凯乐塔电站水轮发电机设计

2016-11-11张福芹李铁军

水电站机电技术 2016年7期

关键词：机座水轮磁极

张福芹，李铁军

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江杭州 310020）

凯乐塔电站水轮发电机设计

张福芹，李铁军

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江杭州 310020）

介绍了凯乐塔电站水轮发电机的结构形式和设计特点。对水轮发电机在定子、转子、轴承、机架及通风冷却系统等方面的设计进行了说明。为今后类似水轮发电机的设计提供借鉴。

水轮发电机；结构形式；设计特点

1 电站概述

凯乐塔水利枢纽电站位于几内亚共和国的西部，距离首都科纳克里公路里程180 km，电站位于孔库雷河下游一段河道较为宽阔处，以发电为主，正常蓄水位下水库库容为2 300万m3，拦河大坝为碾压混凝土重力坝，工程电站安装3台单机容量为78.2 MW的水轮发电机，总装机容量234.6 MW。大坝由挡水坝段、取水坝段、泄流底孔坝段和溢流坝段组成，坝长1 100 m，坝顶高程114.00 m，最大坝高22 m。取水坝段分三孔取水，设有拦污栅、快速事故闸门，后接引水系统。

2 发电机基本参数

型号：SF78.2-36/8150

额定容量：78.2 MW/92 MVA

额定电压：10.5 kV

额定电流：5 059 A

功率因数：0.85（滞后）

额定频率：50 Hz

额定转速：166.7 r/min

飞逸转速：450 r/min

绝缘等级：F/F（定子/转子）

励磁方式：可控硅静止励磁

额定励磁电压：250 V（125℃）

额定励磁电流：1 470 A

3 发电机结构设计

凯乐塔水轮发电机为立轴、三相同步轴流转浆式水轮发电机。结构型式为半伞式，即上导轴承布置在转子上方，推力轴承和下导轴承布置在转子下方的结构。采用密闭径向自循环的空气冷却通风系统。见图1。

图1 发电机剖面图

3.1 定子

定子由定子机座、定子铁心、定子绕组、汇流铜排等组成。

定子机座为正16边形，为方便运输，分成4瓣。机座对边尺寸9 300 mm，高2 240 mm，设有顶环、上环、中环及下环，环间沿周向布置加强筋、支撑管。定子机座与基础板间采用径向销定位，允许定子机座受热膨胀时径向自由移动。

定子铁心采用低损耗、无时效的优质冷轧高导磁薄硅钢片50W250冲制而成。冲片双面涂F级绝缘漆以减少涡流损耗。铁心外径为8 150 mm，内径7 380 mm，高度1 250 mm。定子冲片在工厂交错叠装于4分瓣的定子机座上，现场通过机座合缝板用螺栓把合成整体。铁心压紧采用分块式上齿压板加下部大齿压板结构，依靠双鸽尾筋精确可靠定位，通过铁心轭部的穿心螺杆压紧固定（见图2）。为防止长期运行后铁心松动，在上齿压板设置碟形弹簧，以吸收机组长期运行后铁心漆膜收缩，保证长期运行后铁心仍有足够的安全面压。

图2 穿心螺杆式铁心压紧结构

定子内径可满足整体吊出发电机下机架及水轮机顶盖的要求。

定子绕组为双层条式波绕组，3支路Y形连接。绕组绝缘为F级，主绝缘采用真空多胶液压VPR工艺。在线棒与线棒之间及铁心背部均埋设有电阻测温元件，以监测发电机运行时绕组和铁心的温度。线棒的槽部、出槽口及弯曲过渡部分均作防晕处理。定子线棒换位方式采用槽内360°罗贝尔换位，以减小端部漏磁引起的附加损耗和股线温差。

绕组两端用非磁性端箍固定，端箍通过支架固定在定子铁心齿压板上。

除定子合缝面处的线棒外，大部分线棒的下线、打槽楔等工作在工厂完成，定子合缝处的线棒在工地现场完成下线、打槽楔工作。

3.2 转子

转子由转子支架、磁轭、磁极和制动环板等组成（见图3）。整个转子的设计和制造，能够满足在飞逸转速下安全运行不小于5 min。发电机转子支架与上端轴采用法兰连接，连接螺栓为均布的12个M72螺栓。

图3 转子装配图

转子支架为整体圆盘式组焊结构，上圆盘开有适当的通风孔，以使发电机在运行时产生需要的风量。转子支架在工厂焊接成整体，经退火后精加工，整体运输至电站工地。转子支架与磁轭之间采用东芝成熟的浮动连接结构。

