秘魯Quitaracsa電站高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

黃劍奎，趙志強(qiáng)

（1.浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州311121；2.浙富控股集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州311121）

0 前言

Quitaracsa水電站（以下簡稱Q電站）位于秘魯Santa河的主要支流Quitaracsa河流最后1/3的河段上，電站為地下廠房，安裝2臺單機(jī)額定出力為56MW、額定轉(zhuǎn)速為720r/min的高轉(zhuǎn)速立軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，于2015年11月順利投入商業(yè)運(yùn)行。

該電站發(fā)電機(jī)是浙富公司當(dāng)期設(shè)計(jì)制造的難度最大的高轉(zhuǎn)速大容量常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)。

目前國內(nèi)高轉(zhuǎn)速大容量常規(guī)發(fā)電機(jī)的業(yè)績并不多，但隨著我國西藏等高海拔和高水頭水力資源的進(jìn)一步開發(fā)，更多大容量的高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)將要面世，提前進(jìn)行該方面的技術(shù)研究和技術(shù)儲備是各制造廠家的當(dāng)務(wù)之急。

高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電機(jī)由于受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料強(qiáng)度和制造難度的制約，該類發(fā)電機(jī)很容易出現(xiàn)上下機(jī)架振動偏大、軸擺度超差、轉(zhuǎn)動部件強(qiáng)度不足及軸承溫度和定轉(zhuǎn)子溫度過高等而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)重大問題。Q電站發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)充分吸取了國內(nèi)外高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電機(jī)這些方面的經(jīng)驗(yàn)，主要從本文中總結(jié)的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)上的幾大技術(shù)難點(diǎn)等方面進(jìn)行攻關(guān)，并對核心部件的剛強(qiáng)度及模態(tài)、軸系、通風(fēng)及溫度等進(jìn)行了全面的有限元分析，最終比較好的解決了困擾高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電機(jī)的這些技術(shù)難題。

1 發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)型號：SF56-10/3570

額定容量：66MVA

額定電壓：13.8kV

額定電流：2756A

額定頻率：60Hz

額定轉(zhuǎn)速：720r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：1330r/min（最大）

勵磁方式：自并激可控硅靜止勵磁

定子鐵心內(nèi)徑：2750mm

定子鐵心長度：2080mm

發(fā)電機(jī) GD2：≥ 245t·m2

旋轉(zhuǎn)方向：俯視逆時針

2 發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)為三相凸極同步發(fā)電機(jī)，采用了立軸懸式軸承布置、密閉循環(huán)自通風(fēng)的空氣冷卻方式。

發(fā)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、上/下機(jī)架、推力軸承、上/下導(dǎo)軸承及徑向防振支撐等部件組成，斷面圖如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)斷面圖

3 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及特點(diǎn)

由于Q電站發(fā)電機(jī)的最大飛逸轉(zhuǎn)速達(dá)到了1330r/min，在66MVA這樣的容量下，發(fā)電機(jī)定子鐵心內(nèi)徑無法做得太小，優(yōu)化后的定子鐵心內(nèi)徑還是達(dá)到了2750mm，因此飛逸轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子周速高達(dá)191m/s。這樣的周速遠(yuǎn)高于一般的常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)，這給發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。

Q電站發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)難度，可以用發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度指數(shù)K來說明，即K=SN×nR2×10-6，式中SN為發(fā)電機(jī)的額定容量（MVA），nR為機(jī)組最大飛逸轉(zhuǎn)速（r/min）。K值越大，發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及制造難度也越大。表1統(tǒng)計(jì)了2000年以后國內(nèi)廠家比較典型的高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電機(jī)的K值對比，從表1中不難看出，Q電站發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造難度還是名列前茅的。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（1）發(fā)電機(jī)軸系

