清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)環(huán)形磁軛結(jié)構(gòu)分析

李鐵軍，管亞軍

[東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310020]

0 引言

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于廣東省清遠(yuǎn)市清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，安裝有4臺(tái)發(fā)電電動(dòng)機(jī)/水泵水輪機(jī)組，發(fā)電電動(dòng)機(jī)額定容量356MVA/331MW，額定轉(zhuǎn)速428.6r/min，飛逸轉(zhuǎn)速690r/min。轉(zhuǎn)子外徑Φ5225mm，飛逸轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子周速達(dá)到189m/s。

磁軛既是發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁路的組成部分，也是固定磁極的結(jié)構(gòu)部件。運(yùn)行過程中，磁軛受力情況復(fù)雜，需承受自身離心力、磁極離心力、磁拉力以及扭矩作用，有的還要承受熱套帶來的配合力的作用。根據(jù)技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)理念不同，磁軛有多種結(jié)構(gòu)形式。通常，磁軛按基本組成形式分為扇形磁軛（見圖1）和環(huán)形磁軛（見圖2）；按磁軛與轉(zhuǎn)子支架（有時(shí)為主軸）配合形式，通常分為熱套磁軛以及浮動(dòng)磁軛[1]。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)考慮高轉(zhuǎn)速的剛強(qiáng)度要求，磁軛采用環(huán)形浮動(dòng)磁軛，本文介紹此類磁軛的設(shè)計(jì)、制造以及安裝技術(shù)。

圖1 扇形磁軛Fig.1 Sector rim

圖2 環(huán)形磁軛Fig.2 Ring rim

1 磁軛設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站為大容量、高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動(dòng)機(jī)，磁極尺寸大、重量重，運(yùn)行時(shí)，單個(gè)磁極所受離心力達(dá)到萬噸級(jí)，這些力全部要通過磁軛來承受。另外，機(jī)組不但高速旋轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)，還要頻繁啟停機(jī)，因此疲勞問題也需要檢討考慮。綜合各個(gè)方面，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站磁軛設(shè)計(jì)采用環(huán)形磁軛：磁軛內(nèi)外徑Φ2600/Φ4363mm，高3570mm，總重有200多噸，材料選用Q690D。為方便制造、安裝，將整個(gè)磁軛軸向設(shè)計(jì)成9段，從水輪機(jī)側(cè)往上依次為第1段、第2段、……、第9段，各段高度設(shè)計(jì)為300mm或350mm，段間設(shè)計(jì)有高度為65mm通風(fēng)道，段與段之間定位采取通過通風(fēng)葉片上的止口進(jìn)行定位的方式。各段磁軛設(shè)計(jì)為由t50mm或t75mm的環(huán)形磁軛鋼板堆疊而成，環(huán)形磁軛鋼板之間通過拉緊螺桿把合為一體[2]。圖3為磁軛斷面圖，圖4為單段磁軛圖。

圖3 磁軛斷面Fig.3 Rim section

圖4 單段磁軛Fig.4 Rim block

為滿足組裝制動(dòng)環(huán)板的需要及軸向剛度，增加第一段剛度，將第一段部分把緊螺栓設(shè)計(jì)成鉸制螺栓，以此可提高整體性。

為保證磁軛與轉(zhuǎn)子支架同心，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)心工作量，段與段之間設(shè)計(jì)采用定位止口，止口布置在通風(fēng)葉片上，方便現(xiàn)場(chǎng)疊裝時(shí)定位。

為防止頂轉(zhuǎn)子時(shí)磁軛與轉(zhuǎn)子支架錯(cuò)位，在第8段上設(shè)計(jì)有磁軛止浮板（見圖5），以此將磁軛與轉(zhuǎn)子支架軸向關(guān)聯(lián)起來。

