水轮发电机结构及工作原理介绍(教育课件)

– 磁极固定方式通常采用螺钉、T尾和鸽尾结构。
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• 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。
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• 推力轴承的组成和作用
– 推力轴承是应用液体润滑承载原理的机械结构部件， 主要由轴承座及支承、轴瓦、镜板、推力头、油槽及 冷却装置等部件组成。
– 其主要作用是承受立轴水轮发电机组转动部分全部重 量及水推力等负荷，并将这些负荷传给负荷机架。
• 推力轴承的分类
– 推力轴承支承结构方式主要有弹性垫支承式、刚性抗 重螺栓支承式、弹性油箱支承和平衡块支承式四种。
• 轴承的油循环冷却方式有内循环和外循环两种。
• 中小型水轮发电机轴承的油循环冷却方式一般为内 循环。
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• 水轮发电机制动方式 机械制动、电气制动、混合制动
• 水轮发电机制动系统的组成 制动装置（俗称 风闸）、控制原件、管路系统。
• 机械制动的作用 为避免机组停机减速过程后期时间较长，引起推力瓦的磨损。 一般当机组转速降低到额定转速25%~35%，自动投入制动器， 加闸停机。
– 推力瓦
• 推力瓦是推力轴承中的关键部件，它是整个机组转 动部分和固定部分的摩擦面，并且承受整个机组转 动部分的重量和轴向水推力。
• 推力瓦一般做成扇形块，中小型水轮发电机推力轴 承的推力瓦数多为6块～8块。
• 常用的推力瓦有巴式合金推力瓦和弹性金属氟塑料 瓦两种。
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– 镜板
• 镜板是将推力负荷传递到推力瓦上的部件，技术要 求高。
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线圈
铁心
机座
立轴水轮发电机定子结构
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定
子
中性点串联 变出口
空冷器支架 空冷器 暖风窗
定子绕组
出口母线 定子铁芯
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定子机座
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• 机座
– 定子机座一般呈圆形，小容量水轮发电 机多数采用铸铁整圆机座，也有采用钢 板焊接的箱形结构；容量较大的水轮发 电机的机座由钢板制成的壁、环、立筋 及合缝板等零件焊接组装而成。
• 推力轴承位于转子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。
– 按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种 。
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• 水轮发电机的主要作用
将水轮机旋转的机械能最终转换成电能，其结构 与性能的好坏对电站的安全、稳定、高效运行起 着致关重要的作用。
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• 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。
2、机械能转变为电能
水流驱动水轮机转动带动同轴发电机转动
1）发电机工作基本原理—电磁感应原理，导线切割磁力线将感应电动 势，闭合导线产生交 变电流。在工程上由于电枢绕组庞大，故电厂一 般采用移动磁力线去切割固定不动的电 枢绕组。当定子绕组流过三相交流电流以后产生一个旋转磁极，该磁极的转速称为同步转 速，旋转磁极与转子磁极产生相互作用力，二者之间的角度决定了力的大小(有功负荷大 小）和性质（发电机或电动机）。发电机的转速n与电势的频率f有严格不变的关系，即同 步关系，f=p*n/60。
7—推力头；8—隔油板；9—镜板；10—挡油管；11—主轴；12—轴承座；
13—抗重螺栓；14—托盘；15—推力瓦；16—绝缘垫
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– 抗重螺栓
• 推力瓦由头部为球面的抗重螺栓支承，抗重螺栓垂 直拧入装有螺纹套筒的轴承座上。调整抗重螺栓的 高度，可使瓦块保持在同一水平面上，使瓦块受力 均匀。
– 磁轭的外缘加工有T尾、鹇尾槽或螺孔，用 以固定磁极。
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• 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、下机架，按 承载性质分为负荷机架和非负荷机架 。
• 要求镜板保证其平面度和水平度，一般为0.02mm／ m。
