水轮发电机组设计原理

ALSTOM水轮发电机设计原理
1 概述
没有哪种其他类型的发电机象水轮机驱动的同步发电机那样，其设计和尺寸受到许多因素的影响。

在蒸汽、气体和联合循环发电厂中使用的蜗轮发电机有着标准的转速和过速值以及统一的结构形式，因而有着相当程度的标准化设计。

对于水力发电机，由于基本决定性特性有着很大的差别，以至于两个电厂即使其额定功率相同，也仅在很特殊的情况下才使用相同的发电机。

水轮发电机的这种决定的因素多样性是由水能本身的特性造成的。

特别是以下两个决定性特性：
●水能的地域限制，由此也决定了水电厂的建造位置。

蒸汽发电厂可以建造在用户的附近，而
水电厂通常建造在距离用户很远的地方。

因此长距离的能源输送必不可少的。

这就对发电机
的无功容量（用于远程高电压传输）和稳定性产生了额外的要求。

●水能可以以不同形式被利用。

在山区我们利用中等水量、高水头水能，但是，在低的地区，
可以利用低水头但水量较大的水能。

因此有必要对不同类型的水轮机作一个简要介绍。

2 水轮机
本章主要概述最重要的几种水轮机类型。

本章资料由挪威Kvaerner Energy和瑞士的Sulzer Energy提供。

2.1 水轮机型式概述
根据流量和水头的不同使用不同类型的水轮机。

从下面的公式可看出能量可由于高水头、低流量获得也可由低水头、大流量获得。

P( kW)=9.81 H(m)* Q(m3/ s ). （1）这个公式定义了总的功率输出。

事实上还存在压力钢管处和水轮机自身的能量损失。

水轮机输出至发电机的功率可以用下式粗略估计。

P( kW)=8.5 H(m)* Q(m3/ s ). （2）水轮机转速并没有在上述等式中出现。

水轮机转速是水轮机制造商进行优化处理的结果。

一般说来，对于高水头的水轮机，水轮机转速相对较高，而对于低水头水轮机转速则相对较低。

由于水轮机和发电机通常直接相连，水轮机速度必须和发电机的同步转速相匹配，因此水轮发电组的转速由水轮机制造商根据可能的同步转速选定。

电网的频率由电网给出（也就是50 Hz），发电机磁极对数（p）的选择应满足下列等式：
f( Hz) = p.n(rpm) *1/60
下表显示了磁极对数和对应50 Hz网频的同步转速（单位为rpm）。

对60 Hz网频转速都必须乘以
水轮机的飞逸转速是水轮机组达到设定的满负荷后,解除发电机造成的转速上升的极限速度。

它是在调节装置故障、设备断开及发电机出口断路器跳开这种不正常的工况下发生的。

在这种工况下发电机频率与电网频率不一致。

定子电流输出被切断，由水轮机产生的机械功率不再传递给定子，而用于加速机组，使其达到飞逸转速。

通常要评定发电机和水轮机的所有旋转部件在飞逸转速时所承受的应力。

应该切记机械应力与旋转速度的平方成正比。

飞逸转速与额定转速的比率由水轮机的型式决定。

在下列章节中将给出不同类型的水轮机的特征数据。

基于运行考虑，在机组正常工况下甩100%负荷时，要求转速的上升限制在一定的范围内。

通常要求这种甩满负荷的转速最大增至额定转速的130～140 %。

转速增加的原因一方面是由于电网一侧
的负荷突然甩掉（出口开关跳闸），另一方面由于正常工作的水轮机的调节装置有数秒的关闭时间，在此期间，驱动力矩仍然存在并加速机组，上升的速率取决于整个轴系的惯性质量。

对于给定力矩，惯性质量越大，速度上升的越慢。

因此需注意到水轮机的转轮相对发电机的转子质量要轻，因此发电机的转子是决定惯性质量的主要部件。

图1。

不同水头(H)和不同流量(Q)下水轮机型式
2.2 冲击式水轮机（Pelton Turbine）
冲击式水轮机由分布在圆周的水斗式轮叶组成，一个或多个喷嘴冲击这些水斗。