磁轭由4.5 mm厚高强度扇形冲片在现场交错叠压而成，通过铰制螺栓把紧并传递冲片间的作用力，使磁轭成为一整体，大大提高磁轭的强度和刚度。叠片采用2片一叠、错开一极距搭接方式，并通过导向销与组合磁轭键定位。磁轭下端装有制动环，制动环待磁轭叠片压装结束后装在磁轭下端，与磁轭为分开结构，装拆方便。

磁轭外缘设有鸽尾槽用于固定磁极。

磁极由磁极铁心和磁极线圈组成。磁极铁心由高强度专用冷轧磁极薄冲片叠成，通过螺杆压紧。磁极线圈由异形断面的半硬紫铜排焊接而成，具有散热面积大，散热效果好的特点。线圈匝间垫以Nomex绝缘纸，与铜排热压成一体。线圈与铁心间用绝缘板塞紧，对地绝缘可靠，磁极到现场后无需脱出线圈清扫即可直接挂装。

磁极挂装时，在磁极铁心鸽尾侧面打入长楔形键将磁极楔紧在磁轭上，楔形键用压板锁定。极间设有一个中间支撑，可满足不吊转子方便拆装磁极。

转子设有纵横阻尼绕组，阻尼条与阻尼环采用银铜焊连接，阻尼绕组间采用柔性连接，防止因振动和热位移而引起的故障。其连接既牢固可靠，又便于检修拆卸。

励磁引线由铜排制成，固定在转子支架平面上，沿着上端轴接至集电环。

集电环由锻钢制成，安全地紧固在集电环支架上，并采用有效的绝缘。在集电环的外表面开有多节距矩形环槽，以增大散热面积，并使电刷光滑接触取得好的接触和冷却效果。

3.3 轴承

上导轴承布置在上机架上中心体油槽内，为分块扇形瓦结构，瓦面为巴氏合金，共8块。导轴承采用支柱支撑结构，瓦的背面有球面支承柱，该结构在运行时导瓦能灵活偏转，导瓦支撑的调整具有方便、可靠、准确等优点（见图4）。上端轴滑转子的外周面作为上导轴瓦的摩擦面。

图4 上导轴承装配

为有效的隔断轴电流的回路，不仅在上导瓦上采取了必要的轴电流防护措施，也在水轮机受油器管路上安装了绝缘法兰，隔断了所有可能形成轴电流的回路。

上导轴承润滑油的冷却，采用内循环方式，内置盘管式冷却器，冷却效果好，安装维护简单。

推力轴承及下导轴承布置在下机架中心体油槽内。推力头和轴为整体结构，工厂内整体加工，现场安装较为简捷方便。

推力镜板用碳素锻钢制成，为单一环状结构，通过螺栓把合到推力头上。

推力轴承采用典型的弹簧簇支撑结构，能够承受水轮发电机组所有转动部分的重量和水轮机最大水推力构成的组合载荷。弹簧簇支撑结构具有性能可靠、瓦间受力均匀、瓦变形小、抗倾覆能力强及安装维护方便等优点（见图5）。

推力轴承由12块弹性塑料瓦组成，在机组启停机时有良好的润滑特性，机组无需设置推力轴承高压油顶起装置。推力瓦的布置能在顶起转子、卸除轴承负荷时，在不干扰定子、转子的条件下，便于轴瓦的调整、拆卸和组装。油槽壁开有2处推力瓦检修窗，可以通过转动推力轴承支撑台，方便的进行推力瓦的装拆作业。

图5 弹簧簇支撑结构

下导轴承也采用分块扇形瓦结构，瓦面为巴氏合金，共16块。支撑机构与上导相同。由于上导轴承已经有效的采取防止轴电流的措施，所以在下导轴承处不再设置轴电流防范措施。

推力轴承与下导轴承，采用镜板泵外循环冷却方式，设有2只桶式油冷器，布置在机坑风罩的外部。

3.4 发电机轴

发电机主轴为中空结构，方便安装水轮机受油器管路等。发电机主轴与转子中心体采用18个M72双头螺栓及6个矩形键传递扭矩的结构（见图6）。

图6 扭矩键结构

机组轴系由滑环轴、上端轴、转子中心体、发电机主轴和水轮机轴及转轮组成。其径向分别采用上导、下导轴承和水导轴承支撑，轴向为推力轴承支撑。推力头布置在转子中心体下方，与主轴为一体结构。经分析计算，机组整个轴系的一阶临界转速为573.9 r/min，满足合同大于450 r/min的125%的要求。