圖5 磁軛止浮板Fig.5 Sector rim

為方便安裝制動(dòng)環(huán)，在第一段磁軛下表面加工出一個(gè)安裝平面。

磁軛與轉(zhuǎn)子支架配合采用切向磁軛鍵結(jié)構(gòu)（見圖6），磁軛內(nèi)徑設(shè)計(jì)有7處鍵槽。該結(jié)構(gòu)為浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，徑向無配合緊量，周向用切向鍵楔緊。其中T形鍵設(shè)計(jì)在廠內(nèi)裝在轉(zhuǎn)子支架上，現(xiàn)場(chǎng)只需安裝切向鍵。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)磁軛仍可與旋轉(zhuǎn)中心保持同心。

圖6 磁軛鍵Fig.6 Rim key

磁軛與磁極配合形式為3T尾結(jié)構(gòu)（見圖7）。 磁極徑向通過磁極鍵徑向打緊，牢固固定在磁軛上。軸向在第一段磁軛T尾槽內(nèi)設(shè)計(jì)有可調(diào)整止落塊，以便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整磁極中心高度。

圖7 3T尾Fig.7 Three T-shape tail

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，飛逸轉(zhuǎn)速為690r/min，此時(shí)轉(zhuǎn)子周速約189m/s。為抵擋離心力，磁極間設(shè)計(jì)需要有極間支撐、極間拉桿、阻尼環(huán)拉桿等，通過在磁軛上設(shè)計(jì)徑向螺紋孔，實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)的固定。

2 加工制造

環(huán)形磁軛制作對(duì)制造廠加工制造水平要求較高，在廠內(nèi)加工制造的磁軛內(nèi)外徑中心度、磁軛鍵、磁極鍵及尺寸形位公差要求較高，特別是尺寸大、重量重的，尤其困難?？紤]機(jī)床、工序等相關(guān)因素，過程中可能還需要轉(zhuǎn)換工位，使得整個(gè)加工過程工藝復(fù)雜，控制困難，難度大。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站磁軛內(nèi)外徑為Φ2600/Φ4363mm，高3570mm，總重200多噸。需要加工的地方有內(nèi)外徑、磁軛鍵槽、磁極鍵槽、單段磁軛上下端面、極間連接用的各種徑向螺紋孔等。特別是磁軛鍵槽以及磁極鍵槽，加工精度要求高。制作工藝復(fù)雜，概括來說，整個(gè)制作工程包括鋼板下料、通風(fēng)葉片及導(dǎo)磁塊焊接、單段堆疊、單段粗加工、整體精加工等大的工序，這里面每道工序都有不小的難度。其中，對(duì)于鋼板下料，要求單板不平度小于3mm（這一點(diǎn)需對(duì)鋼板原材料提出嚴(yán)格要求）。因高強(qiáng)度鋼板不宜進(jìn)行火焰調(diào)型，必要時(shí)可以使用大型龍門油壓機(jī)調(diào)型；通風(fēng)葉片及導(dǎo)磁塊焊接，過程中容易使磁軛鋼板外周發(fā)生變形，焊接必須考慮焊接時(shí)機(jī)及方法，不能使得鋼板有影響使用的變形；單段堆疊，需考慮合理的面壓，控制壓緊螺桿伸長(zhǎng)量，均勻緊固，使每段圓周高度均勻；精加工，為保證磁軛鍵槽以及磁極鍵槽精度，防止錯(cuò)牙，滿足現(xiàn)場(chǎng)裝配精度，應(yīng)盡量減少分段加工次數(shù)。

綜合考慮磁軛尺寸、重量、精度等因素，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站磁軛加工采用的方案是分段加工、轉(zhuǎn)移工位的方式，先加工9/8/7/6/5段，整體加工完畢后，再將已加工好的第5段作為基準(zhǔn)，整體加工第5/4/3/2/1段。精加工時(shí)先加工內(nèi)外圓和磁軛鍵槽，再以磁軛鍵槽為基準(zhǔn)，加工出各磁極鍵槽換工位校正用基準(zhǔn)。工位轉(zhuǎn)移時(shí)，為防止基準(zhǔn)跑位，要采取必要的工藝措施。