Q電站發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)首先是發(fā)電機(jī)軸系的設(shè)計(jì)，即機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速需要保證有足夠的安全裕度。為了滿足合同規(guī)定的最大飛逸轉(zhuǎn)速的1.25倍以上的要求，一階臨界轉(zhuǎn)速必須要達(dá)到1663r/min以上，這對機(jī)組軸系及其軸系支撐的剛度提出了很高的要求，發(fā)電機(jī)的軸系、轉(zhuǎn)子和上下機(jī)架及徑向支撐等都需要做特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。

表1 高轉(zhuǎn)速大容量常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)難度指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相關(guān)

由于轉(zhuǎn)子飛逸時的外周速非常高，磁極和磁軛的離心力非常大，磁極需要采用特殊的固定方式，磁極和磁軛的材料也都要采用非常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)使用的高強(qiáng)度材料；針對磁極線圈在高轉(zhuǎn)速時容易出現(xiàn)的變形問題，線圈必須采用可靠的支撐，同時線圈的材質(zhì)也應(yīng)根據(jù)需要適當(dāng)提高強(qiáng)度等級。

（3）發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)定子鐵心高度超過了2m。為了確保軸向風(fēng)扇通風(fēng)結(jié)構(gòu)下的定、轉(zhuǎn)子各部位風(fēng)量的合理分配，需要用專門開發(fā)的通風(fēng)分析軟件并結(jié)合大量的電站業(yè)績成果進(jìn)行解析計(jì)算，同時進(jìn)行必要的溫度分布計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果用于指導(dǎo)發(fā)電機(jī)風(fēng)扇和各風(fēng)路結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。

（4）發(fā)電機(jī)軸承相關(guān)

Q電站發(fā)電機(jī)推力軸承的重心周速非常高，額定轉(zhuǎn)速時的PV值高達(dá)950；另外，飛逸轉(zhuǎn)速時軸承重心周速更是達(dá)到了60m/s，這樣的周速對采用鏡板泵結(jié)構(gòu)的推力軸承來說，油槽內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)及油面高度的設(shè)計(jì)非常重要，設(shè)計(jì)不當(dāng)很容易導(dǎo)致鏡板泵性能在轉(zhuǎn)速上升過程中失效而導(dǎo)致推力軸承發(fā)生燒瓦的事故。

另外，由于軸承的高周速，導(dǎo)致油霧量非常大，因此，防油霧對策也需要特別的應(yīng)對。

3.2 發(fā)電機(jī)主要部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.2.1 定子

組成定子的機(jī)座、鐵心和線圈為常規(guī)結(jié)構(gòu)，因?yàn)榫€棒端部尺寸長而采用了雙端箍結(jié)構(gòu)，以減少線棒端部的振動。

（1）定子機(jī)座

定子機(jī)座為十二邊形結(jié)構(gòu)，分2瓣運(yùn)至工地，螺栓把合。由于不需現(xiàn)場焊接，機(jī)座在現(xiàn)場組圓的精度更容易得到保證，同時可以大大縮短安裝工期。

圖2 定子機(jī)座

（2）定子鐵心

定子鐵心在現(xiàn)場整圓疊裝。這種整體結(jié)構(gòu)的定子鐵心無接縫，剛度好，運(yùn)行中的鐵心振動?。煌瑫r圓度容易得到保證，無槽底錯位，整體性質(zhì)量精度高。

鐵心采用0.5mm厚的低損硅鋼片疊壓制成，為了減少端部漏磁導(dǎo)致的過熱，端部鐵心的齒部采取了開槽等措施加以應(yīng)對。

定子鐵心的壓緊防松采用高強(qiáng)度碟簧結(jié)構(gòu)，使多年運(yùn)行后鐵心漆膜的收縮可得到補(bǔ)償，鐵心仍可保持一定的安全面壓，這種結(jié)構(gòu)對高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電機(jī)來說非常必要，可保證發(fā)電機(jī)定子鐵心長期運(yùn)行后不松動。