因此，这种水轮机也叫自由喷射式水轮机。

在水流离开水斗之后，水流实际上已没有动能，落入下游。

图2：带有球形阀和水嘴的多喷头冲击式水轮机
喷嘴上的阀针是一个调节和关闭装置。

冲击式水轮机通常用于高水头电站（最高1900m）。

同时，由于其简单，也可用于低水头和小流量电站。

在网频为50HZ时，冲击式水轮机典型的同步速度在1000rpm和428.6rpm之间。

通常这种水轮机的飞逸转速是额定转速的1.8至1.9倍。

2.3 轴流式水轮机（Kaplan Turbine）
Kaplan水轮机有纯轴流式转轮。

将转轮叶片以适当方式安装在转毂上使其可以转动。

水流通过蜗壳进来，带有转动导叶的环形分配器作为关闭装置，它和转轮上的转动叶片一起构成调节装置。

由于这种双重调节作用，Kaplan式水轮机在带部分负载时仍有很好的效率。

因而Kaplan水轮机适应用于不同的水流状况。

图3。

带有蜗壳和导叶的Kaplan水轮机
轴流定浆式水轮机（Propeller Turbine）其轮叶固定，它是Kaplan水轮机的一种特殊型式。

其优点是用于调节轮叶的复杂接力机构被取消了，但缺点是在带部分负荷时效率较低。

在有多台机组的发电厂，这一缺点可以通过选择合适的运行机组台数来补偿，这样每台机都运行在额定功率附近，因此有较高的效率。

图4 灯泡室内发电机一体化的典型灯泡式水轮机（Kavarner）在径流式电站，当电站规模较小及电站位置较低时，我们采用一种特殊类型的Kaplan机组，叫灯泡式机组。

水流直接从上游流入下游，因此其压能损失比典型的直立式Kaplan机组要小。

直立式Kaplan机组的水流是水平流入，从水轮机垂直流出。

另一种类型的Kaplan水轮机是为潮汐电站设计的，然而它主要用在径流式老电站的改建，这些老电站不能改变现有的厂房，由于它轴向长度短，结构紧凑，因而经常被采用。

这种水轮机没有轮叶调节，因此它是定浆式水轮机的一种。

由于水流垂直流过水轮机，这种水轮机叫作STRAFLO（贯流式水轮机）。

图5 带发电机的贯流式水轮机（Sulzer-ABB）
在50HZ网频时Kaplan水轮机的典型转速低于200转/分钟。

直立式Kaplan机组的最大输出功率为约200MW，灯泡式机组为90MW，贯流式机组为20MW。

这些类型的水轮机组的飞逸转速通常是额定转速的2.5至3.5倍。

2.4混流式水轮机（Francis Turbine）
在混流式水轮机中，水从转轮的周围进入，水流从蜗壳径向流入水轮机大轴，然后轴向流出。

转轮上的叶片互相遮盖形成水流通道，允许连续的水流从上游侧流向下游侧。

只有部分能量被转轮消耗，大部分能量随着水流流向尾水，尾水管与转轮相连，承担着利用剩余动能的功能，在尾水管里水流速度减慢产生负压效果，这个能量转换过程叫做尾水管回收。

带导叶的环形分配器用于切断和调节水流。

混流式水轮机适用于中等水头的电站，尽管最近它更多用于高水头电站。

如今600m水头甚至更高水头的混流式机组已投入运行。

混流式机组也被用于超大容量、低转速机组，如巴西和巴拉圭的伊泰普机组。

由于应用广泛，混流式机组的同步转速可从500rpm到不足100rpm。

其典型飞逸转速为额定转速的1.7至2.2倍。

图6. 带蜗壳和保护压力钢管用的集成旁通阀的混流式机组
2.5 泵式（可逆式）水轮机(Pump Turbine)
可逆式水轮机是一种既可抽水、又可发电的水力机械。

它通常是一种特殊设计的混流式水轮机，在设计混流式水轮机时结构方面的考虑，同样适用于可逆式水轮机。

图7. 高水头可逆式水轮机（Kvaerner）
这些机组的典型飞逸转速稍低于常见的混流式水轮机，其与额定转速的比值为1.5至1.6。

3 水力发电机的结构形式
3.1 水力发电机的要求
前面的章节详细地介绍了水轮机结构形式和设计的多样性。

由于水轮机的多样性，就会对与其相连的发电机产生一系列的要求。

电网对发电机也给定了一些要求，如无功容量、功率因素、电抗甚至定子出线电压都有定义。

对水轮发电机系统及重要的要求在下图中作了简短的概括。

图8. 同步电机的基本原理和水力发电机的设计
3.2 ALSTOM POWER水轮发电机发展过程中的一些里程碑
下列曲线表明ALSTOM POWER水轮发电机在过去几十年的发展情况，曲线中给定了几个特征数据：输出功率/机组（低转速发电机），输出功率/磁极（高转速机组）。

