大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)探討

牛志遠(yuǎn)

摘 要：近年來，隨著我國科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，很大程度上推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展建設(shè)。尤其是水利行業(yè)的建設(shè)發(fā)展，作為其中比較重要的零部器件水輪發(fā)電機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。下面文章就針對我國大型水輪發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的一系列問題進(jìn)行簡要的分析與總結(jié)，希望通過文章的論述可以為相關(guān)從業(yè)人員提供一定的參考意見，并能更好地促進(jìn)我國國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)發(fā)展。關(guān)于大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直以來都是比較容易忽視的，但它的作用和影響確實(shí)不可估量。下面就對其進(jìn)行詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：大型水輪發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)方案；設(shè)計(jì)

中圖分類號：[TV734.2+1] 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0107-02

Abstract： In recent years， with the continuous innovation and development of science and technology in China， to a large extent， promote the development and construction of related industries. In particular， the construction and development of the water conservancy industry， as one of the more important parts of the hydrogenerator also came into being. The following article briefly analyzes and summarizes a series of problems existing in the structural design of large hydro generators in our country， hoping that through the discussion of the article， some reference opinions can be provided for the relevant practitioners. And can better promote the construction and development of our national economy. It is easy to ignore the structural design of large hydrogenerator， but its function and influence are inestimable. The following is a detailed analysis of this.

Keywords： large hydrogenerator； structural scheme； design

引言

目前而言，我國大型水輪機(jī)的發(fā)展相對是比較良好的，前景也比較廣闊。從某種意義上來講對我國水利事業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。相關(guān)企業(yè)要想在激烈的市場競爭中獲得較好的發(fā)展，就必須加強(qiáng)對水輪發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的重視及改進(jìn)，通過創(chuàng)新提高自身的競爭力。所以文章接下來將針對這一問題進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 大型水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)分析

1.1 關(guān)于設(shè)備的相關(guān)設(shè)計(jì)問題

一是技術(shù)設(shè)計(jì)。技術(shù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)則是針對水輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤其是某些零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改造。但是在實(shí)際操作過程中，作為設(shè)計(jì)人員往往卻不能夠做到技術(shù)的創(chuàng)新與改進(jìn)。就其原因主要是通常情況下，設(shè)計(jì)人員并不會主動(dòng)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，多數(shù)是在發(fā)生問題后才進(jìn)行電磁方面的改進(jìn)或是基于基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣的技術(shù)設(shè)計(jì)創(chuàng)新在一定程度上是被動(dòng)的。所以要求設(shè)計(jì)人員能夠不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)加以創(chuàng)造，針對可能存在的問題要能夠通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行很好地預(yù)防，這就需要對大型水輪發(fā)電機(jī)有所認(rèn)識，能夠利用計(jì)算機(jī)先進(jìn)的系統(tǒng)對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測量，然后精準(zhǔn)的推斷出可能存在的問題，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新。

二是施工設(shè)計(jì)。大型水輪發(fā)電機(jī)在進(jìn)行基礎(chǔ)的技術(shù)設(shè)計(jì)完成后，必然要依托于實(shí)際情況進(jìn)行很好地作業(yè)。這期間就涉及到施工設(shè)計(jì)，主要是指在實(shí)踐中通過對實(shí)踐的適應(yīng)度來完成對發(fā)電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的真正檢測，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)和強(qiáng)度核算，只有在完全的合格下方能進(jìn)行具體的實(shí)施作業(yè)。否則就要依據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，這種方式的改進(jìn)則是經(jīng)過施工作業(yè)而完成，所以稱之為施工設(shè)計(jì)。

1.2 關(guān)于大型水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是由多種子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的。所以要求設(shè)計(jì)者在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須從整體角度考慮出發(fā)。針對不同的應(yīng)用進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇，但是無論選擇何種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的，則是對于安全性的考慮。舉例來講，通常情況下，立式水輪發(fā)電機(jī)主要是由三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)成的，如懸式、半傘式和傘式等三種，但是他們對于材料的選擇以及對于轉(zhuǎn)速的功能及大小是不同的。所以要求依據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行選擇，而不是盲目的采用一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行選擇及使用，這樣不但達(dá)不到效果還會對設(shè)備有所損害。懸式講求的是轉(zhuǎn)速高、容量小；而傘式則強(qiáng)調(diào)是的結(jié)構(gòu)，對于成本較低且容易拆裝的，則使用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。