定子鐵心的定位采用了如圖3所示的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在鐵心外緣側(cè)是圓形的定位孔，較普通的鴿尾定位槽有更強(qiáng)的抗翹曲能力。該結(jié)構(gòu)還具有裝鍵定位簡單、疊片精度高，且鐵心在徑向可自由膨脹，能有效解決鐵心熱變形引起的鐵心與機(jī)座間熱應(yīng)力問題。

另外，從圖3可以看出，這種壓緊螺桿穿過鐵心軛部，由于這種穿心螺桿穿過的是弱磁場區(qū)，也就沒有了受磁場影響而發(fā)熱的顧慮，且拉緊螺桿無需絕緣處理，減少了電站的維護(hù)工作量，提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

（3）定子線圈

圖3 定子鐵心定位結(jié)構(gòu)

定子繞組為雙層條式波繞組、2支路星形連接。線棒采用了槽內(nèi)羅貝爾換位及端部分組的連接方式，以降低附加損耗并減小線棒股線間的溫差。

定子槽楔采用成對的楔形槽楔+楔下波紋墊條結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅槽楔打緊簡單方便，還能借助波紋墊條的預(yù)緊彈力，確保機(jī)組運(yùn)行多年后線圈能夠保持有足夠的壓緊力，防止線棒松動。

3.2.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子由上端軸、磁軛、下端軸及磁極等組成。為確保軸系剛強(qiáng)度的需要，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為由上、下端軸和整體鍛造磁軛構(gòu)成的軸系結(jié)構(gòu)，整鍛磁軛的結(jié)構(gòu)也被應(yīng)用于技術(shù)難度更大的老撾謝攀發(fā)電機(jī)（參見表 1）。

（1）轉(zhuǎn)子磁軛

磁軛由高強(qiáng)度合金鋼整鍛而成，重達(dá)46t，該材料屈服強(qiáng)度高達(dá)690MPa。為降低應(yīng)力水平，磁極的固定溝槽采用了45°雙鴿尾結(jié)構(gòu)，由于鴿尾槽的加工精度要求非常高，因此加工難度非常大，磁軛是發(fā)電機(jī)加工難度最大的部件。磁軛結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 磁軛

（2）磁極

磁極鐵心由高強(qiáng)度專用冷軋磁極板沖片疊成，鐵心設(shè)置側(cè)板以減少磁極壓板分擔(dān)的離心力，從而將磁極壓板的最大應(yīng)力降低在一個合理水平，以降低磁極壓板材料的采購難度。

另外，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要，磁極鐵心采用了45°雙鴿尾固定結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有：①相對60°常規(guī)單鴿尾結(jié)構(gòu)，雙鴿尾的承載能力大；②相對雙“T”尾結(jié)構(gòu)，磁極固定部位的尺寸大大縮短，同等條件下，能有效減小磁軛的應(yīng)力。這種磁極的固定結(jié)構(gòu)特別適用于高轉(zhuǎn)速大容量的發(fā)電機(jī)，尤其是需要考慮疲勞設(shè)計(jì)的正反向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電電動機(jī)。

磁極線圈采用了表面有凸出散熱匝的結(jié)構(gòu)，可成倍增加其散熱面積，從而降低線圈的溫升，這種結(jié)構(gòu)對通風(fēng)條件苛刻的發(fā)電機(jī)來說尤為重要。

為了防止磁極線圈離心力導(dǎo)致的線圈變形而引起的磁極線圈甩出的重大事故，磁極線圈極間設(shè)置了支撐。雖然向心結(jié)構(gòu)的磁極理論上線圈的離心力切向分量很小甚至為零，但依然不能避免磁極線圈變形被甩出的嚴(yán)重事故。Q電站發(fā)電機(jī)的矩形磁極線圈結(jié)合通風(fēng)方式采用了軸向風(fēng)阻小、支撐結(jié)構(gòu)簡單可靠的抱箍支柱式支撐結(jié)構(gòu)。

