī)的污染。

6.4 自動(dòng)化系統(tǒng)

為保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行及電站的自動(dòng)監(jiān)控，發(fā)電機(jī)各處設(shè)有自動(dòng)化元件。分別測(cè)量、監(jiān)控發(fā)電機(jī)定子鐵心線圈、冷熱風(fēng)、各部軸承的溫升情況，以及冷卻水管路和制動(dòng)氣管路的壓力、流量、還有火警、油槽油位等情況。根據(jù)需要可現(xiàn)地顯示或遠(yuǎn)地顯示并進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控。

7 結(jié)束語

凱樂塔電站發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)以能保證機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行為基本出發(fā)點(diǎn)，并充分考慮安裝、運(yùn)行維護(hù)的方便性。設(shè)計(jì)中運(yùn)用了先進(jìn)的分析工具和科學(xué)的計(jì)算方法，對(duì)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、軸系及關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析，確保了發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)合理、性能可靠。

TM312

A

1672-5387（2016）07-0001-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.001

2015-11-13

張福芹（1981-），女，工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作。