大型水轮发电机关键技术问题研究

周旭明

摘 要：随着社会经济水平不断的提升，在很大的程度上推进了电力行业的发展，对于电力来讲其最关键的来源就是依赖于火力及水利。本文分析了大型水轮发电机的定子及转子等相关方面，并提出了实用性技术提升策略。

关键词：大型水轮发电机；定子铁芯；推力轴承

中图分类号：TM312 文献标识码：A

中国有着丰富的水资源，是水电行业发展的基础。随着诸多大型水利工程的建成，有效的推进了我国水电发展，对应的水电机组不断的朝向大型及超大型发展。根据国内水利发电工程学会相关统计资料显示，到2020年，国内的700MW水轮发电机数目将会超出150台。大型水轮发电机具备非正常停机损失大、定转子额定电压较高以及发电机定子绕组的中性点引出方法极多等自身特点。

一、大型水轮发电机技术问题分析

如图1所示，定子铁芯受力简示图。

1 定子铁芯热膨胀

随着国际科学技术的不断发展，对应技术较为先进的国家，水轮发电机单机容量逐渐扩大，其对应定子铁芯的直径也是持续增加，由最初的几米持续发展至十几米，或者说还有超过20m的。相对直径在成倍的提高，紧接着其铁芯温升所产生的对应径向尺寸的膨胀量是在飞速提升，铁芯以及机座之间的温差所出现的径向尺寸过量也随之提升。水轮发电机定子铁芯，其铁芯的温度升至为50℃时，那么铁芯径向膨胀就会达到11mm，铁芯以及机座温差是20℃时，那么其铁芯以及机座的半径方向过盈量就大概会是2mm，进而促使定子铁芯因为其受到了机座径向压力而存在极大的切向应力。

2 定子铁芯压紧质量

在实际运作过程中，大型水轮发电机尽管其机座能够自由伸缩膨胀，对应的铁芯轴向单位相关面积压力会大幅度下降，对应的定子铁芯就会出现翘曲的情况。要是其机座并不是全部膨胀，其对应的单位压力面积承受压力会保持在10kgf/cmZ之下，这时其对应定子铁芯也还是会极有可能存在翘曲情况。

3 定子铁芯分瓣

定子铁芯的结构是分瓣状的，关于定子铁芯的装配，应重视其铁芯合缝位置会受到分布不均匀以及很难预测的对应挤压力，该挤压力对定子铁芯会造成不良的影响，这样就在很大的程度上加剧了翘曲情况的出现。导致定子铁芯在受到相关的力之后出现形变以及振动、损坏等。

4 转子支架刚度及圆盘形结构

水轮发电机转子对应支架的结构形式一般是根据其发电机容量以及转速和尺寸、运输条件等相关条件来合理选定。通常在中型及小型或者是高速水轮发电机上利用较为简单的圆盘式或者是无支架转子结构。对于大型水轮发电机来讲，其因为会受到相关运输条件的制约，一般会利用中心体以及支臂装配组合形成支臂式的转子支臂。关于其对应容量以及尺寸非常大的水轮发电机，近年来，国内通常使用的发电站装配以及拼焊，大多都是多层圆盘式转子支架。

二、大型水轮发电机关键技术改善

1 水轮机模型转轮水力设计

水轮机的最关键部件就是转轮，其相关性能直接关系着对应发电机运作经济性以及安全性、稳定性。关于水轮机模型转轮水力性能设计，国内外的研究差距很大，很多有关项目对应转轮是使用国外引进的相关技术，其自开发转轮效率大约是95%，国外所引进的转轮效率能够达到94%以上。国内很多较大型工程有效的引进了三维粘性流体数据库为其最主要的基础，再合理运用其对应实验技术以及相关模型制造水平的不断提升，国内在很短的时间内关于模型转轮水力设计，跟上了世界的先进水平。