圖5 磁極

此外，對高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)來說，磁極線圈極間引出線的引出和固定方式設(shè)計(jì)的可靠與否也是至關(guān)重要的，Q電站發(fā)電機(jī)磁極線圈的上部極間引出線采用了內(nèi)部引出結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的磁極線圈雖然制作工藝復(fù)雜，制造難度大，但徹底解決了高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)磁極引出線的應(yīng)力高及固定困難的問題。

3.2.3 上機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承

（1）上機(jī)架

上機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架，用于承擔(dān)機(jī)組轉(zhuǎn)動部件產(chǎn)生的全部軸向和部分徑向載荷，由中心體和6條支臂組成，并通過螺栓固定在定子機(jī)座上，同時在支臂末端通過防振支撐與機(jī)坑內(nèi)壁的基礎(chǔ)相連。

圖6 上機(jī)架和徑向支撐

高轉(zhuǎn)速大容量的懸式發(fā)電機(jī)上機(jī)架的主要問題點(diǎn)在于上機(jī)架的軸向和徑向剛度上。由于Q電站機(jī)組的飛逸轉(zhuǎn)速非常高，通過對軸系及上下機(jī)架的FEM解析計(jì)算，對上機(jī)架及徑向防振支撐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保上機(jī)架的水平和垂直方向的振頻均能有效避開機(jī)組的轉(zhuǎn)頻，避免上機(jī)架發(fā)生有危害的劇烈振動。

在針對有效減小徑向和軸向振動的對策上，上機(jī)架采用了盒形支臂及具有阻尼特性的徑向防振支撐，電站的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明發(fā)電機(jī)的運(yùn)行非常穩(wěn)定，各部位振動均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。關(guān)于高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)徑向防振支撐的重要性和結(jié)構(gòu)的發(fā)展動態(tài)下文有特別介紹。

（2）推力軸承

推力軸承共有10塊扇形瓦，由結(jié)構(gòu)簡單的彈性圓盤支承，彈性圓盤與瓦坯呈環(huán)型面接觸，可有效減少瓦面受力后的機(jī)械變形及熱變形的疊加。彈性圓盤和各推力瓦由工廠加工保證精度，現(xiàn)場不需作推力瓦受力調(diào)整及推力瓦刮瓦。

圖7 推力軸承

由于沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組的軸向水推力相對推力軸承的總推力負(fù)荷來說是非常小的，即啟動階段和運(yùn)行階段推力軸承的負(fù)荷變化很小，因此，推力軸承在啟動階段的運(yùn)行條件是很不利于油膜的形成的，故設(shè)置了高壓油頂起裝置，以確保推力軸承開停機(jī)階段的安全可靠運(yùn)行。

（3）推力頭

為了防止發(fā)電機(jī)軸電流的產(chǎn)生，采用了絕緣式推力頭結(jié)構(gòu)，即在推力頭部位設(shè)置絕緣來切斷軸電流回路，這種結(jié)構(gòu)的推力頭絕緣由于不受油霧污染，提高了可靠性，屬于終身免維護(hù)結(jié)構(gòu)。但這樣的絕緣結(jié)構(gòu)需要精心的制作和嚴(yán)格的品質(zhì)管理才能確保產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求。另外，設(shè)計(jì)上針對高轉(zhuǎn)速還充分考慮到了離心力等因素對絕緣緊量的削弱，進(jìn)行了準(zhǔn)確的熱緊量分析計(jì)算，避免這種削弱導(dǎo)致的推力頭內(nèi)外環(huán)的松動。

（4）導(dǎo)軸承

導(dǎo)軸承采用楔形板可調(diào)中心支撐結(jié)構(gòu)，瓦的背面有球面支承柱，該結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時能自動產(chǎn)生偏心。