2 大型水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)節(jié)分析

2.1 關(guān)于發(fā)電機(jī)設(shè)備的定子設(shè)計(jì)

2.1.1 具體的設(shè)計(jì)工作

關(guān)于大型水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)而言是一項(xiàng)比較復(fù)雜的作業(yè)，它不僅僅對于精準(zhǔn)度要求的比較高，同時(shí)還要針對每項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行校對和驗(yàn)證。尤其是在具體的設(shè)計(jì)工作中，對于校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)更是與初期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，一方面要滿足不同機(jī)型的具體設(shè)計(jì)參數(shù)；另一方面要對子機(jī)型進(jìn)行剛度及強(qiáng)度的校驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對整個(gè)基座的重點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)的驗(yàn)證，然后將所獲得的信息數(shù)值進(jìn)行整合，再進(jìn)行子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中要將之前這些數(shù)值進(jìn)行很好地輸入，確保子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足其要求。這樣就會從根本上降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所能出現(xiàn)的問題。如相關(guān)設(shè)備溫度較高；或是因其他因素而出現(xiàn)的膨脹變形等。

2.1.2 定子繞組的安裝環(huán)節(jié)

一般而言，定子繞組在安裝時(shí)包括了施工準(zhǔn)備、下層線棒安裝、氣密性和密封試驗(yàn)等環(huán)節(jié)。定子繞組的下線場地應(yīng)該是防塵的，進(jìn)而能夠有效提高定子的安裝質(zhì)量問題，進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)的放電暈性和絕緣性能。在下線前應(yīng)對線槽等處進(jìn)行仔細(xì)的清掃工作，防止雜物的落入，從而確保線棒的表面是平整光滑的，不能出現(xiàn)損壞的情況；定子繞組、純水環(huán)管在安裝完成后進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，以避免在運(yùn)行后出現(xiàn)定子純水系統(tǒng)充入純水后出現(xiàn)滲漏的現(xiàn)象。而對定子繞組進(jìn)行整體試驗(yàn)涉及了直流電阻測試、絕緣電阻吸收比和極化指數(shù)的測量等方面，全部試驗(yàn)內(nèi)容涉及氣密性、密封性的試驗(yàn)，試驗(yàn)之前要確保接線的正確性和可靠性；確保泄漏電流不隨時(shí)間的延長而增加。

2.2 發(fā)電機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

2.2.1 轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)

通常情況下，轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)主要是由兩部分組成的：一是一根軸；二是分段軸。在不同的大型水輪發(fā)電機(jī)中要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下利用一根軸進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)與水輪軸之間的承接是比較常見的。這種設(shè)計(jì)相對比較簡單且在實(shí)際運(yùn)行中也比較簡單，能降低整機(jī)高度。

2.2.2 轉(zhuǎn)子支架

轉(zhuǎn)子支架作為轉(zhuǎn)軸與磁軛之間的連接部件，轉(zhuǎn)子支架的結(jié)構(gòu)類型包括：與磁共軛圈合體支架、圓盤式支架、整體鑄造支架及其組合式支架等類型。

2.2.3 轉(zhuǎn)子磁軛

轉(zhuǎn)子磁軛，即輪緣，作為大型水輪發(fā)電機(jī)組磁路的重要組成部分，從而構(gòu)成固定磁極的結(jié)構(gòu)部件。一般轉(zhuǎn)子磁軛的結(jié)構(gòu)包括：無支架結(jié)構(gòu)、與支架合體結(jié)構(gòu)、帶轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)等方面，不同的轉(zhuǎn)子軛結(jié)構(gòu)則是根據(jù)大型發(fā)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速、容量及其安裝工序等不同因素而確定的。

