巨型水輪發(fā)電機(jī)組定轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)淺析

朱晨陽，董鐘明，周玉國

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 引言

大型空冷式水輪發(fā)電機(jī)組擁有1 套完整的密閉循環(huán)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，主要由轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子磁極、轉(zhuǎn)子磁軛、空冷器擋風(fēng)板等部件共同組成，可以有效防止轉(zhuǎn)子與定子運(yùn)行過程中溫度過高，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

擋風(fēng)板是發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中的1 個(gè)重要部件，其安裝在發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子上、下方，主要作用是減少定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙處的漏風(fēng)量，從而增加通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的密閉性，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱風(fēng)基本全部通過空冷器進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷風(fēng)再次進(jìn)入轉(zhuǎn)子磁極、定子鐵心，降低轉(zhuǎn)子磁極、定子鐵心溫度。倘若擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)造成如下安全隱患：通風(fēng)冷卻無法充分循環(huán)、空氣間隙處漏風(fēng)過大，通風(fēng)效率低，從而導(dǎo)致定子鐵心、線棒溫度升高；擋風(fēng)板及其緊固螺栓可能斷裂，若進(jìn)入定轉(zhuǎn)子間隙，損壞定轉(zhuǎn)子，造成機(jī)組非正常停機(jī)。

2 巨型水輪發(fā)電機(jī)組擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)簡介

巨型水輪發(fā)電機(jī)組擋風(fēng)板一般安裝在上機(jī)架、定子、轉(zhuǎn)子、下機(jī)架、基礎(chǔ)等部件上，根據(jù)運(yùn)行方式不同，可將擋風(fēng)板分為兩種類型，即：旋轉(zhuǎn)式擋風(fēng)板和固定式擋風(fēng)板。根據(jù)擋風(fēng)板與轉(zhuǎn)子相對(duì)安裝位置不同，可將擋風(fēng)板分為上擋風(fēng)板和下?lián)躏L(fēng)板。

2.1 旋轉(zhuǎn)式擋風(fēng)板

旋轉(zhuǎn)式擋風(fēng)板主要由定子圍屏、定子擋風(fēng)板、轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板3 部分組成。定子圍屏、定子擋風(fēng)板均安裝在定子鐵心上下壓指上，轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板通過螺栓固定安裝在轉(zhuǎn)子磁極外側(cè)。該結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量要求較高，定轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板的間隙值、錯(cuò)牙及螺栓扭矩值均要求嚴(yán)格；受轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和機(jī)組振動(dòng)影響，定子圍屏、定子擋風(fēng)板易出現(xiàn)裂紋，連接螺栓易出現(xiàn)磨損甚至可能斷裂，斷裂螺栓對(duì)定子線棒將造成不同程度的損傷，存在很大的安全隱患。

2.2 固定式擋風(fēng)板

固定式擋風(fēng)板分為上下2 個(gè)部分，將轉(zhuǎn)子磁極、定轉(zhuǎn)子空氣間隙、部分轉(zhuǎn)子磁軛一起封罩，形成發(fā)電機(jī)通風(fēng)通道。擋風(fēng)板通過吊桿和壓塊螺栓固定，擋風(fēng)板之間通過組合縫螺栓連接，其重量主要由吊桿和環(huán)形工字鋼支撐。該結(jié)構(gòu)將發(fā)電機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)子磁極、定轉(zhuǎn)子空氣間隙及部分轉(zhuǎn)子磁軛封罩住，形成良好的通風(fēng)通道，具有通風(fēng)效率高、轉(zhuǎn)子上方螺栓等金屬不易掉入定轉(zhuǎn)子間等優(yōu)點(diǎn)。

3 巨型水輪發(fā)電機(jī)組定轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板通風(fēng)計(jì)算

3.1 通風(fēng)計(jì)算簡述

水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻技術(shù)不斷發(fā)展的根本目的，在于更有效地帶走發(fā)電機(jī)內(nèi)因各種損耗產(chǎn)生的熱量，從而控制發(fā)電機(jī)的溫升，提高發(fā)電機(jī)的安全性和效率。目前大容量機(jī)組都采用全空冷技術(shù)。由于空氣在電機(jī)內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性，以往借助實(shí)驗(yàn)手段校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。

