摘要：高轉（zhuǎn）速水輪發電機在設計和製造技術上都存在很大難度（dù），主要以某水電站80 MW-600 r/min 發電機為例介紹了高轉（zhuǎn）速水輪發電機的設計和製造特點,對（duì）該水輪發電機在定子、主軸（zhóu）、磁軛、磁極、軸承、機架、防（fáng）振（zhèn）支撐及通風係統等（děng）方麵的設計、製造及所采用的東芝先進技術進行了說（shuō）明。為（wéi）今後類（lèi）似水輪發電機的設計和製造提供借鑒。

關鍵詞：高（gāo）轉速水（shuǐ）輪發電機；結構設計；電磁設計]

0 前言

     該水輪發電機裝於寶興河流域梯級開發的龍頭水庫電站，電站采用引水式開發，地下廠房，工程任務為發電。電站廠址位於雅安地區寶興縣。電（diàn）站總裝機容量240 MW，裝設3 台單機容量為80 MW的（de）立軸混（hún）流式（shì）水（shuǐ）輪發電機組。該水輪發電機采用了（le）許多先進的水（shuǐ）輪發電機組（zǔ）設（shè）計和製造技術。本文將重點介紹該電站（zhàn）發電機設計和（hé）製造特點。

1 發電機（jī）主要技術數據

型號： SF80- 10/4160

額定容量： 88.89 MVA

額定功率（lǜ）： 80 MW

額定電壓： 13.8 kV

額定電流： 3 718.8 A

額定功率（lǜ）因數（shù）： 0.9(滯後)

絕緣等（děng）級： F/F ( 定子/ 轉子)

額定轉速： 600 r/min

飛逸轉（zhuǎn）速： 960 r/min

轉動慣量： ≥650 t·m2

額定勵磁電壓： 220 V

額定勵磁電（diàn）流： 807 A

通風（fēng）冷卻係統： 密閉循環、軸向風扇自循環

通風冷卻係統

2 發電機（jī）電磁設計

     電磁設（shè）計（jì）主要數據（計算值（zhí））如下：

     定子鐵心外（wài）徑4 160 mm；定（dìng）子鐵心內徑3 300mm；定子（zǐ）鐵心高度1 902 mm；縱軸同步電抗Xd (標幺值)1.044；縱軸瞬變電抗Xd’（ 標幺值）0.315；縱（zòng）軸超瞬變電抗Xd”（標幺值）0.187；短路比>1.0。

3 總體結構

      發電（diàn）機為立軸懸式、三相凸極同步發電機，采用密閉循環、軸向風扇自循環通風及空氣（qì）冷卻的形式。發電機主要由定子、轉子、上下機架、上下（xià）導軸承及推力軸（zhóu）承、製動和頂起係統、滅火係統（tǒng）、空氣冷（lěng）卻係統、自動化係統等組成。見圖1。

4 結構設計和安裝特點（diǎn）

4.1 定子

      定子由定子機座（zuò）、定子鐵心、定子繞組等組成。定子機座整體結（jié）構，鐵心疊裝和繞組下線在工地進行。

      發電機定子機座（zuò）為正12 邊形，機（jī）座（zuò）對邊尺寸為5 300 mm，機（jī）座高3 050 mm。機座設頂環、上（shàng）環、中環及（jí）下環（大齒壓板），環間沿圓周布置加強立筋、支撐管（guǎn）和導風板。定子機座內腔及大齒壓板（bǎn）在工廠加工。上齒壓板采用分塊式結構。上、下齒壓（yā）板的壓指及通風槽鋼均采用非磁性材（cái）料，以減小（xiǎo）漏磁損（sǔn）耗。定子機座（zuò）與基礎板采用徑向銷定位，允許定子機座受熱膨脹時徑向自由移（yí）動。

      定子鐵心由0.5 mm 厚的50W270 矽鋼片在現場（chǎng）疊（dié）壓、分段壓緊而成。定位拉緊螺杆采用特殊的與定位筋合為一體（tǐ）的結構。合適的鴿尾筋數量、適當的定子機座剛性結構（gòu），使（shǐ）定子鐵心能與機座同步膨脹而不會變形翹曲。

      定子繞組為雙層條式波繞組（zǔ）、2 支路星形（xíng）連接。繞組絕緣等級為F 級。定（dìng）子線棒采用槽內360°羅貝爾換位，以降低附加損耗和（hé）均衡線棒中股線間的溫差。上、下層線圈端頭采用分3 組對（duì）接銀焊的結構。

