巨型水轮发电机结构特点

杨开黎，王岩禄

（水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

巨型水轮发电机结构特点

杨开黎，王岩禄

（水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

巨型水轮发电机一般额定转速较低，转动部分的重量和结构尺寸较大，因此发电机结构选型和设计工作非常重要。本文介绍了立轴半伞式密闭自循环全空冷三相凸极同步巨型水轮发电机结构特点，主要包括巨型水轮发电机定子、转子、推力轴承和下导轴承、下机架、轴承冷却系统等。对巨型水轮发电机的设计具有一定指导意义。

巨型水轮发电机；结构；特点

0 前言

自1998年开始引进巨型水轮发电机技术，2003年开始独立设计、制造三峡右岸700MW世界尺寸最大、推力负荷最大(5560t)的水轮发电机以来，已相继完成龙滩、拉西瓦、小湾、溪洛渡、向家坝等多台巨型水轮发电机的设计制造工作。完成了引进、消化、吸收和再创新的过程。

巨型水轮发电机主要结构部件的设计是保证机组安全稳定运行的重要保障。

1 巨型水轮发电机

典型巨型水轮发电机如表1所示。

2 发电机总体结构

典型立轴半伞式密闭自循环全空冷三相凸极同步发电机总体结构，如图 1所示。发电机主要部件包括：定子、转子、上机架、上导轴承、下机架、推力轴承、下导轴承、空气冷却器、埋入基础、制动系统、灭火系统、盖板、油水管路、辅助接线等必要的辅助部件。

表1 典型巨型水轮发电机

2.1 定子

定子装配由定子机座、定子铁心、定子绕组及铜环引线等部分组成，如图2所示。

定子机座为钢板焊接结构，由多层环板、多个垂直的斜立筋、筋板及外壁组成。定子机座均为分瓣结构，厂内预装，工地组装拼焊。斜立筋机座能够适应铁心的热膨胀。定子机座的下环板为大齿压板。定子机座斜立筋下端与基础连接，连接处有销钉和螺栓紧固；上端与上机架固定。

图1 发电机总体结构

定子铁心由冷轧无取向硅钢片冲片叠成。铁心叠片后用穿心螺杆压紧，穿心螺杆与铁心间设有绝缘套管，压紧螺帽下垫有蝶形弹簧垫圈。定子铁心首末两段叠片用粘接胶粘成整体，以增强刚度，减小振动和降低损耗；齿压片选用无磁性钢材料。定子铁心采用双鸽尾的定位筋固定于定子机座上。

图2 定子装配

2.2 转子

转子装配，由顶轴、转子支架、主轴、磁轭、磁极和集电装置等部件组成，如图 3所示。顶轴材质为锻钢20SiMn，顶轴与转子支架用螺栓连接，销钉定位，止口辅助定位，顶轴上部安装有集电环。主轴材质为锻钢20SiMn。主轴与转子支架用螺栓连接，销套定位并传递扭矩，止口辅助定位。

图3 转子装配

转子支架为圆盘式斜立筋钢板焊接结构，由中心体和多个外环组件组成。外环组件与中心体在工厂内进行预装，在工地组圆焊接。中心体由上法兰、下法兰、中心圆筒、内部径向垂直筋板及外部垂直斜筋板等部件组成。每个外环组件由上环板、下环板和垂直斜筋板等部件组成。

磁轭由高强度薄钢板叠成，分为上下两段,每段上下两端均设有压板，用拉紧螺杆拉紧，各自形成一个整体。磁轭和转子支架之间采用径、切向复合键连接结构，复合键可以承担磁轭的径向紧量作用力和切向扭矩。

磁极由磁极铁心、磁极线圈组成。铁心由冲片叠成，两端设有磁极压板，用拉紧螺杆压紧，铁心设有阻尼绕组。磁极线圈由带散热翅的铜排四角焊接而成。磁极中部有极间撑块，承受线圈侧向力，以减小线圈侧向变形及应力。

2.3 推力及下导轴承

根据厂房布置及轴系稳定性情况，巨型机组的推力轴承和导轴承可以分为以三峡、溪洛渡等电站为代表的推导组合结构（图4）和以龙滩、拉西瓦等电站为代表的推导分开结构（图5）。