通風(fēng)冷卻的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證必需的冷卻風(fēng)量；風(fēng)量分配合理，防止過熱；減少損耗，提高效率。全空冷是指定子鐵心、定子繞組、匯流銅環(huán)、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心均為空氣冷卻。目前大型水輪發(fā)電機(jī)基本上都采用無風(fēng)扇雙路端部回風(fēng)系統(tǒng)，冷卻空氣在轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)扇作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架入口，流經(jīng)磁軛風(fēng)隙、磁極極間、氣隙、定子徑向風(fēng)溝，冷卻氣體攜帶發(fā)電機(jī)損耗熱經(jīng)定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經(jīng)定子線圈端部進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，構(gòu)成密閉自循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)又可細(xì)分為固定擋風(fēng)板和旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板兩種結(jié)構(gòu)，它們的區(qū)別主要是在上下兩端空氣密封方式所采用的擋風(fēng)板固定方式有所不同，本文通過對(duì)兩種形式的擋風(fēng)板進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算對(duì)比，比較兩種擋風(fēng)板通風(fēng)效率。

3.2 擋風(fēng)板安裝方案

電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸不變，只改變擋風(fēng)板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算。

3.3 擋風(fēng)板通風(fēng)計(jì)算

3.3.1 計(jì)算方法及過程

我們根據(jù)機(jī)組的結(jié)構(gòu)，確定了計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，其中包括轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極的壓力元件及風(fēng)阻元件，定子入口、出口風(fēng)阻元件，冷卻器等風(fēng)阻元件。網(wǎng)絡(luò)中，在面積不變，損失系數(shù)與流體方向無關(guān)的情況下，對(duì)于等溫不可壓縮流體，壓力/流量方程可寫成：

其中V=m/pA

根據(jù)電機(jī)中的風(fēng)路特點(diǎn)，質(zhì)量流量與節(jié)點(diǎn)壓力的關(guān)系可寫成公式：

在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有若干個(gè)元件的網(wǎng)絡(luò)支路，可給出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量流量的和，建立線性方程用于建立矩陣，進(jìn)行求解。電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸不變，只改變擋風(fēng)板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 兩種擋風(fēng)板形式通風(fēng)計(jì)算結(jié)果

3.3.3 計(jì)算結(jié)論

電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸不變，只改變擋風(fēng)板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算，固定式擋風(fēng)板漏風(fēng)量較旋轉(zhuǎn)式擋風(fēng)板大大減少，降低了機(jī)組的通風(fēng)損耗，固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)在通風(fēng)計(jì)算中通風(fēng)損耗等方面優(yōu)于旋轉(zhuǎn)式擋風(fēng)板。

4 巨型水輪發(fā)電機(jī)組固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 原有固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)分析

固定式擋風(fēng)板分為上下兩個(gè)部分，將轉(zhuǎn)子磁極、定轉(zhuǎn)子空氣間隙、部分轉(zhuǎn)子磁軛一起封罩，形成發(fā)電機(jī)通風(fēng)通道。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下不足：

（1）擋風(fēng)板塊數(shù)多、重量大、聯(lián)接螺栓多，拆裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力、工作效率低，檢查維護(hù)周期長，給維護(hù)檢修工作帶來了很大的不便。

（2）在頻繁的拆裝過程中，擋風(fēng)板螺栓反復(fù)拆裝易出現(xiàn)螺栓損壞、預(yù)緊力不足、螺栓遺落在定轉(zhuǎn)子上等問題，擋風(fēng)板聯(lián)接對(duì)位過程中易出現(xiàn)敲擊、翹蹩擋風(fēng)板的現(xiàn)象，對(duì)擋風(fēng)板造成不同程度的損傷，存在一定的安全隱患。

（3）擋風(fēng)板整體頻繁拆裝易造成錯(cuò)孔、拼接困難、定位偏差等問題。

固定式擋風(fēng)板現(xiàn)有結(jié)構(gòu)拆裝難度大，效率低。需在原有固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)1 種利于檢修及快速拆裝的子母擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，便于擋風(fēng)板的拆裝，在定轉(zhuǎn)子等設(shè)備的維護(hù)檢查過程中，免去拆除整個(gè)擋風(fēng)板部件，省時(shí)省力、提高工作效率、消除螺栓斷裂等安全隱患、保護(hù)設(shè)備，縮短設(shè)備檢查維護(hù)周期。