• 镜板多采用45号锻钢，应有足够的刚度。
– 推力头
• 推力头是承受并传递机组轴向负荷及扭矩的部件。 多数用平键和卡环固定在主轴上，也有采用热套方 法固定于主轴上的。
• 推力头应有足够的刚度和强度，以承受机组轴向推 力产生的弯矩作用，不致产生有害的变形和损坏。
导水机构
导叶套筒 顶盖
底环
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4. 发电机
机组转子吊装
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• 水轮发电机组的型式
– 按布置方式分：可分为卧式和立式两种。
• 卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击式水轮机。 • 一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。
– 按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和伞 式两种。
• 推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机，它适 用于转速在100r/min以上。
4）我厂机组额定转速为93.75r/min，请计算有多少对磁极？
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1. 混流式
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2. 轴流式
低水头轴流式水轮机转轮 高水头轴流式水轮机转轮
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3. 其他
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斜 流 式 水 轮 机
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水泵水轮机转轮
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控制环 导叶连杆 活动导叶
– 机座应有足够的刚度，同时还应能适应 铁心的热变形。
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• 铁芯
– 定子铁芯是定子的一个重要部件，由扇形冲 片、通风槽片、定位筋、齿压板，拉紧螺杆 及固定片等零部件装压而成。
– 定子铁芯的作用是：作为磁路的主要组成部 分，为发电机提供磁阻很小的磁路，以通过 发电机所需要的磁通，并用以固定绕组。
2）发电机调压过程：由电磁感应定律E=L*dφ/dt可知改变等式右侧任意一个参数就可以改变 感应电势E，但一般L不可改变，同步发电机磁力线切割速度不可改变，所以一般通过改变 磁通强度（磁力线密度）来调整电压，要改变磁通强度必先改变励磁电流强度，也就是平 时改变可控硅导通角。
3）电压调整过程：电压调整命令—现地LCU—可控硅导通角—转子电压—转子电流—磁通— 感应电动势改变
对没有配备高压油顶起装置的机组，当经历较长时间的停机之 后，再次启动前，用油泵将压力油打入制动器顶起转子，使推 力瓦重新建立油膜，为推力瓦创造良好的工作条件。
机组检修期间，进行重量转移。
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• 通风系统 机组运行时，发电机绕组以及铁芯将产生大量的热量，为了使绕组和铁芯的温 度不至于过高而引起绕组绝缘损坏，发电机必须设置通风冷却装置。
• 水轮发电机组成
主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、 冷却器、制动器等部件组成。
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水轮发电机定子结构
• 水轮发电机定子主要由机座、铁芯和三 相绕组线圈等组成。
– 铁芯固定在机座上。 – 三相绕组线圈嵌装在铁芯的齿槽内。 – 发电机定子机座、铁芯和三相绕组统一体
统称为发电机的定子，也称为电枢。
轴流式剖面贯流式剖面上游大坝蓄水具有位能具有压力的水流经拦污栅进水口检修闸门工作闸门及发电引水钢管进入水轮机蜗壳初步形成环流再经座环固定导叶分流后均匀地进入活动导叶活动导叶开度的大小调节转轮的水流量转轮在水的压力和速度作用下旋转把水能动能势能转换成机械能转轮出口水流通过尾水管排至下游
水轮发电机结构及工作轮发电机运行实际产生的风量应达到设计值并略有余量。 各部位（特别是定子的有效段）的冷却风量应合理分配，各部位温度分布均匀。 风路简单，损耗较低。 结构简单、加工容易、运行稳定。 有时还能满足水电厂厂房结构以及利用发电机的热风供厂房冬季取暖。
• 通风元件 压力元件：转子磁极、磁轭、风扇。其中磁极、磁轭是主要的压力元件，在整 个通风系统中占80%~90%的作用。 阻力元件：定子。在整个通风系统中，定子风阻占整个风阻的70%