2.2.4 轉(zhuǎn)子磁極與集電裝置

轉(zhuǎn)子磁極方案設(shè)計(jì)主要是分為磁極T尾部應(yīng)力計(jì)算、勵(lì)磁繞組強(qiáng)度計(jì)算、阻尼繞阻計(jì)算、磁極沖片計(jì)算及磁極壓板計(jì)算等環(huán)節(jié)。而轉(zhuǎn)子集電裝置則是由集電環(huán)與電刷裝置共同組成的。集電環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸，主要通過電纜實(shí)現(xiàn)與勵(lì)磁繞組進(jìn)行連接，電刷裝置固定在勵(lì)磁架內(nèi)。其中，轉(zhuǎn)子作為水輪發(fā)電機(jī)中的重要組成部分，一般被套在發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸上，同時(shí)其上面還安裝勵(lì)磁線圈。轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的組建部分，其生產(chǎn)、組裝以及安裝階段的質(zhì)量好壞將直接影響著發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、長期性和安全性。

2.3 關(guān)于大型水輪發(fā)電機(jī)的軸承設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要依照一定的設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用科學(xué)的有效手段進(jìn)行分析，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整合，進(jìn)而提高整個(gè)運(yùn)行機(jī)組的安全穩(wěn)定性。下面文章主要從軸承設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行詳細(xì)地分析，其重點(diǎn)主要是推力軸承、導(dǎo)軸承。

2.3.1 推力軸承設(shè)計(jì)

在大型水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承設(shè)計(jì)過程中， 加強(qiáng)對推力軸承的性能指標(biāo)、成本效益指標(biāo)等重點(diǎn)關(guān)注方面。在技術(shù)環(huán)節(jié)方面，注重對推力軸承的軸瓦支承周向偏心及負(fù)載系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算與校核。

2.3.2 導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)

在大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行過程中，導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)主要是依托于載荷機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)部分徑向與電磁之間的不平衡力進(jìn)而達(dá)到平衡。在機(jī)組設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中要對導(dǎo)軸承的位置及數(shù)量以及發(fā)電機(jī)組之間的型號匹配度都要有所了解，且做到精準(zhǔn)無誤，這樣才能精準(zhǔn)的將機(jī)架中心體重的油槽進(jìn)行準(zhǔn)確的安裝。此外，導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)的合理性對于電機(jī)的承受力將起到至關(guān)重要的作用。尤其是對顯現(xiàn)其他部件的安裝及構(gòu)成有著重要影響。從某種意義上來講，導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)能夠依據(jù)實(shí)際水輪發(fā)電機(jī)作業(yè)情況將數(shù)值控制在穩(wěn)定的、合理范圍內(nèi)，大大提高了它的融合性。

3 機(jī)架設(shè)計(jì)

從某種意義上來講，機(jī)架設(shè)計(jì)要依據(jù)大型水輪發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況而設(shè)計(jì)，并非所有的機(jī)架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)都是采取一致的結(jié)構(gòu)類型。機(jī)架依據(jù)承載力負(fù)荷的大小可分為以下兩種類型：一是可載荷機(jī)架；二是非載荷機(jī)架。依據(jù)機(jī)架支臂類型可分為井字型、輻射型及橋型等類型。所以要求設(shè)計(jì)人員必須清楚機(jī)架的結(jié)構(gòu)類型，根據(jù)大型水輪機(jī)機(jī)組部件的作業(yè)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)架設(shè)備的合理設(shè)計(jì)，只有符合其實(shí)際要求的機(jī)架設(shè)計(jì)才能更好地發(fā)揮其支撐作用，否則將難以發(fā)揮實(shí)效，最終對水輪機(jī)發(fā)電機(jī)構(gòu)成影響，破壞推力軸承、轉(zhuǎn)軸承及其他大型構(gòu)建的承載力。

4 結(jié)束語

從上面的論述得知，大型水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對其安全性的運(yùn)行有著不可忽視的重要作用。雖然涉及的因素比較多，且結(jié)構(gòu)構(gòu)成也比較復(fù)雜。但是相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，利用專業(yè)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，一定確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及安全性。此外，還能夠大大提高水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率，一定程度上降低了成本。所以在進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不能盲目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，要利用科學(xué)的論證和相關(guān)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，從而根本上確保水輪的高效運(yùn)行。

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