新疆下坂地电站发电机转子结构设计分析

陈玉玲

（东方电气集团 东风电机有限公司，四川 乐山614000）

1 电站简介

新疆下坂地电站位于新疆喀什地区库尔干河中上游，是我国海拔最高的水利枢纽工程之一，担负着塔里木盆地西南部春季供水,生态补水和发电等综合功能。安装三台单机容量50MW 的水轮发电机，总装机容量150MW。

2 发电机主要技术数据

3 转子结构设计分析

新疆下坂地电站发电机属于典型大容量高转速混流式机组，在国内外均有较大设计难度，该机组不但对转动惯量有较高要求，而且机组转动部件设计更具有挑战性，直接影响着机组的整体性能。

3.1 定子铁芯内径选择分析

定子铁芯内径的选择是发电机方案设计的关键点之一。若铁芯内径偏大，在飞逸转速时，磁极与磁轭的应力难以满足强度要求；若铁芯内径偏小，不但转动惯量无法满足，磁极极间距较小，而且不利于发电机的通风冷却，线圈无法侧向固定也存在较大难度。

同时，定子铁芯外径选择对转子磁轭结构型式也有一定的影响。铁芯外径偏小，磁轭与主轴之间的距离将变小，虽然可采用磁轭整体热套在主轴上的结构，但该结构却不利于采用无风扇结构，影响机组性能。

因此针对下坂地机组采用无风扇结构的要求，综合转动惯量及应力要求，最终确定定子铁芯外径4500mm。

3.2 磁轭冲片叠装方法分析

因为机组采用无风扇径向通风方式，所以转子采用圆盘式支架结构，而磁轭冲片在工地叠装于支架上。磁轭的叠装方式有多种，计算分析如下：

3.2.1 磁轭相错1/2 个极距叠法分析

设计过程中合理地选择磁轭叠装方法, 将会直接影响磁轭强度和拉紧螺杆受力情况是否满足设计要求。应力增大系数β 是用来衡量不同叠片方式对磁轭断面应力的影响。

Z1——每张冲片的极数

Z2——相邻两层冲片错开的极距倍数

n ——单元磁轭任意接缝断面上的冲片的接缝数

磁轭的平均拉应力

Fe——磁轭的离心力

Fp——磁极的离心力

δ——磁轭冲片的厚度

Nt——磁轭冲片总层数

Bmin——磁轭冲片最小径向宽度

磁轭拉紧螺杆和销钉的平均剪应力：

m1、m1——每极螺杆数和定位销数

d1、d2——每极螺杆和定位销的直径

若按常规叠装，Z1=2，采用层间相错一个极矩，应力增大系β1=2/(2-1)=2。每张冲片切向力由一个极距内螺杆承受：

磁轭的平均拉应力为：σ=5800kgf/cm2

螺杆所受剪应力：τ=262.5kgf/cm2

若采用层间相错1/2 个极距的冲片设计，则β2=4/(4-1)=4/3，每张冲片切向力由1/2 个极距内螺杆承受：

磁轭的平均拉应力：σ=4351kgf/cm2

螺杆所受剪应力：τ=525kgf/cm2

对比上述两种方式可知，层间相错1/2 个极距的冲片设计方式可使磁轭平均拉应力减小33.35%，磁轭拉紧螺杆剪应力增加一倍，对磁轭冲片强度要求明显降低。磁轭冲片选用国产高强度磁轭钢板WDER600，磁轭拉紧螺杆选用冷拉圆钢35CrMo 即可满足设计要求。

由于采用层间相错1/2 个极距叠法，在设计时螺孔既要以磁极中心线对称布置，又要以两极之间的中心线对称，为满足上述条件，采用了两种磁轭冲片，其中第二种冲片[图1（b）]的两边端线是第一种冲片[图1（a）]双T 尾的中心线。

图1 磁轭冲片图

3.2.2 复合冲片叠法分析

因为机组完全采用径向通风、定子端部回风方式，为了增大径向通风量，所以采用复合冲片双向反复叠装方式，将3张磁轭冲片组合成一张厚冲片（如图2）。此种叠装方法可使磁轭冲片接缝处形成的通风沟截面积不变，每个通风沟截面积增大了3 倍，减小了风阻，改善了通风效果。同时，磁轭冲片的正、反向叠法还保证了磁轭的整体性，防止机组在运行过程中磁轭冲片可能出现的螺旋形位移，提高了发电机的运行性能。

图2 复合冲片叠法示意图

3.2.3 塔形向心磁极冲片分析

为了改善机组的径向通风效果，提高运行性能，磁极采用塔形向心磁极冲片，不但可增大磁极极间根部距离，而且转子旋转时磁极线圈产生的离心力全部由磁极铁芯的极靴承受，线圈不需要设置侧向固定装置，有利于发电机的通风冷却，增强机组的运行安全可靠性，同时满足机组转动惯量的要求。

4 发电机转子结构特点分析

4.1 总体布置分析

发电机转子由主轴、支架、磁轭和磁极组成，如图3 所示。

图3 转子结构图

4.2 转子支架结构分析

转子支架采用了圆盘式转子支架，由轮毂、上、下圆盘、撑板和7 个大立筋焊接而成，转子支架与主轴在工地热套为一体。

4.3 磁轭结构分析

转子磁轭由上、下压板、磁轭冲片、制动环组成。磁轭采用WDER600 高强度钢板经激光切割而成磁轭冲片叠装而成，冲片两端留有较大的通风沟，另外沿磁轭轴向高度设置6个通风沟，以确保发电机通风冷却风量。在磁轭下端装设分块的、可拆卸的制动环。通过磁轭拉紧螺杆将其固定在磁轭上。同时在制动环与磁轭间设置不同厚度的垫片，用以调整制动环的水平。磁轭与转子支架通过径切向复合键联接固定（如图4）。

在径向键(凸键)与转子支架立筋键槽之间可加垫以确保径向紧量，切向键为两个小键，它可以补偿支架立筋键槽与磁轭之间产生的公差，保证磁轭与转子支架在各种转速下同心，不会产生切向位移。

在磁轭的上、 下端设有旋转式挡风板，旋转挡风板采用非磁性材料。

图4 磁轭径切向键结构图

图5 磁极结构图

4.4 磁极结构分析

磁极由磁极铁芯、 磁极线圈和阻尼绕组等组成，如图5所示。磁极冲片由2mm 厚的WDEL450 钢板冲制叠压而成，采用6 根φ36 的穿芯拉杆紧固； 设置9 根φ18 的阻尼条，为了适应较高的离心力，将阻尼环设置在磁极压板和磁极冲片之间，既提高了阻尼环的强度，又缩短了磁轭的长度；磁极线圈由矩形直铜排四角焊接而成，设有散热匝，大大的提高了线圈的散热能力，有效的降低了转子温升。磁极采用双T 尾，通过磁极键与磁轭固定。

5 结束语

本文分析了发电机转子磁轭冲片叠法，塔形向心磁极、带散热匝的焊接式磁极线圈、旋转挡风板等新结构、新技术，并将其运用于生产制造过程中，首台机组也于2009 年成功投运发电，运行结果表明，转子结构设计及总体布局是合理的，机组各项性能指标均满足合同要求。

［1］白延年，主编.水轮发电机设计与计算[M].北京：石油工业出版社，2007.