     4.2 轉子

      轉子采（cǎi）用單軸結構，由主軸、磁軛和磁極等部件組成（chéng）。轉子的設計充分考慮該機組高轉速的特點，各零部件的強度（dù）及剛度均（jun1）能得到保證。發電機主軸采用分段鍛造，再焊成一體的結構，材（cái）質為20SiMn；其中部與轉子磁軛在工廠熱套成一體；上部與推力頭現場套裝，通過卡環承受軸（zhóu）向負荷（hé），通過軸向鍵（jiàn）傳遞轉矩；主軸下側（cè）設滑轉子與（yǔ）下導軸承相配，下部法蘭（lán）與水輪機軸相連。

     磁軛采用高強度環形厚鋼板疊壓後焊成一體結構，在數控車床上精確加工內圓以及（jí）外周T 尾（wěi）槽。磁軛整體加工完成後（hòu）在工廠采用小過盈熱套在發電（diàn）機（jī）大軸上，一（yī）體運輸。磁軛與主軸通過周向均布的5 組T 型鍵傳遞扭（niǔ）矩，頂轉子（zǐ）時由（yóu）卡環軸向限位。這（zhè）種磁軛具有結構簡單，整體性好（hǎo），安裝方便等優點。磁極由（yóu）磁極鐵心、阻尼繞組（zǔ）及套於鐵心的磁極線圈組成。

      磁極（jí）鐵心由1.5 mm 厚的高強（qiáng）度薄鋼板疊壓而（ér）成，並用拉緊螺杆壓（yā）緊。鐵心設雙T 尾掛裝在磁軛上，可滿足高轉速下高應力的需（xū）要。磁極端板（bǎn）采用高強度厚鋼板焊接而（ér）成。磁極線圈由兩種寬度不（bú）同的半硬紫銅排焊接而成（chéng）。這種線圈由於表麵有凸出的散熱匝，可成倍增加（jiā）其散熱麵積,從而降低線圈的溫升，且線圈的形狀規整。線圈匝間墊以Nomex 絕緣紙，與銅排熱壓成一體。線圈對地絕（jué）緣除了極身絕緣外，在極身四周角部設置（zhì）角絕緣。磁極線圈上部除了設有上絕緣法（fǎ）蘭，還設有不鏽鋼滑動法蘭，以適應（yīng）磁極線圈熱膨脹作用下的滑（huá）動，防止匝間絕緣損壞；下部設有下絕緣法蘭和鐵法（fǎ）蘭。同時為了克服線（xiàn）圈（quān）在離心力作用下產生的側（cè）向分量，在極間設置3 組線圈支撐。詳見圖2。

     磁極采用雙T 尾掛（guà）裝方式。在磁極（jí）鐵心上下兩端T 尾（wěi）各打入一對（duì）短楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，並用壓板鎖（suǒ）定（dìng）楔形鍵，這種結構磁極鍵拆裝方便。轉子設（shè）有縱、橫阻尼繞（rào）組。阻尼環采用（yòng）銷子可靠地固定於磁極端板上，阻尼環連接采用軟連接，並通過非磁性拉緊螺杆可靠地固定（dìng）在磁軛上，以承受離心力的作用。磁極的上部極間引出線通過內穿（chuān）式下部引出，並采用與下部極間引出線相同的方式固定在（zài）磁軛上，以（yǐ）承受離心力的（de）作用。勵（lì）磁引線由銅排製成，通過布置在磁（cí）軛上端的勵磁引線及軸內勵磁引線沿發電機大軸接至集電環。

4.3 軸承（chéng）

      推力（lì）軸承及上導軸承布（bù）置在上機架中心體油槽內，分別承受機組軸向負荷和一部分徑（jìng）向負荷。推力頭與主軸采用熱套結構，推力頭在現場與鏡板用螺栓連接後，熱套於發電機（jī）主軸上。

      推力軸承采（cǎi）用東芝（zhī）典型支撐結構，推（tuī）力軸（zhóu）瓦由小（xiǎo）彈簧簇支撐（chēng），這種結構具有性能可靠、瓦間受力均勻、瓦變形小、抗傾覆能力強以及安裝維護方便等優點。推力軸承由9 塊扇形瓦組成。推力軸瓦采用塑料瓦。推力瓦支撐麵為麵接觸，可有效減小瓦（wǎ）麵的機械變形。支撐彈簧（huáng）和各塑料瓦由工廠加工保證精度，現場不需作推（tuī）力瓦（wǎ）受力調整。