針對沖擊式機(jī)組的多噴嘴運(yùn)行工況，導(dǎo)軸承載荷的計(jì)算還應(yīng)考慮噴嘴不對稱運(yùn)行時的最大橫向水推力，以確保導(dǎo)軸承的安全可靠運(yùn)行。

（5）潤滑油循環(huán)冷卻

推力軸承及上導(dǎo)軸承油槽的潤滑油采用了鏡板泵外循環(huán)方式，冷卻循環(huán)油的油壓由鏡板徑向斜孔產(chǎn)生，鏡板泵泵出的潤滑油冷卻上導(dǎo)軸承后，通過管路壓入外置的油冷卻器進(jìn)行冷卻，冷油再經(jīng)管路流回到推力軸承油槽，冷卻推力軸承。另外，在油槽內(nèi)還采取了有效的導(dǎo)油措施，以改善油的循環(huán)路徑，使推力瓦和上導(dǎo)瓦均能得到充分的冷卻。這種油循環(huán)由于是自泵方式，不僅提高了可靠性，還因無外加泵而簡化了設(shè)備及維護(hù)；同時油冷器采用外置式也簡化了油槽的結(jié)構(gòu)，油冷器的檢修維護(hù)也變得非常簡單方便。

另外，下導(dǎo)軸承則采用了內(nèi)置的蛇管冷卻方式。

3.2.4 上、下機(jī)架的防振支撐

對高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)來說，設(shè)置導(dǎo)軸承機(jī)架的防振支撐非常重要，這是提高上、下導(dǎo)軸承徑向支撐剛度的有效措施，尤其是Q電站這種臨界轉(zhuǎn)速要求特別高的水輪發(fā)電機(jī)組。

Q電站發(fā)電機(jī)采用了我們最新研制的阻尼式徑向防振支撐，該支撐所采用的阻尼材料具有高頻載荷下剛度大而低頻載荷下剛度弱的特點(diǎn)，因此，這種新型的阻尼式徑向防振支撐既能有效地承載導(dǎo)軸承的高頻載荷（主要為電氣和機(jī)械的不平衡力及偏嘴運(yùn)行工況下的水力不平衡力），也能阻尼軸承機(jī)架產(chǎn)生的超低頻載荷（主要為軸承機(jī)架溫度升高產(chǎn)生的熱膨脹力），換言之，該支撐的應(yīng)用既能確保軸系所需的高支撐剛度，也降低了徑向防振支撐所帶來的土建設(shè)計(jì)難度。

另外，新的支撐結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，特別適用于結(jié)構(gòu)緊湊的高轉(zhuǎn)速機(jī)組，提高了電站檢修維護(hù)的便利性。隨著Q電站的投運(yùn)，該支撐結(jié)構(gòu)得到了考驗(yàn)，現(xiàn)已推廣到更大容量的高轉(zhuǎn)速機(jī)組謝攀電站上應(yīng)用。

4 結(jié)論

Q電站水輪發(fā)電機(jī)是為數(shù)不多的設(shè)計(jì)難度高的機(jī)組，不僅在軸系、轉(zhuǎn)子、軸承、通風(fēng)及上下機(jī)架防振等方面需要克服超過設(shè)計(jì)限界的難題，還需要應(yīng)對諸如軸承有水飛逸無損運(yùn)行30min等苛刻的設(shè)計(jì)條件。

通過對發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、創(chuàng)新及導(dǎo)入新的分析驗(yàn)證手段來提高發(fā)電機(jī)的可靠性，避免了高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電機(jī)容易出現(xiàn)的上下機(jī)架振動偏大、軸擺度超差、轉(zhuǎn)動部件強(qiáng)度不足及軸承溫度和定轉(zhuǎn)子溫度過高等問題的發(fā)生。2臺機(jī)組投產(chǎn)后，發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，各性能參數(shù)、溫度及振動等指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范及合同要求，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以為更高轉(zhuǎn)速、更大容量的水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)提供借鑒。