2 大型水轮发电机推力轴承技术

大型发电机最关键的构成部分就是推力轴承，其对应的设计以及制造技术是不是最优化会直接关联到水轮发电机的安全可靠运作。想要合理的对其进行优化，就应该注重其结构以及性能参数，以便于有效提升运作的可靠性。有关企业对其投入了大量的人力物力进行全方位的分析研究。自主开发水轮发电机推力轴承的热弹性流体动力的润滑性能相关计算分析软件，构建了三万吨的对应推力轴承试验台，该实验是现今世界上相关运作中最大推力轴承试验台。相关的实验室研究结果也在很多较大的水电站对应推力轴承运作实测过程中展开了一定程度的对比，以便于有效健全和提升推力轴承设计以及制作技术和测试技术。这些相关的工作也为水轮发电机的推力轴承设计以及制作工艺积累了相当的经验。

3 大型水轮发电机转子接地保护方式

大型水轮发电机组的额定转子电压通常是较高的，可以超出500V，在强励时是最高的，并且还伴随着非常显著的交流分量，这时直接性的将其取出的危险性极高，并且其对应电缆更不好选择。我国的很多较大型水电机组在进行工程设计时大都是利用转子接地保护和失磁保护，并运用转子电压测量对应附件再就地安装在相关的励磁体系之内，把较大功率的电阻安置在相关励磁体系屏柜之内，其对应转子电阻在分压之后会长距离的接进发电机的保护屏柜中，这时转子的接地保护功能就会在发电机的屏柜之内很好的实现。

大型水轮发电机的机组转子接地保护应该合理的就地安置在对应励磁体系室内，其失磁保护需要的相关电压最好是通过变送器之后再接进发电机的保护设备上，这样能够合理避免掉其高压电缆存在长距离引线，在很大程度上简化了励磁回路并节约了长距离进行高压控制的电缆费用。

4 大型水轮发电机定子绕组主绝缘技术

有关公司关于定子绕组的地主绝缘是应用了F级的桐马环氧玻璃粉云母系统，其电机的主绝缘结构以及防晕结构和对应绕组槽部、端部的相关固定结构与各类绝缘材料，总体上来讲均是都实现了国产化，并且国产的相关绝缘材料性能均是达到了国际化水平。线棒是多胶带连接式包扎以及其外包防晕带绝缘结构，运用对应加热横压来进行固化，以致其能够一次成型，其对应线棒的尺寸应该是统一的，且要具备较好的互换性。该F级桐马环氧玻璃粉云母带的绝缘运作经验极为丰富以及对应水电站不同电压等级的较大型水轮发电机和其相关的出口機组之上。

5 大型水电机组结构刚强度分析技术

经过国内外诸多企业的相关设计，其关键器件刚强度性能展开大量有限元分析以及比对，也找出了不同企业对于同一个器件的设计差异。关于其结构拓扑以及几何形状和板厚尺寸等展开了系统化的分析，找出其关联机组器件刚强度的关键因素，对部件的设计进行的全方位的深刻认识，形成了一定的结构模式，再运用其对应参数来实现建模，有效达到结构的优化及分析过程自动化。其对应的运用变量分析技术定量分析出对应主参数，并给设计师所需要的相关设计曲线，进而给结构改善及创新提供参考。运用尺寸以及形状充分结合优化技术，能够合理的找出板厚的配置以及几何形状均是合理化的最优化结构。诸多水电机组结构器件优化设计均采用了相关研究成果，并得到了显著的效果。

结语

水轮机正常的运作状态下，其对应的定子铁芯会承受切向电磁扭矩以及相关轴向重力，还有在水轮机快速运作时其对应定子铁芯会存在一定程度的发热，机座以及铁芯均是不一样的运作情况，所以在温度不一样的状态下就会存在温差，对应的高温铁芯会出现膨胀以及其座机的制约，座机对于铁芯具备一个径向压力，和相关铁芯膨胀力刚好是相反的；以及其对应的定子铁芯会受到转子所具备的径向磁拉力，和分瓣定子会被拼为整圆形态以配合其铁芯共同进行运作。水轮机在运作时其铁芯会受到一定的热膨胀，致使总体铁芯对应缝合面会受到不一样方向所带来的挤压力，这样会导致铁芯出现损失的情况。因此，对大型水轮发电机关键技术问题进行详细分析研究是势在必行的。

参考文献

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