水轮发电机讲义

量增长很快，1890年仅1.5万kW,至1955年已能生 产10.5万kW的发电机。
一、水轮发电机的发展
中国在1949年以前自制的水轮发电机单机容量不 超过200kW,1949年以后电机工业获得了蓬勃的发
展，1958年已能生产7.25万kW单机，1972年已制
造出30万kW双水内冷水轮发电机。 目前位于世界前列的大容量水轮发电机为大古力 水电站、伊泰普水电站 、三峡水电站、溪洛渡水 电站、龙滩水电站等已经超过700MW，而今年建 成的向家坝水电站已经达到800MW。同时单机 1000MW的水轮发电机组也已经开始设计。
二、水轮发电机结构
二、水轮发电机结构
转子
立轴水轮发电机转子结构
二、水轮发电机结构
磁极 –磁极是提供励磁磁场的磁感应部件，由磁极铁芯，线圈 ，上、下托板，极身绝缘，阻尼绕组及钢垫板等零部件 组成。 –磁极铁芯分实心和叠片两种结构。 –中、小容量高转速水轮发电机的转子，常采用实心磁极 结构，整体锻造或铸造而成。转速大于或等于750r／ min的小型水轮发电机，常采用磁极铁芯连同转子的磁 轭与主轴整体锻造加工。 –磁极固定方式通常采用螺钉、T尾和鸽尾结构。
水 轮 发 电 机
目录
水轮发电机的发展 水轮发电机的结构 水轮发电机的原理 水轮发电机的运行 水轮龙滩发电机的特点
一、水轮发电机的发展
世界第一座水电站于1878年建于法国。
美洲第一座水电站于1882年建在美国威斯康星州，
采用直流发电机。
1889年后,开始使用三相交流发电机。此后,单机容
交流电容电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与电
场能量之间的往复转换。
三、水轮发电机的原理
无功的类型： 容性无功：由于电容器是储存电场能量的元件，当电
容器加上交流电压后，电压交变时，响应的电场能量
也随着变化。当电压增大，电流及电场能量也就相应 加强，此时电容器的电场能量就将外电源供给的能量 以电场能量形式储藏起来；当电压减小和电场能量减 弱时，电容器把电场能量释放并输回到外面电路中。
定子
转子 下导轴承 推力轴承 下机架 下端轴
混流式水轮机：发电机部分结构图
三、水轮发电机的原理
概念： 什么是有功？ 什么是无功？
有功功率: 在交流电路中，电源在一个周期内发出瞬时功率的 平均值(或负载电阻所消耗的功率)，称为"有功功率"。
无功功率: 在具有电感或电容的电路中，在每半个周期内，把 电源能量变成磁场(或电场)能量贮存起来，然后，再 释放，又把贮存的磁场（或电场）能量再返回给电 源，只是进行这种能量的交换，并没有真正消耗能 量，我们把这个交换的功率值，称为" 无功功率"
二、水轮发电机结构
机座 功能： –用于固定铁芯。 –定子机座具有足够钢性和强度，应能承受：上机架、上 导轴承和推力轴承、机组所有转动部分等的重量以及水 轮机水推力等总和的轴向力。定子绕组短路时产生的切 向力和半数转子绕组短路时产生的不平衡磁拉力。各种 运行工况下所受的热膨胀力、额定工况产生的切向力及 定子铁芯通过定位筋传来的100Hz交变力等。叠加在上 述工况下的震动力。 –构成冷却气体的通道 结构：由轧制钢板焊接而成。为便于现场组装，分瓣机 座应在工厂内进行预组装，并配有钻好螺栓孔的工艺法兰 和销钉。
称之为“无功”。
无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar）
三、水轮发电机的原理
无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需 要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械
运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率
建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器 的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此 ，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能 变压，交流接触器不会吸合。
例子：米与米袋。
三、水轮发电机的原理
无功的类型： 感性无功：从物理概念来解释感性无功功率；由于电
感线圈是贮藏磁场能量的元件，当电感线圈加上交流
电压之后，相应磁场能量也随着变化，当电压增大， 电压及磁场能量也就相应加强，此时线圈的磁场就将 电源供给的能量以磁场能量形式贮藏起来；当电流减 小和磁场能量减弱时，线圈把磁场能量释放并输回到
电源中。
三、水轮发电机的原理
无功的类型： 容性无功：由于电容器是储存电场能量的元件，当电
容器加上交流电压后，电压交变时，响应的电场能量
也随着变化。当电压增大，电流及电场能量也就相应 加强，此时电容器的电场能量就将外电源供给的能量 以电场能量形式储藏起来；当电压减小和电场能量减 弱时，电容器把电场能量释放并输回到外面电路中。
集电装置 – 功能：将来自励磁系统的电 流传导给水轮发电机转子绕 组建立磁场。 – 结构：电刷、刷架、集电环 – 位置： • 集电装置固定在发电机上 端轴上电刷与刷架固定， 集电环随上端轴转动。 • 集电环与转子引线相连， 向转子磁极线圈提供电流 。
二、水轮发电机结构
集电环
上机架
上导轴承 上端轴
二、水轮发电机结构
定子线棒透视图
二、水轮发电机结构
定子机座
二、水轮发电机结构
定子铁芯
二、水轮发电机结构