3 現(xiàn)場(chǎng)疊裝

環(huán)形磁軛疊裝時(shí)與疊片磁軛不同，各磁軛段需從轉(zhuǎn)子支架頂端往下套裝，廠房高度往往不能做到一次吊裝到位，因此設(shè)計(jì)階段應(yīng)事先考慮吊裝方式，以便給現(xiàn)場(chǎng)安裝提供合適的吊具以及吊繩[3]。一般有兩種方法，設(shè)計(jì)環(huán)形吊具或者采用長(zhǎng)短繩。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站采用的是長(zhǎng)、短繩替換的方法吊裝磁軛段（見圖8）。前3段需要更換繩子，后6段均可一次到位。通過對(duì)疊裝過程的跟蹤控制，以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)特別注意：

第一段掛裝，該段是疊裝基準(zhǔn)，需要盡最大努力調(diào)到最好，調(diào)整時(shí)可在內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子支架間使用千斤頂進(jìn)行調(diào)整。

外周T尾槽內(nèi)磁極鍵配合面的錯(cuò)牙控制，過程中需監(jiān)測(cè)段間的錯(cuò)牙，并關(guān)注每一段疊裝上去后，底下幾段的變化趨勢(shì)。

磁軛偏心值控制，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站轉(zhuǎn)子偏心允許值為0.15mm。建議每疊1段，均進(jìn)行圓度測(cè)量并計(jì)算偏心，偏心滿足要求后方可進(jìn)行下一段疊裝。

測(cè)點(diǎn)的選擇可以跟磁極數(shù)一致，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站14個(gè)磁極，在磁軛周向相應(yīng)位置選擇14個(gè)測(cè)點(diǎn)。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)1號(hào)磁軛疊裝完成后，對(duì)磁軛外圓、內(nèi)徑間隙值、段與段之間的錯(cuò)牙情況都進(jìn)行了測(cè)量，數(shù)據(jù)優(yōu)良，其中磁軛最大偏心0.1mm，滿足國(guó)標(biāo)以及設(shè)計(jì)要求。

圖8 磁軛段掛裝方法Fig.8 Rim Block Assembly Method

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁軛采用浮動(dòng)環(huán)形磁軛，相對(duì)于扇形疊片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)整體剛度較好，能夠承擔(dān)更大的磁極離心力，提高了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。另外，由于采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，磁軛無需熱套，靜止時(shí)磁軛對(duì)轉(zhuǎn)子支架沒有徑向箍緊力，轉(zhuǎn)子支架受力情況簡(jiǎn)單。同時(shí)，環(huán)形磁軛在廠內(nèi)分段制作完成，現(xiàn)場(chǎng)只需要掛裝磁軛段，可以減少現(xiàn)場(chǎng)疊片的工作量。運(yùn)行時(shí)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力交變次數(shù)多、交變應(yīng)力幅值大，環(huán)形磁軛結(jié)構(gòu)可以較好地解決疲勞問題。

5 結(jié)束語

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁軛采用環(huán)形磁軛，目前4臺(tái)機(jī)均完成了機(jī)械過速試驗(yàn)、水泵甩入力試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)單甩負(fù)荷及雙機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)，以及三機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)，并已投入商業(yè)運(yùn)行，現(xiàn)運(yùn)行情況良好。由于環(huán)形磁軛與扇形疊片磁軛在設(shè)計(jì)、制造、安裝上有很大不同，本文通過對(duì)清遠(yuǎn)環(huán)形磁軛結(jié)構(gòu)的分析介紹，希望可以給類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造以及安裝提供一定的借鑒。

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李鐵軍（1982—），男，工程師，主要研究方向：常規(guī)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)等。E-mail：li.tiejun@toshiba-thpc.com

管亞軍（1982—），女，助理工程師，主要研究方向：發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)等。E-mail：guan.yajun@toshiba-thpc.com