图9 输出功率/机组（低转速发电机，上图），输出功率/磁极（高转速机组，下图）
3.3水轮发电机设计的影响因素
除了由水轮机和电网给定的要求外，还有其他各种影响因素决定水力发电机的设计。

通常这些信息在发电机详细设计时给出，但有时它们也是内部优化处理过程的结果。

下面列出一些典型的例子：
●设计运输重、大部件及装配的尺寸限制
●发电机的安装（垂直/水平），轴承布置
●特殊外购要求
●指定车间的制造能力
●冷却系统；冷却水允许的最大温升
●抵抗地震的能力
将水轮机和电网的要求以及以上种种因素考虑进去，电气设计工程师可以开始工作。

通常设计结果是以下四种类型发电机的一种：
图10 . 不同应用的发电机结构型式
应根据机组功率输出值或高转速机组单个磁极的功输出值，定义机组冷却型式。

图11给出了几种典型的冷却方法及它们的应用。

图11. 典型冷却方式极其应用
4 水力发电机的设计
4.1 大容量低转速机组
这种机组应用于径流式电站的运行，它们由混流式或轴流式水轮机驱动，因为发电机尺寸大，按单个部件制造和运输，最后在现场装配。

水力发电机一般由闭环空冷回路冷却，转子中心和转子磁轭起径向风扇作用，因此被称作“径向通风”。

从转子中心出来的空气先冷却转子上的磁极绕组，定子由穿过定子径向槽的冷却空气间接冷却或者由定子绕组冷却水直接冷却。

定子水冷方式主要应用于超大型低转速机组（大于700MW）。

图12 大容量低转速机组—通风回路和例子：土耳其KARAKAYA。

4.2 高转速机组
这种机组应用于山区高水头电站，它们由混流式或冲击式水轮机驱动，这些水力发电机通常在工
厂制成大型部件（定子，转子，轴承），最后在现场装配。

高转速机组通常由闭环空冷回路冷却，转子装有轴向风扇，因此被称作“轴向通风”。

可逆式机组有两个6旋转方向，电动风扇将冷却空气吹入机组，与机组旋转方向无关。

磁极绕组由轴向气流冷却，对于超过22MV A/磁极的大型机组，采用水冷直接冷却磁极绕组，定子由穿过定子径向槽的冷却空气间接冷却或者直接由定子绕组冷却水冷却。

定子水冷方式通常与转子水冷方式一起用于大型高转速机组（大于350MW ）。

图13 高速机组—空冷机组通风回路，全水冷机组的水循环回路。

定子铁芯通过定子背后的冷却水管冷却。

4.3 灯泡式发电机
这些机组应用于径流式电站，由灯泡式水轮机驱动。

由于其发电机是放置于水流中，其尺寸必须与灯泡室匹配，中空的灯泡体由位于上游的半球形灯泡鼻端和相邻的构成发电机室的柱状部分构成。

这些机组通常由闭环空冷回路冷却，用电动风扇来循环冷却空气，用于提供冷却空气的空—热交换器由二次冷却水回路冷却，二次冷却水回路为安放在灯泡鼻端周围的轮缘导管冷却器。

轮缘导管冷却器把二次冷却水回路热量交换至河水中。

下图所示为Alstom Power 制造的灯泡式发电机，在大型机组中使用了带V 形元件的特殊定子设计和带斜支臂的转子。

图14 直接驱动的灯泡式发电机，32.6MV A 电动风扇式空气循环.
4.4 抽水蓄能式机组
抽水蓄能式发电机按照上面介绍的原理制造，在抽水蓄能电站，机组需加速到同步转速，可能有不同的启动步骤。

