南欧江四级发电机转子设计及结构特点

唐凤姣，黄小红

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

1 前言

转子是水轮发电机的核心部件，需同时具有足够的机械强度和优良的电气性能。作为转动部件，转子承担着传递水力扭矩形成旋转励磁磁场，进而与定子三相绕组作用感应出电动势完成能量转换的作用，同时，转子是机组GD2的主要贡献者，也是建立发电机通风冷却系统的主要结构要素。

灯泡贯流式机组转子主要由转子支架、转子磁轭、磁极及励磁绕组组成，磁轭主要有叠片式和整体磁轭圈式两种结构，转子支架和磁极的结构随磁轭结构的变化而不同。

2 转子结构

转子结构形式主要随磁轭结构变化而变化，磁轭主要有叠片磁轭和整体磁轭圈磁轭。

叠片磁轭基本适用于各种机型、转速和容量的机组，适用范围广，因需要现场叠片，现场转子组装工期较长。叠片磁轭由扇形磁轭片堆叠并通过拉紧螺杆拉紧而成，整体磁轭与转子支架通过磁轭键楔紧，与磁极通过磁极键楔紧形成整体。

磁轭圈磁轭一般由厚板或环锻磁轭圈与转子支架在工厂焊接成整体，磁极通过螺杆拉紧固定于磁轭圈上，具有结构简单，经济性好，转子现场组装简单、工时少的优点。但受制作能力、材料强度等的制约，磁轭圈结构较多应用于电站运输条件好的低转速灯泡贯流式机组上。

3 南欧江四级转子设计

南欧江四级电站位于老挝南欧江干流上，是高水头大容量灯泡机组，其典型参数如下：

最大水头：28 m

额定水头：23.5 m

发电机容量：44 MW/46.3 MVA

额定电压：13.8 kV

额定转速：136.4 r/min

飞逸转速（非协联）：480 r/min

发电机GD2：1 890 t·m2

灯泡比：1.31

转子外径：Ф5 151 mm

磁轭外径：Ф4 706 mm

对于灯泡贯流式水轮发电机组，受灯泡比的限制，相对常规立式机组，发电机直径较小，一般只有同等容量转速立式发电机的60%～75%[1]，机组的飞逸转速系数高[2]，非协联飞逸转速系数一般达到3左右。通常,以系数K=发电机容量（MVA）×额定转速（r/min）表征发电机的综合设计制造难度[3]，对于灯泡贯流式水轮发电机，可引申系数Kr=容量（MVA）×飞逸转速2（r/min）以更直观地反映发电机转子的设计制造难度。表1 是部分灯泡贯流式水轮发电机Kr 系数列表。

可以看出，南欧江四级发电机容量不是很大，但水头到了灯泡贯流式机组的适用上限，飞逸转速特别高，系数Kr在已建的中大容量灯泡贯流式机组中最大，转子设计制造难度相对最大。

3.1 转子支架及磁轭设计

设计应兼顾结构安全可靠性和经济性，南欧江四级转子磁轭外径不大，运输条件也允许，考虑经济性，优先对磁轭圈式结构进行研讨。

在满足发电机GD2的前提下，磁轭圈结构转子设计需要综合考虑以下几个方面：

（1）刚强度满足合同及设计规范要求，主要是转子支架、磁轭圈、磁极拉紧螺杆及磁极芯棒的强度。

（2）制作可行性，如磁轭圈制作的可行性,磁轭圈与转子圆盘的可焊性。

（3）经济性,即结构的综合成本不能过高。

3.1.1 磁轭圈结构磁极强度校核

对既定的电磁方案，主要校核磁极拉紧螺杆和磁极芯棒的强度。每个磁极由8 根M56 螺杆拉紧固定，布置如图1，不考虑磁轭圈变形引起的附加力作用，飞逸工况下强度校核结果如表2。由计算结果可以看出，拉紧螺杆和芯棒强度合格，结构可行。

图1 磁极拉紧螺杆布置图

表2 磁极拉紧螺杆及芯棒的强度

3.1.2 磁轭圈强度校核

考虑制作可行性及经济性，磁轭圈多采用低合金结构钢Q355 厚板压型焊接制作。分别对单圆盘磁轭圈和双圆盘磁轭圈结构进行检讨，满足发电机GD2的磁轭圈厚度为140 mm，其几何模型见图2，计算应力分布见图3、图4。

图2 磁轭圈模型图

图3 单圆盘磁轭圈应力云图

图4 双圆盘磁轭圈应力云图

从解析结果可以看出，单圆盘磁轭圈集中应力517.8 MPa，一般应力421 MPa，双圆盘磁轭圈集中应力488.5 MPa，一般应力394 MPa，均远超Q355 材料许用应力，140 mm 厚磁轭圈结构不可行。为降低磁轭圈应力，对160 mm 厚和180 mm 厚双圆盘磁轭圈进行分析计算，计算结果汇总见表3。