      推力及上導軸承采用鏡板泵自（zì）循環外置油冷卻器冷卻的方（fāng）式，冷卻循環油的油壓由旋轉著的推力（lì）頭上（shàng）的（de）孔產生，油通（tōng）過油管進入（rù）油冷卻器冷卻後，再經油管回到油槽，冷卻推力瓦及上導瓦後再進入鏡板泵循環。此結構無需提供外加動（dòng）力，維護方便。

      上導軸承由為分塊瓦（wǎ）結構，瓦麵為巴氏合金。導軸承采用支柱（zhù）支撐結構，瓦的（de）背麵有（yǒu）球麵（miàn）支承柱，該結構在運（yùn）行時導瓦能靈活偏轉，導瓦支撐的調整具有方便、可靠、準確等優點。推力頭的外（wài）周（zhōu）麵（miàn）作為上導軸承瓦（wǎ）的摩擦麵。

      下導軸承也為分塊（kuài）瓦結構，瓦麵為巴氏合金，支撐結構與上導（dǎo）相同。下導軸承采用（yòng）內循環潤滑冷（lěng）卻方式，油槽內設兩個（gè）半環高效油冷器。導軸承支撐結構見圖4。

       4.4 機架

      上機架為負荷機架，采用整體焊接結構（gòu）。它由中心體和6 條支臂組成。中心體作為（wéi）推力（lì）及上導油槽使用。上機架用銷釘定位，並通過螺（luó）栓把合在定子機座上，上機架（jià）承受垂直負荷（hé），並經定子機（jī）座傳遞（dì）至基礎。上機架還承擔因（yīn）轉動部件的徑向機械不平衡力（lì）和徑向電磁不平衡力以及徑向的熱膨脹力，並通過切向防振支撐將徑向力轉為（wéi）切向力傳（chuán）遞至基礎（chǔ）。上機架的設（shè）計具有足夠的軸向和徑向剛度。

      下機架為上下兩圓盤式整（zhěng）體結構。中心體作為下導軸承的油槽使用（yòng）。製動器放置（zhì）在上圓盤支臂上。整個下機架（jià）通過連接板固定在下機架基（jī）礎上。下機架還承擔因轉（zhuǎn）動部件的徑向（xiàng）機械不平衡力和徑向電磁不平衡力，並通過徑向防振支撐傳遞至基礎。下機（jī）架具有足（zú）夠的軸向和徑向剛度，並（bìng）且結構上可以從定子鐵心內徑取出。

     4.5 防振支撐

      防振支撐的徑向剛度對軸係的穩定性非常重要，上機架防振支撐采（cǎi）用了（le）切向支撐結構，通過有限元分析（xī）計（jì）算整個上機架係統的徑向剛度。下防振支撐采用支柱式支撐結構，預（yù）緊力（lì）的（de）調整非常方便。下防（fáng）振支撐（chēng）彈性體為彈性板（bǎn）結構（gòu），這種結構在滿足徑向剛度要求（qiú）的同時還具有一定的彈性，能減輕機組的振動。

5 通風及冷卻係（xì）統

      發電機采用密（mì）閉循環，雙路軸向風扇，自通風冷卻方式（shì）。

     由於本發電機轉子尺寸小，轉子（zǐ）磁極本身產生的風量不能滿足冷（lěng）卻（què）要求。在磁軛上（shàng）、下兩端采用了風損小、風壓平穩、噪音小的軸向風扇（shàn）。

      定子機座外（wài）裝設6 隻空氣冷卻器。空冷器為（wéi）LTS 薄片脹管（guǎn）式空氣熱交換（huàn）器，該結構具有風阻（zǔ）低、傳熱效率高、用水量（liàng）少、清洗方便等優點。當一台空冷器退出運行時，能滿足發（fā）電機額定運行。

6 結（jié）束語

     該水輪發電（diàn）機是通過（guò）引進東芝在高轉速、大容量機組方麵的先（xiān）進技術及結合國內高轉速機組使用經驗的基礎上完成的。自2006 年12 月首台（tái）機組投運（yùn）以來，目前3 台水輪發電機均運行穩定，性能良好，發電機定轉子（zǐ）溫升，振動及擺度均滿足合同要求。為今後類似的高轉速（sù）、大容量水輪發電機的設計和製造提供借鑒。