推力轴承采用小支柱双层瓦结构，可以有效控制瓦面的变形（图6）。托盘位于推力瓦与支柱之间，可以起到减小轴瓦变形和避免应力集中的作用。

图4 推导组合结构

图5 推导分开结构

图6 弹性小支柱

支柱顶面为球面，中间一段M80的螺纹与支座相连，通过M80的螺纹来调节支柱的高度。支柱中心加工有通孔，孔内设有测量杆，可调节瓦的载荷。

2.4 下机架

下机架为负荷机架，包括中心体和径向支臂，用优质热轧钢板焊接而成。支臂与中心体在厂内进行预装，在工地进行组焊。在中心体的外壁上开有窗口，便于检修推力轴承瓦。下机架的末端与基础连接。下机架不仅承受机组转动部分重量和水推力等组合载荷，同时还承受下导轴承的径向负荷。

对于特大型机组，下机架轴向挠度应控制在5mm以内。同时下机架的结构还应考虑运输的限制和更好地传递径向负荷。因此下机架一般设计成辐射型分体结构。

机组承重机架（下机架）的轴向挠度统计值见表2。下机架的轴向变形一般发生在推力轴承支撑直径上，如图 7所示。因此在设计时该处环板的厚度一般选定约 120mm，在环板下面设置了支撑锥体和筋板。较高的机架有利于提高机架的轴向刚度。

表2 承重机架的轴向挠度

2.5 轴承冷却系统

由于巨型机组的推力负荷普遍在2500t以上，其推力轴承损耗大，超过500kW。推导复合轴承的轴承损耗更大。常规的推力轴承内循环润滑冷却方式无论从油槽结构还是循环冷却效果，均无法满足机组的润滑冷却要求。因此，采用外循环冷却方式已成为巨型机组推力轴承冷却的共识。目前国内外主流的外循环冷却方式分别为：以龙滩电站为代表的外加泵外循环（图8）、以拉西瓦电站为代表的镜板泵外循环（图9）、以三峡右岸（哈电）和以小湾电站为代表的导瓦泵外循环（图10）。

图7 下机架受力图

外加泵外循环，主要特点是在润滑油循环回路系统中外加一组互相备用的电动油泵，作为循环动力，其余由冷却器、滤油器、压力表、流量显示器和阀门等元件组成。

图8 外加泵外循环

图9 镜板泵外循环

导瓦泵外循环，亦称导瓦间隙泵外循环。将导瓦进油侧加宽作为间隙泵的泵体。泵体表面是导瓦钨金的一部分，泵体部分比导瓦直径略大，即泵体表面距滑转子表面约1mm间隙。当轴承运转时，借助油的粘滞作用，将油带入间隙，油流受阻，压力增高。增压的润滑油可按导瓦数分别引到出油环管，再从出油环管引入油冷却器，进行热交换。

图10 导瓦泵外循环

4 结束语

随着国内巨型水轮发电机的陆续设计、制造、安装和发电，全面提高了国内主要发电设备制造厂家的综合实力，提升了发电设备设计和制造技术水平。由于巨型水轮发电机的主要技术参数和结构的特殊性，承担着机组全部转动部分负荷的推力轴承的选型设计，是决定机组能否安全、稳定运行的关键。哈电机公司作为国内发电设备的主要制造厂家，通过进一步强化对巨型机组设计技术的消化吸收已独立完成多个巨型水电项目的设计，为后续水电1000MW级机组的设计提供了可靠的技术依据。

审稿人：刘公直

Design Feature of Huge Hydro-generators

YANG Kaili, WANG Yanlu
（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

Normally, the huge hydro-generator has heavy rotating components, large structural dimension and low rated speed, so the type selection and structure design is very important. This paper presents the design features of vertical shaft semi-umbrella type enclosed self-circulating totally air-cooled three-phase salient-pole synchronous huge hydro-generator, including stator,rotor, thrust bearing and guide bearing, lower bracket, bearing cooling system and so on. It is useful for guidance of the huge hydro-generator design.

huge hydro-generator; structure; characteristic

TM312

A

1000-3983(2014)03-0026-04

2013-08-23

杨开黎（1967-），1990年毕业于华中理工大学电机专业，现从事电机控制工作，高级工程师。