表3 双圆盘磁轭圈强度对比表

可以看出，随厚度增加，磁轭圈应力降低，但厚度达到160 mm 以后，应力降低不明显，即使厚度增加到180 mm，磁轭圈应力仍达到372 MPa。因此，随厚度增加，磁轭圈自身离心力产生的应力占比增加，无法有效降低应力，磁轭圈需采用高强度合金钢材料。高强度合金钢材料成本高、焊接工艺性较差，不利于提高转子可靠性，故南欧江四级转子不适合采用磁轭圈结构。

3.1.3 叠片磁轭结构

转子支架采用结构简单、刚性及抗疲劳性好的整体圆盘式结构，转子支架外径为Ф4 230 mm，圆周均布11 根轴向立筋。

磁轭片为每扇4 极，一周由11 张磁轭片构成，考虑磁轭键槽和磁极键槽的削弱影响和叠片磁轭的必要刚度，磁轭内径为Ф4 180 mm，飞逸工况下磁轭的最大集中应力为567.8 MPa，平均应力为380 MPa 左右，磁轭片选用650 MPa 等级高强度热轧磁轭钢板，具有足够的安全裕度，应力分布见图5。此时，发电机GD2远超水力需要，为尽量降低磁轭重量提高经济性，同时降低导轴承载荷优化灯泡机两导轴承载荷分配比并提高机组轴系的稳定可靠性，在磁轭轴向设置了9 道风道，风道高度31 mm,见图6。

图5 飞逸工况叠片磁轭应力云图

图6 叠片磁轭断面图

磁轭片采用激光切割制作，现场叠片并用高强度螺杆拉紧成整体磁轭，激光切割的磁轭片孔位及槽位精度高，现场无需铰孔。为确保运行时磁轭与转子支架不分离，同时考虑灯泡机卧式水平安装，转动部件径向力因重力作用周期变化的影响，磁轭与转子支架间采用径-切向复合磁轭键结构。复合磁轭键由径向热加垫T 型键与两侧切向冷配打的打入键构成。径向热加垫紧量能保证在1.8 倍额定转速下磁轭与转子支架不分离，同时冷配打切向键能确保磁轭与转子支架间周向可靠楔紧。

3.2 磁极设计

南欧江四级发电机容量较大，飞逸转速高，发电机直径较小，磁极长度相对较长，达1 893 mm，磁极部件应力高，磁极线圈周向变形量较大。为保证磁极结构刚强度，除磁极冲片采用高强度材料外，发电机磁极上采用了以下结构：长磁极键和围带磁极线圈。

灯泡贯流式机组水头较低，一般转速也较低，多采用径向短磁极键结构。短磁极键由布置于磁极两端的两对楔形键组成，现场组装时，常配合磁极鸽尾处的侧边调整垫片和极身内径处的调整垫片使用。极身内径处间隙为发电机第二气隙，间隙变化会直接引起励磁电流变化{4}，安装间隙以不超过1 mm为宜，见图7。短键结构拆装方便，现场可对磁极外径进行一定调整，但径向布置的磁极键会减少磁轭的有效径向高度而影响受力。长键结构成本较高，现场配键难度相对较大，但整体性好，因此，考虑磁轭强度和磁极应力高变形大的因素，南欧江四级发电机采用侧边长磁极键结构。

常规灯泡机因极数多转子外径较小，应力水平不高，线圈变形小，极间距离小，一般不需也很难设置线圈极间支撑。但无线圈支撑时，飞逸工况下南欧江四级磁极线圈的最大变形达到4.7 mm,远超设计允许值，必须采取措施减少线圈变形。磁极线圈极间最小距离只有12 mm，无法设置支撑，故设置围带以减少线圈变形。如图8，考虑围带支撑刚强度和绝缘距离后，相邻磁极的围带布置间隙过小存在干涉，磁极的围带须轴向错开布置，因此，S 极磁极的围带偏上游侧布置，而N 极磁极的围带偏下游侧布置。

图7 短磁极键结构

图8 磁极围带结构

4 转子安装

叠片磁轭转子的现场组装工作是成熟的工艺，但是，叠片时转子中心体下游侧朝下，因特殊围带结构的采用，磁极挂装时需先挂装围带偏下游侧的N极磁极，再挂装S 极磁极。

5 结论

南欧江四级电站是高水头灯泡贯流式机组，机组飞逸转速和转子设计制造难度系数Kr在目前大容量灯泡贯流式机组中是最高的，通过综合考虑转子刚强度、工厂制造能力、结构可靠性及经济性，选用叠片磁轭转子结构，并针对磁轭磁极的具体问题采取有效结构措施，保证了转子结构的安全可靠性。南欧江四级电站3 台机组分别于2020 年9 月（2 台）和11 月投入商业运行，机组运行状态良好。