图15
5 ALSTOM 自从1891年ALSTOM 与许多竞争者一起制造水轮发电机。

水轮发电机是一个相对简单的机器。

因此有必要与我们竞争者的设计比较，了解我们的优点。

在5（1）中描述了为不同的部件进行的设计。

在建造一些大型的水轮发电机的过程中遇到的一些主要问题略述如下：
旋转部件和静止部件之间的径向间隙（如气隙，风道密封的间隙和导轴承间隙）较小。

由于离心力和温升引起的膨胀与间隙的大小属于同一数量级，当这些膨胀不能相对自由的扩展，内应力就会产生，对基础会形成很大的作用力。

尽管我们希望自由膨胀，仍需使转子和定子的同心度和圆度确保在很小的范围内，因为发电机励磁所产生的磁拉力将导致离心率的增加或失圆。

这种偏心的运动或变形将减小间隙和气隙。

在事故工况下，这种运动甚至可能消除气隙。

机组部件的振动特性要进行选择，以使某种振动方式的特征频率（自然频率）远离激磁频率，机械、水力和电磁力产生的激磁频率应低于转动频率和超过磁极的频率。

推力轴承必须承受所有运行工况下转子的自重以及水轮机的轴向推力。

当发电机达到额定转速时，轴承还需承受负载。

为了带较高的负载而不使轴瓦的载荷超过规定，因此有必要设计更大的轴瓦。

由于压力和温度不平衡引起部件变形，使得决定油膜的几何形状尤为重要，它同时还决定了轴承运行的可靠性。

我们知道，今天水轮机制造商面临很多的挑战。

ALSTOM POWER 提出不同的杰出的设计理念来满足以上提出的不同需求。

5.1斜元件
通常，斜元件用于连接两个处于同一平面但有不同的直径环形部件，基础与轴承罩的连接及转子磁轭与转子中心体的连接包括在这种范畴内。

弹性斜板用于连接相同直径、处于平行的不同平面上的两个环形部件，本类包括与基础与定子机架的连接及定子机架与上机架的连接，这两类系统在机械特性和性能上十分相似。

随着同心膨胀，斜元件将在阻力较小的方向上偏移，相连的两个环彼此关联，因而能保持极好的同心度。

当有任何扭力或径向变形时，元件将在机械阻力最大的方向上产生变形。

从而给轴承机架和转子中心体提供很好的稳定性和刚性。

下面照片所示为定子和轴承机架采用斜元件的ALSTOM POWER水力发电机。

对不同部件的斜元件设计的描述详见（2）。

图16 定子和轴承机架采用斜元件的的水力发电机
5.1.1 定子机架
在传统的定子设计中，使用滑动元件来避免定子铁芯的翘曲变形（当受热时，定子铁芯不能径向膨胀所产生的波浪变形）。

但是在传统设计中，为维持环的稳定性，定子机架必须有较高的弯曲刚性。

径向滑动元件不能防止定子的弯曲，定子的扭力和由导向件摩擦引起的椭圆度是不确定的，因此有必要对导向件进行定期的检查和维护，以防止无法控制的摩擦甚至阻塞的发生。

定子机架和基座间固定连接的斜板能确保与定子发生同等程度的膨胀。

另外，这种布置给离心位移提供了刚性连接。

从而防止椭圆和径向偏差。

这种固定连接是免维护的和不需要定期进行检查的有固定基础的斜板滑动基础的径向导件
■自由热膨胀■自由热膨胀
■高度环稳定性■低固有环稳定性
■高同心力度■低同心力度
■高度控制系统的共振■不能控制系统的共振
■免维护■需要定期维护
图17 斜元件和滑动元件之间的比较
在传统设计中不能满足定子机架的刚度和自然频率的最佳调整这两个要求。

共振常发生在系统频率附近（短路及故障同期时的气隙扭矩有一重要的网频分量，即50或60HZ），这将导致动态扭矩高度放大，在最坏的情况下将对基座产生很大的应力。

下图显示一个典型的相对时间变化的短路气隙扭矩。

图18 相对时间的短路扭矩和电流-------三相短路的典型情况
激磁扭矩随着系统共振曲线增加而增加，传统的滑动元件系统其共振频率接近激磁频率，定子斜元件可以调谐共振频率，从而使基础受力小于传统受力的10%。

