水轮发电机转子改造设计

王　慧

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)



水轮发电机转子改造设计

王慧

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要通过对水轮发电机转子的性能进行分析，针对水轮发电机现场运转出现的问题，进行转子改造设计，包括轴、转子支架的优化设计、磁轭、磁极、制动系统、除尘系统、集电环和刷架，以及转子引线等。改造后的麻石电站1#水轮发电机转子结构设计合理，目前该机组已经发电，运行状况良好。

关键词水轮发电机；转子；转子支架；轴；磁极；磁轭

0引言

麻石水电站位于广西融水县大浪乡融江干流上，属低水头河床式电站。电站原设计装有三台轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量100MW，其中1#机组的水轮机转轮直径为5.3m，发电机单机容量为28MW，于1972年12月投产。2010年电站拟将1#机组的水轮机转轮直径由5.3m改扩为5.5m，发电机容量由28MW改扩为36.5MW，机组部件全部更新，发电机基础不变。本文着重就1#水轮发电机改造转子部分的结构设计进行介绍。

1发电机的主要数据

型号：SF36.5-56/9000；额定容量：42.941MVA；额定功率：36.5MW；额定电压：10.5kV；额定功率因数：0.85(滞后)；额定频率：50Hz；相数：3；额定转数：107.1r/min；飞逸转速：305r/min；接线方式：Y；推力负荷：730t；GD2：8500t-m2；旋转方向：俯视顺时针；冷却方式：密闭自循环空气冷却。

2转子总体结构

麻石1#改造水轮发电机为立轴半伞式密闭自循环空气冷却三相凸极同步发电机(见图1)。发电机转子外径为φ8436,重量为200t。主要部件包括：顶轴、主轴、转子支架、磁轭、磁极、集电环、刷架、转子引线、制动系统、除尘系统、励磁电缆等。

2.1轴

发电机采用三段轴结构，机组轴系由发电机顶轴、转子支架中心体、发电机主轴和水轮机主轴组成。主轴和顶轴材质均为锻钢20SiMn。轴系有足够的刚强度，满足第一阶临界转速至少为飞逸转速的125%的合同要求，同时也满足对轴系振动、摆度及制造厂内精加工的要求。顶轴和转子支架采用螺栓连接，转子支架中心体和主轴采用带销段的销螺栓连接。顶轴上热套滑转子，滑转子与顶轴之间设有3mm厚的绝缘层，可阻断轴电流的通路。

2.2转子支架

转子支架为圆盘式焊接结构，由中心体和外环组件组成。中心体为整体，由于运输条件的限制，外环组件分为4瓣，厂内与中心体预装，在工地组焊成整圆。

根据改造合同规定“转子支架为圆盘式全焊接结构，分瓣运至工地组焊，焊后无需处理，并应尽量减少在现场的安装工作量”，对麻石改造项目水轮发电机转子支架进行了优化设计。

目前圆盘式水轮发电机转子支架一般采用均匀分瓣结构。麻石有56个磁极，考虑运输等条件限制，一般做法是将转子支架分为14瓣，每瓣对应4个磁极，即使用14对立筋。结构如图2所示。

通过分析及强度计算，认为可采用不均匀分瓣结构，将转子支架分为12瓣，这样可减少2对立筋，从而减少2对磁轭键及其它相关零件。并且可减少工地外环组件合缝焊接工作量。不均匀分辨转子支架结构图见图3。

采用不均匀分瓣减少了立筋数，对应的磁轭主键、副键及卡键和护板等的零件个数也相应减少，降低了零件加工成本。同时，麻石改造项目采用径向、切向复合键结构，需要到工地配刨副立筋，副立筋加工精度要求较高，难度较大。采用不均匀分瓣可减少工地配刨副立筋数量。另外由于不均匀分瓣结构瓣数减少，这样也减少了工地外环组件合缝焊接工作量，节省了焊料，并减少了安装工期。

2.3磁轭

磁轭由上磁轭压板、下磁轭压板、磁轭冲片、拉紧螺杆和螺母等组成。磁轭冲片由4mm厚的高强度优质热轧钢板WDER345制成，用拉紧螺杆和螺母拉紧，形成一个整体。磁轭是发电机GD2以及通风系统的重要组成部分，磁轭采用通风沟加通风隙结构，设有5道40mm高的通风沟，为通风系统提供足够的风量。磁轭与转子支架采用径向和切向复合键连接结构。通过磁轭凸键、磁轭副键和热打键垫片保证磁轭和转子支架间的径向配合力，使得磁轭满足分离转速的要求，而且在径向方向可以自由热胀，同时磁轭凸键和磁轭副键的紧量配合保证转子支架和磁轭可以有效的传递扭矩。

磁轭下部的制动环，通过磁轭拉紧螺杆把合在磁轭压板下部，制动环为分块结构，散热性能较好，易于拆卸。此结构是经实践证明的具有成熟的设计和运行经验、能长期安全、可靠运行的结构。

磁轭压板在位于磁极极间的位置开螺孔，用来固定极间挡风板，避免了通常使用的在极间焊支撑块来固定挡风板的结构见图4。

2.4磁极

磁极主要由磁极铁心、磁极线圈、极身绝缘及阻尼绕组等组成。磁极铁心由磁极冲片、磁极压板、磁极铁心拉杆等零件组成。磁极冲片材料为1.5mm厚的WDEL250。叠装的磁极冲片通过磁极压板以及磁极铁心拉杆把合成整体。通过计算，磁极压板采用了Q345B焊接式结构 ，磁极通过T尾与磁轭上对应的键槽挂接。