二、水轮发电机结构
定子叠片加固
二、水轮发电机结构
转子 –功能：发电机的转动部件，用以产生磁场、变换能量和 传递力矩。 –结构： 转子中心体、转子支架：铸焊结构并经过超声波探伤； 转子中心体与上、下端轴连接，传递来自水轮机的力矩 。应保持良好的通风及导风性能。 –磁轭：构成发电机的磁路，是固定磁极的重要部件；由 高强度的冷轧薄钢板（磁轭冲片）分层叠片组装，通过 立筋、复合键与转子支架相连；磁轭分层叠片并拉紧， 通过通风风沟设计以保持良好的通风性能。 –转子引线 –制动系统
二、水轮发电机结构
水轮发电机结构 形式： 按布置方式的不同水轮发电机可分卧式和立式两种。
二、水轮发电机结构
水轮发电机结构 形式： 按推力轴承位置的不同来分,立式发电机又分为悬 式和伞式两种。 推力轴承位于装置上方的发电机称为悬式发电机， 它适用于转速在100r/min以上。其优点是推力轴承 耗损小，装配方便，运转较稳定；缺点是机组高度
交流电容电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与电
场能量之间的往复转换。
三、水轮发电机的原理
交流发电机的原理： •主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性 相间的励磁磁场，即建立起主磁场。 •载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感 应电势或者感应电流的载体。 •切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能）， 极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相 绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 •交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切 割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变 化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电 源。
三、水轮发电机的原理
有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也 就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)
的电功率。
比如：1千瓦的电动机就是把1千瓦的电能转换为机械
能，带动水泵抽水；各种照明设备将电能转换为光能
，供人们生活和工作照明。 有功功率的符号用P表示，单位有瓦(W)、千瓦(kW)、 兆瓦(MW)
二、水轮发电机结构
二、水轮发电机结构
二、水轮发电机结构
机架 – 机架是立轴水轮发电机安置推力轴承、导轴承、制动 器及水轮机受油器的支撑部件，是水轮发电机较为重 要的结构件。 – 机架由中心体和支臂组成，一 般采用钢板焊接结构，中心体
为圆盘形式，支臂大多为工字
梁形式。 – 机架按其所处的位置分为上、
二、水轮发电机结构
二、水轮发电机结构
磁轭与转子支架 –磁轭的作用是构成磁路并固定磁极。 –转子支架的作用是固定磁轭。 –对于定子铁芯外径小于325cm的中小容量的水轮发 电机，磁轭可用铸钢或整圆的厚钢板制造，不需要 专门的转子支架。 –对于定子铁芯外径较大的水轮发电机，磁轭通过 转子支架和主轴连成一体。 –磁轭的外缘加工有T尾、鹇尾槽或螺孔，用以固定 磁极。
较大，消费钢材较多。
悬式发电机
定 子 外 壳
上 下
下导轴承 支撑下导与风闸
二、水轮发电机结构
悬式水轮发电机组
二、水轮发电机结构
推力轴承位于转子的下方的发电机称为伞式发电 机，无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式， 它适用于转速在150r/min以下。其优点是机组高度 低、可降低厂房高度、节省钢材；缺点是推力轴承 损耗大、安装、检修、维护都不方便。 传力方式：机组转动部分重量→推力头 高压油膜 →镜板→推力轴瓦→下机架→机座→基础 上机架：只支撑上导轴承和励磁机定子。 类型：1. 普通伞式： 有上、下导轴承 2. 半伞式: 有上导轴承，无下导轴承 3. 全伞式: 无上导轴承，有下导轴承

二、水轮发电机结构
硅钢片
二、水轮发电机结构
绕组
– 三相绕组由绝缘导线绕制而成，均匀地分布于铁芯内圆 齿槽中。
– 三相绕组接成Y形，它的作用是当转子磁极旋转时，定 子绕组切割磁力线而感应出电势。 定子线棒 – 功能：通过一定的联结方式形成电流通路，通过铜环引 线汇流后输出电功率。 – 分类：条式波绕阻和叠式框绕阻。
下机架，按承载性质分为负
荷机架和非负荷机架 。
二、水轮发电机结构
主轴 –主轴的作用是用来传递扭矩，应具有一定的强
度和刚度。
–主轴一般由35号、40号、45号或20SiMn等钢整 锻而成。
–小容量水轮发电机一般采用整锻实心轴，也有 的采用无缝钢管作为轴；大、中型容量的发电 机采用整锻空心轴。
二、水轮发电机结构
二、水轮发电机结构
水轮发电机结构 形式： 按布置方式的不同水轮发电机可分卧式和立式两 种。 按推力轴承位置的不同来分,立式发电机又分为悬 式和伞式两种。 推力轴承位于装置上方的发电机称为悬式发电机， 它适用于转速在100r/min以上。其优点是推力轴承 耗损小，装配方便，运转较稳定；缺点是机组高度 较大，消费钢材较多。