图19 ALSTOM POWER 定子采用斜元件设计与传统的滑动元件设计基础受力的比较
带斜元件的定子机架设计是保证在各种运行工况下都有最优系统性能的唯一解决方法。

它既可以维持正常运行时的最佳稳定性，又可在系统故障的最差工况下极大程度地减小作用在定子和基础的应力。

5.1.2转子中心
斜元件既保证了定子的高环形和稳定的同心度，也保证在热膨胀、离心力和操作力矩情况下的最优回弹性。

转子中心体或转子磁轭产生的任何膨胀，均被磁轭相对中心体的反向旋转所吸收，同时也最大程度地减小离心力所产生的应力。

此外，径向通风增强了，这是由于支臂的尺寸减小，使得通过转子的径向气流空间变大。

当将磁轭热套在转子支架上时，也需要支架支臂的斜元件设计，它将防止在中心体上产生径向作用和变形力。

图20 转子支架径向支臂与ALSTOM POWER的斜元件支臂的比较
5.1.3轴承机架
下机架把横向力和轴向力从转子轴传向基础，其对同心度和热膨胀的要求是与定子和转子相似的。

带有径向支臂的传统轴承机架，不能协调对径向力的高弹回弹性和对偏心位移力的刚度这两个互相矛盾的要求。

因此带有径向支臂的机架与基础之间用滑动元件连接，不论怎样，由于产生摩擦阻力,其同心稳定性将会减小。

带斜支臂的轴承机架有着最好的系统性能：高同心稳定性，斜支臂与基础连接牢固。

径向弹性为反映临界弯曲速度稳定性的重要参数，与径向支臂的传统机架相比，斜支臂机架使径向弹性参数（临界弯曲速度稳定性的重要参数）最优化，此外由于热应力导致基础上的受力也降低了20%。