3.5 上、下机架

上机架为非负荷机架，为中心体加支臂式结构，设计具有足够的刚度和强度。由于运输条件的限制，上机架支臂在现场与中心体焊接。上机架通过把合螺栓和销钉固定在定子机座上，有足够的刚度，可以承受半数磁极短路时作用在上导轴承的单边不平衡力。在不吊出转子、不拆除上机架的条件下，可拆卸和挂装磁极并检查定子线棒端部或更换定子线圈。

下机架为负荷机架，通过基础板用螺栓和定位销固定在基础上。下机架由中心体和6条支臂组成，由于运输条件的限制，其中2条支臂在现场焊接。对下机架采用有限元的方法进行计算，在最大轴向负荷下的最大下沉量不大于2.5 mm。

4 发电机冷却系统说明

在发电机定子机座外壁周围均匀地布置8只空气冷却器，用来构成密闭循环的通风冷却系统。转子支架的上圆盘有通风孔，冷风通过这些风孔，并在转子自身运转产生的离心力的作用下强制地通过转子磁轭上的风道。气流的分布设计在整个发电机的长度方向上均匀一致，采用上部单侧通风，利用转子下部磁极之间的旋转漏风来冷却定子线棒的下侧端部。利用上部单侧通风，可以有效的将布置在转子下方的推力油槽可能产生的油雾及制动粉尘与通风回路阻隔开，避免油雾与制动粉尘污染发电机定转子。采用这种通风方式后，在定子基础上无需留出风道，这样不仅简化了基础结构，而且具有良好的冷却效果。应用通风计算软件分析计算，完全可以满足机组通风冷却要求。

5 制动和顶起系统说明

发电机采用电气和机械制动，可实现联合或单一方式制动。制动气压0.55 MPa，最高制动气压0.8 MPa。在发电机下机架上，共装设6只φ280的制动器，每只制动器上设置两个行程开关，能反应制动器是否动作或全部复位。制动块采用非石棉聚合树脂材料，摩擦系数大，磨损率低，粉尘少，不污染环境，可方便更换。制动系统配置粉尘收集装置，在制动器投入工作的同时打开粉尘收集系统，以减小环境的污染。

制动器配有锁定装置，在高压油顶起转子后机械锁定，以保持转子在顶起的位置上无需保持连续的油压而不落下。整个电站共用一套移动式顶转子用电动高压油泵。

6 辅助系统

6.1 灭火装置

发电机采用气体（CO2）灭火系统，CO2灭火设计为全淹没系统，每台机配1套发电机CO2灭火装置（包括储气瓶及瓶架等）。

发电机CO2灭火系统由储气瓶及瓶架、输气管、喷头及报警启动设备等组成。CO2贮存在储气瓶内，经输气管送至发电机风罩内。为维持CO2灭火浓度，保证灭火质量，每组设两套管路，一套是主放，紧急灭火释放CO2，另一套是续放，维持和补充CO2。在机坑里装设烟雾信号和感温探测器，当两者同时动作时方可向发电机送气。探测器还应便于安装和维护，设置自动启动操作系统，并设手动操作设备作为备用。

发电机火灾自动报警系统在火灾探测元件（感烟型、感温型等）各自单独动作时只发报警信号，其中两个同时动作时用作停机，并可延时起动自动灭火装置。探测元件在动作后，能自动复归。

6.2 防潮装置

在下机架机坑内沿圆周方向均布6只2 kW的电加热器。电加热器与发电机控制系统相互闭锁，加热器在停机时能自动投入，机组运行时能自动退出。

6.3 防油雾装置

防油雾装置采用东芝专利技术--刷形密封。在上导油槽、推力及下导油槽盖板上设置有与轴无间隙的接触密封装置以防止油或油雾溢出。同时在油槽盖板上设置吸油雾管路，接至机坑外的油雾分离装置，有效防止油雾对发电机的污染。

6.4 自动化系统

为保障机组的安全稳定运行及电站的自动监控，发电机各处设有自动化元件。分别测量、监控发电机定子铁心线圈、冷热风、各部轴承的温升情况，以及冷却水管路和制动气管路的压力、流量、还有火警、油槽油位等情况。根据需要可现地显示或远地显示并进行自动监控。