4.2 原有固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在原有固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分為子母結(jié)構(gòu)，通過支持鋼管、螺桿、槽鋼等固定擋風(fēng)板，加強(qiáng)擋風(fēng)板的聯(lián)接強(qiáng)度，并且優(yōu)化擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，減少擋風(fēng)板數(shù)量，保證實(shí)現(xiàn)快速拆裝擋風(fēng)板，解決拆裝過程中存在安全隱患及相關(guān)技術(shù)問題，并且降低工作成本和縮短維護(hù)檢修工期，給維護(hù)檢修工作帶來很大的方便。

子母擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路如下：固定式擋風(fēng)板分為兩部分，其中擋風(fēng)板合縫位置在磁軛外圓第一排拉緊螺桿的位置處，子母擋風(fēng)板通過合縫螺絲聯(lián)接，母檔風(fēng)板一側(cè)通過支持鋼管、壓板固定，另一側(cè)通過工字鋼、螺桿、角鋼固定，支持鋼管固定在上機(jī)架支臂上；子擋風(fēng)板通過槽鋼加固，槽鋼兩端分別通過螺絲固定在螺桿和子擋風(fēng)板上。

圖1 長江流域某電站某機(jī)組子母擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）拆裝快速：在原有固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分為子母結(jié)構(gòu)，拆裝擋風(fēng)板只需拆裝子擋風(fēng)板即可，不用拆裝整個(gè)擋風(fēng)板的部件，實(shí)現(xiàn)了擋風(fēng)板的快速拆裝，節(jié)省工期，給維護(hù)檢修工作帶來了很大的便利。

（2）優(yōu)化過程：子母擋風(fēng)板拆裝過程簡單，優(yōu)化了整個(gè)拆裝過程，有效地消除了擋風(fēng)板拆裝過程中的損傷、擋風(fēng)板螺栓反復(fù)拆裝易出現(xiàn)螺栓損壞問題、抬放擋風(fēng)板出現(xiàn)跌落等安全隱患、回裝過程中錯(cuò)孔和拼接困難等技術(shù)問題。

（3）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定：該結(jié)構(gòu)簡單、便于間隙調(diào)節(jié)、安全穩(wěn)定、易于拆裝等優(yōu)勢(shì)。

（4）應(yīng)用空間廣泛：可普遍應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)及改造。

5 總結(jié)

本文通過對(duì)現(xiàn)有的長江流域電站巨型水輪發(fā)電機(jī)組典型擋風(fēng)板的結(jié)構(gòu)、通風(fēng)計(jì)算、優(yōu)化改造等方面的全面剖析，發(fā)現(xiàn)固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)較旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)漏風(fēng)量低、通風(fēng)損耗低，通過匯總梳理典型固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)在機(jī)組運(yùn)行檢修過程中發(fā)現(xiàn)的各種問題，積極透過問題尋找應(yīng)對(duì)策略，在原有固定式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化了擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，分為子母結(jié)構(gòu)，減少擋風(fēng)板數(shù)量，保證實(shí)現(xiàn)快速拆裝擋風(fēng)板，解決拆裝過程中存在安全隱患及相關(guān)技術(shù)問題，并且降低工作成本和縮短維護(hù)檢修工期，給維護(hù)檢修工作帶來很大的方便。

今后對(duì)擋風(fēng)板的研究可以從通風(fēng)循環(huán)效率，漏風(fēng)量，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是否易于檢修拆裝，材質(zhì)使用是否合理等方面進(jìn)行分析對(duì)比。設(shè)計(jì)合理的擋風(fēng)板應(yīng)首先考慮機(jī)組運(yùn)行時(shí)是否存在安全隱患，然后同時(shí)具備通風(fēng)循環(huán)效率高、漏風(fēng)量小、支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大、各連接螺栓不易發(fā)生斷裂、易于檢修等 優(yōu)點(diǎn)。