磁极线圈为带散热匝铜排四角焊结构，F级绝缘和上、下绝缘托板一起通过热压的方式形成整体，绝缘托板不许互换。线圈匝间垫有厚度为0.4mm的间苯二酚环氧浸渍玻璃坯布HEC52406A，绝缘托板材料为环氧玻璃坯布压制件。磁极线圈的绝缘材料能够承受机组各种工况产生的力，而不产生有害变形。

磁极上设有纵、横阻尼绕组，由阻尼条、阻尼环和阻尼环连接片组成。阻尼环连接片用多层0.5mm厚的薄铜板制成，外形似ψ的弹性连接结构，在外力作用下，ψ型的连接可以产生一定的弹性变形，因此可防止因振动和热胀而引起的断裂，并且方便拆卸和更换。磁极极间驱动端和非驱动端各设有极间旋转挡风板，减少端部的漏风，保证顺畅的冷却风路，见图5。

2.5制动系统

发电机设置8个φ220单活塞制动系统，采用气压制动和气压复位以及油压顶转子。制动时气压为 0.5～0.7MPa， 额定工作气压为0.7MPa。制动器同时起到千斤顶的作用，在安装、检修和起动前，将电动试压泵中的高压油注入制动器，从而将机组转动部分顶起。顶起转子时油压为10MPa。顶转子最大高度为15mm，制动器最大行程为40mm。在行程范围内，制动器能够停在机组检修时需要的合适位置，顶到合适位置后，可以撤掉油压，采用制动器自带的机械锁定装置进行锁定。

在发电机停机过程中,当转速降低到额定转速的20%时，应对发电机转子进行气压制动，使其快速停机，以免推力轴承低速运行时油膜破坏导致瓦面烧损。制动器布置在发电机转子磁轭制动环下方，基座支撑在下机架支臂上，圆周均匀分布。

2.6除尘系统

2.6.1制动器除尘装置

在制动过程中，制动环与制动块将发生摩擦，产生制动粉尘。通过设置制动器除尘装置，可除去制动粉尘。制动吸尘器放置在下机架基础上，吸尘装置具备手动和自动两种方式。

2.6.2碳粉除尘装置

机组运行过程中，集电环和刷架的摩擦将产生碳粉颗粒，碳粉颗粒容易随着风路污染定、转子，因此需要设置碳粉除尘系统。碳粉除尘系统包括控制箱，过滤网，管路等必要设备。碳粉吸尘器放置在上盖板之上。吸尘装置具备手动和自动两种方式。

麻石电站原机组没有碳粉除尘装置，导致碳粉直接进入发电机通风系统。改造后的碳粉除尘装置为在吸尘罩底部均匀引出8根橡胶管，然后接到吸尘环管上，从该环管上引出一根管接至吸尘器。改造后的碳粉除尘系统除尘效果良好，得到用户的肯定。

2.7集电环和刷架

集电环通过键和小紧量热套配合的方式固定在顶轴上，且位于顶罩内部，集电环采用F级绝缘。集电环安装后最大摆度不超过0.5mm。 刷架装配保证在机组运行时，可以观察碳刷磨损情况。刷握采用可带电拆卸恒压刷握。每极电刷数量为18个，每台机使用36个电刷。额定励磁电流1148.7A，电刷电密0.07977A。

2.8转子引线

转子引线从集电环开始，经过顶轴槽、转子支架、磁轭，最终和磁极线圈的引出线连接。在顶轴上互成100°的位置开槽，转子引线连接集电环后，穿过顶轴上的槽，并通过槽楔固定，然后在转子支架上用线夹和支架固定。转子引线线夹处包绝缘，使结构简单，并且能保证安全稳定运行要求。

3结语

改造后的麻石电站1#水轮发电机的总体结构设计合理，目前该机组已经投入发电，运行状况良好。通过对麻石1#水轮发电机改造的结构设计进行深入分析和计算，并且对局部结构进行优化，从而确保该机组能够长期安全稳定运行。

参考文献

[1]白延年.水轮发电机设计与计算.北京：机械工业出版社，1982.

[2]于洪波，赵海军.溪洛渡水轮发电机转子的安装.防爆电机，2014.

[3]明野.水轮发电机磁极线圈温升偏高分析.防爆电机，2013.

[4]李兴平.阿海电站水轮发电机转子现场安装工艺研究.上海大中型电机，2012.

[5]朱洪雷.水轮发电机磁极线圈匝间短路检查及处理.防爆电机，2012.

[6]许春家.正压型防爆电机的防爆原理与设计[J].防爆电机，2008.

[7]历锐.正压外壳型电机保护系统相关介绍.防爆电机，2011.

DesignonModifiedRotorofNo.1Hydro-GeneratorofMashi

HydropowerStation

Wang Hui

(HarbinElectricMachineryCompanyLimited,Harbin150040,China)

AbstractAccording to performance analysis for rotor of hydro-generator, reformation designs of rotor are taken due to problems occurred during operation of the hydro-generator, including optimal designs for shaft, rotor spider, magnetic yoke, magnetic pole, braking system, dust removal system, collecting ring, brush holder rocker and rotor leads. After the reformation, rotor structure design of No.1 hydro-generator of Mashi Hydropower Station is reasonable. So far, generator sets have started to generate electricity and run very well.

Key wordsHydro-generator；rotor；rotor spider；shaft；magnetic pole；magnetic yoke

收稿日期：2015-11-01

作者简介：王慧女1984年生；毕业于华中科技大学，现从事水轮发电机的设计工作.

中图分类号：TM312

文献标识码：B

文章编号：1008-7281(2016)01-0042-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.13