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– 托盘
• 托盘的作用是减小轴瓦的变形。另外，托盘的轴向 柔度在运行中有一定的均衡负荷作用。
• 其材质应选用能承受较大弯曲应力的高强度材料。
– 绝缘垫
• 通常在轴承座下面或推力头与镜板结合面之间装设 绝缘垫，切断轴电流回路，保护轴瓦工作面，并起 到绝缘和调整轴线的双重作用。
– 油的循环冷却
– 弹性垫支承式只用于小容量的立轴发电机；弹性油箱 支承和平衡块支承式用于大中型发电机；中小型水轮 发电机的推力轴承一般采用刚性抗重螺栓支承方式。
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• 刚性支柱螺钉支承方式的推力轴承
– 刚性抗重螺栓支承方式的推力轴承结构如图：
1—上机架；2—冷却器；3—气窗；4—导轴承装配；5—密封盖；6—卡环；
立轴水轮发电机转子结构
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转子支架 磁轭
顶轴
转子
集电环组件
磁极
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转子引线
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• 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。
2. 通过检杳发现尚未完善的工作及工程或设备所存在的缺陷， 及时处理以保证电站能顺利地投产。
3. 在机组起动之前，以及试运行过程中对机电设备进行调整试 验。测定相关的运行参数或特性曲线，具体掌握机组的实际 性能，为今后的长期运行提供技术准备。
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发电机运行状态
正常运行 调相运行 进相运行
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第二节 水轮发电机组试运行
当机组安装工程基本完成后，或大修机组完工检验后，对 机组进行一次综合的启动运行试验，称为机组启动试运行。
起动试运行的目的 ：
1. 根据有关的技术规程和电站的设计资料，对水工建筑物、机 电设备等进行一次全面的质量检查，并在实际运行中作出总 体的鉴定。
1、水能转化为机械能
1）进入水轮机的水能控制P=9.81QHη,根据能量守恒，要改 变P，必须 调节进入水轮机的流量或者改变水头。因为水头调节范围较小（431m— 440m),汛期留有防洪库容，水头调节范围更小（431m—435m)。所以 一般通过调节进入水轮机的流量来改变P。通过改变活动导叶开度这一途 径来调节进水量或切断水流。导叶的操作力来自液压接力器，而液压接力 器则受调速器来控制。 2）水电厂电能生产及送出示意图：天然水流—坝—水库—取水口—压力钢 管—水轮机—发电机—输变电装置—用户 3）流量的调节过程：调节命令（上位机）—机组现地LCU—调速器电气部 分—调速器机械部分—液压接力器—控制环—导叶拐臂—导叶开度改变—改 变进入水轮机的流量。 4）请写出有功功率与水头和流量的关系式。 5）请说出我厂设计防洪水位是多少？ 6）请简要说明进入水轮机流量调节过程？
二零一四年七月
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水电厂生产简图：
混流式剖面： 水力发电示意：
轴流式剖面 贯流式剖面
一、水轮发电机组基本工作原理
上游大坝蓄水具有位能，具有压力的水流经拦污栅、进水口检修闸门、工 作闸门及发电引水钢管进入水轮机蜗壳，初步形成环流，再经座环固定导 叶分流后均匀地进入活动导叶，活动导叶开度的大小调节转轮的水流量， 转轮在水的压力和速度作用下旋转，把水能（动能、势能）转换成机械能， 转轮出口水流通过尾水管排至下游；水轮机大轴把转轮的转动力矩传给与 水轮机大轴连接的发电机转子，并带动发电机转子转动，当发电机转子绕 组中通以直流电，形成磁场同时由转子旋转而产生旋转磁场。发电机定子 绕组因切割转子的旋转磁场，而在发电机三相定子绕组中产生交变感应电 势。当发电机三相定子绕组输出回路接负载时就产生交变三相电流，此交 变电流产生的磁场在发电机定子、转子形成旋转磁场，并且定子绕组产生 的旋转磁场与发电机转子的旋转磁场同向，同速，当发电机转子磁极对数 p一定时，发电机的转速n与电势的频率f有严格不变的关系，即同步关系， f=p·n/60；其中f----同步发电机电势的频率(Hz);p----同步发电机的磁 极对数;n----同步发电机转子的转速(r/min)。
• 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。
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定子叠片加固
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• 水轮发电机的转子是转换能量和传递转矩的 主要部件，一般由主轴、转子支架、磁轭、 磁极等部件组成。