下列曲线清楚地表明，与带滑动元件的径向支臂相比，斜支架的径向刚度得到改善，且基础上的受力也减小了。

图21 径向轴承机架与ALSTOM POWER的斜元件轴承机架的比较
5.2 定子铁芯的压紧系统
定子铁芯由低损耗的低碳硅合金叠片构成。

在冲压并对0.5mm厚的叠片进行去毛刺之后，在叠片两边，刷有一薄层能耐高温的电气绝缘漆。

安装叠片时要非常小心，防止由于叠片短路而导致局部过热。

叠片由棱柱形横断面的楔形棒定位，楔形棒由冲出的公差很小的叠片精确定位在定子机架内孔。

当叠片达到一定高度时用固定板将楔形棒焊接在机架筋板的最终位置上。

定子铁芯与定子机架的这种连接方式能使其内径保持在公差范围内的最大值，并清楚的定义了工作力矩和其它力传到定子机架，再由定子机架传到基础。

我们知道，定子铁芯设计非常重要的一点是铁芯压紧系统。

松动的铁芯会振动而发出嗡嗡的声音，松掉的定子部件也会对定子绕组造成巨大损害。

叠片的振动会破坏叠片的绝缘，所以铁损也会增加很多。

在某一点上能量的聚集可能导致叫“铁火”的现象发生，出现这种情况需要很长的时间来修理。

因此必须确保即使经过长时间的运行之后定子铁芯内部仍有良好、均匀的压力。

叠片是用液压工具压紧，压紧操作是通过在穿过铁芯的预压螺栓上施以压力来完成的。

需要预压是因为即使由于温度或振动而需调整铁芯时，其内部仍有残余的压力。

ALSTOM POWER铁芯压紧系统提供了铁芯内部高且均匀的压力，且不对定子机架产生任何作用力。

图22 用穿过铁芯的螺栓组成的定子铁芯压紧系统与常见的螺杆在定子后部的系统的比较。

压指把压力传递给定子铁芯齿部，因而防止了齿部的振动对定子绕组绝缘可能造成的损害。

基于径向冷却气流将定子铁芯轴向划分为单独的铁芯段。

通过垫片形成冷却风道，因此要合理选择垫片的数量和布置方式，保证压力均匀分配。

5.3 定子绕组绝缘系统
定子绕组的可靠性主要由其绝缘质量来决定。

ALSTOM POWE 自1960年起使用的MICADUR 和MICAREX 绝缘系统在所有机组上都产生了极好的效果，即使在恶劣工况下也不例外。

MICADUR 系统可用于线棒和线圈绕组。

它由在合成树脂中真空浸渍并接着缠绕起来的连续绝缘带组成。

一种玻璃纤维带用作高品质云母片的载体，一种特别开发的免溶剂的环氧树脂作为浸渍介质。

因此MICADUR被叫作真空压力浸渍（VPI）绝缘系统。

MICAREX 系统可用于线棒和线圈绕组，它由在合成树脂预浸渍并接着缠绕起来的连续绝缘带组成。

一种玻璃纤维带用作高品质云母片和环氧树脂的载体。

MICAREX因此被称为多树脂绝缘系统-----RESIN RICH （RR）。

下图显示了用MICADUR 绝缘及不锈钢中空管直接纯水冷却的定子线棒的简化截面图。

使用不锈钢材料是避免中空管堵塞，并允许高速水流流过来增加冷却系统的热传递量。

图23 MICADUR绝缘系统---带不锈钢中空股线的直接冷却线棒系统。

绕组线棒或线圈的安装对绕组的运行和寿命有很大的影响。

在正常运行和非正常运行期间，要使各种力对绕组无损害，绕组必须正确地固定在槽内及伸出
部位。

下面显示的就是其中一个最有效的系统。

图24 使用两层槽楔和波纹弹簧的环绕绑扎——在槽部的线棒或线圈由夹有弹性硅化物的折叠半导体箔片缠绕。

这种系统能保证线棒与槽部有好的机械和电气连接。

5.4 自泵式轴瓦
由ALSTOM POWER 开发的独创性的自泵式轴瓦能用于所有型式的发电机。

这种已申请专利的自泵轴瓦是在一种常用的水动力学原理的倾斜轴瓦的基础上开发出来的。

瓦块浸在油中，与转动表面接触，除润滑间隙外，瓦块与转动表面间还产生一个间隙，叫“泵隙”，这个“泵隙”的高度是通常油膜间隙高度的几倍。

转动部件的运转轴承表面将油吸附到泵隙，泵隙远端的油膜突然减至油膜间隙的高度，同时有一个开口排泄过多的泵油。

这种结构形式下，只有很少的一部分油能沿着瓦块泵隙流得更远，其余泵油排掉了。

实际泵油量主要依赖排油沟有效的背压。

正确的方法是直接从运动的轴承表面泵油，因为油膜内的温升通常发生在这里。

图25 ALSTOM POWER 的自泵导轴瓦---------照片和原理
5.5 承载高载荷的双层推力轴瓦
如今转子重量和水推力总重可达到6000吨，我们要求推力轴承能在机组转速的全范围内可靠地承载负荷。

新型轴承的发展与详细计算镜板与轴瓦之间润滑油膜的计算机程序的联合，是解决前面提到的机组容量限制的先决条件。

ALSTOM POWER 开发的双层推力轴承已经在巴西的Foz do Areia机组上得到验证。

双层轴瓦保证超大轴瓦在径向长度上有一个均匀的油膜厚度，其温度及压力分布也比传统的轴瓦均匀地多。

图26 带不同弹性的支撑销的双层推力轴瓦，以获得均匀的温度和压力分布（左：三峡试验瓦，右；原理结构图）。

使用原始部件在仿真条件下做的轴承试证实了轴承的这些功能。

6 电气设计
6.1 概述
利用系数
利用系数C与电机的力矩强度直接相关，这个系数表明电磁机械的利用率，它由线性电流强度A （定子绕组中的）和气隙磁通强度B决定（间接反映在磁路内的磁载荷）。

利用系数主要依赖机器类型、机组额定值、运行条件，尤其依赖冷却系统。

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额定转速
有效长度
转子直径
气隙磁通强度
电枢线性电流强度
额定视在功率这个图显示了三相水力发电机的平均值。

对凸极式发电机（主要是因为通风），利用系数随着磁极额定值（MV A/磁极）的增加而增加，同时也依赖于发电机自身的大小。

最大利用率的水力发电机需要用直接水冷。

线性电流密度
根据尺寸大小和通风方式的不同，空冷式发电机的线性电流密度A在50到90×103 A/m之间。

对于定子水冷以及转子也可能采用水冷的大型水力发电机，其值可高达130×103 A/m。

气隙磁通强度。