浪详电站水轮发电机设计

浪详电站水轮发电机设计张拴虎（天津市天发重型水电设备制造有限公司天津 300400）摘要浪详电站装有2台水轮发电机组，单机容量为15MW，电站总装机容量为30MW。

本文论述了浪详水轮发电机的基本特性、结构设计及通风系统等。

关键词：水轮发电机结构设计通风冷却1 引言浪详水电站座落于位于珠江流域柳江水系一级支流龙江的上游（贵州境内称为打狗河）上，电站为引水式，共装机2台，单机容量15000kW。

电站在电网中担任基、峰荷运行，也可脱网单独运行。

2发电机主要技术数据型号SF15-28/5500额定功率/容量15MW/18.75MVA额定功率因数 0.80(滞后)额定电压10.5KV额定电流1030.9A额定频率50 Hz额定转速214.3r/min飞逸转速410r/min短路比 1.01额定励磁电压156V励磁电流855A额定效率 96.8％定转子绕组绝缘等级F级铁心绝缘等级 F转动惯量1000t.m2推力轴承负荷175t励磁方式静止可控硅励磁冷却系统密闭自循环径向端部回风空气冷却系统3发电机总体结构3.1总体布置发电机为三相凸极同步发电机，机组整体结构采用立轴三导悬式结构。

发电机设上、下两导轴承（水轮机设有水导），推力轴承位于转子上面上机架中心体上（见图1），采用空气冷却。

发电机主要部件包括：定子、转子、推力轴承、上导轴承和上机架、下导轴承和下机架、空气冷却系统、机械制动及系统、灭火系统等。

采用立轴三导悬式结构的优点是：机组的径向机械稳定性较好，轴承损耗较小，维护检修方便。

图1浪详电站水轮发电机总装图发电机定子机座下端经12个基础板与混凝土基础固定，上端连接上机架。

从定子铁心内径可整体吊出发电机下机架及水轮机顶盖。

可在不吊出转子、不拆除上机架的条件下，拆卸和挂装磁极，检查定子线圈端部或更换定子线圈。

转子是轴系和通风系统的组成部分。

轴系由发电机转子本体、发电机大轴、水轮机大轴及转轮组成。

转子支架、磁轭和磁极构成径向通风回路的压力源。

上机架为负荷机架，中心体上部为推力轴承，内部为上导轴承。

上机架通过6个支臂与定子机座连接。

下机架内有下导轴承，4个支臂下端通过基础板与混凝土基础固定。

支臂兼做制动器的基础。

3.2定子299定子装配由定子机座、定子铁心、定子绕组、端箍、测温装置和绝缘件、固定件等组成。

为便于运输，定子分成2瓣，运到工地后组成整圆、叠压铁芯并进行下线。

机座为十二边形,采用钢板焊接结构，机座共有四个环，机座环间采用盒形筋, 既提高了机座的刚度，又可减小机座的径向尺寸。

机座最大外径为6.5米。

高为1.31米。

定子机座具有足够的刚度和强度，它承受上机架传递的推力负荷及转子传递的电磁扭矩，具有适应定子铁心热膨胀并防止铁心翘曲的能力。

机座连同铁心及线圈安放在可调整的基础板上。

每个基础板与机座下环间设有B25X150的销钉以承受短路切向剪力，并用2个M30螺栓固紧。

基础板埋入混凝土机坑内，并可用楔子板调整高度以确保定子正确的垂直和水平位置。

基础板可承受发电机定子、上机架及其他附件的全部重量、发电机运行时的短路扭矩以及地震力、半数磁极短路造成的单边磁拉力。

定子铁心采用冷轧无取向高导磁硅钢片冲制的扇形片叠成，冲片两侧有F级绝缘漆，以降低涡流损耗。

定子铁心与定位筋之间采用加临时垫片的措施，使定子铁心与定位筋之间保留一定的间隙，以适应铁心的热变形。

定子铁心外径为Φ5500mm，内径为Φ4880mm，高为580mm，共计264个槽。

在定子铁心高度方向分为13段，通风沟高6mm。

定子铁心下端采用小齿压板结构，叠片时分段压紧，采用冷压及加热压紧的工艺，以确保铁心装压质量。

通风槽钢由轧制无磁性材料制成，具有减小铁损和提高机械性能的作用。

铁心两端采用无磁性高强度合金钢压指，以减小因端部磁场引起的附加损耗而导致的端部发热。

定子绕组为框型叠绕组，4路并联，每线圈导线为6X（2.36X5）双玻璃丝包扁线组成。

线圈的绝缘等级为F级，定子绕组的线圈之间、线圈与铜环引线之间接头均采用银铜焊。

线圈的直线部分采用适形固化绝缘材料固定，槽口槽楔固紧。

测温装置中的感温元件采用铂热电阻元件，用来监测定子线圈、定子铁心的温度。

3.3 转子转子由转子支架、磁轭及磁极等组成。

发电机全部转动零部件经过严格计算，能安全地承受最大飞逸转速5min而不产生任何变形。

发电机转子采用一根轴结构，下端通过法兰与水轮机轴连接。

转子装配平剖视图2所示。

转子支架与转轴采用整体焊接结构,转子支架由上下圆盘、立筋等焊接而成浪详电站转子支架的上下圆盘间共有7个立筋，转子支架与主轴焊为一体后传递扭矩。

圆盘式转子支架具有刚度大，传递转矩大及通风损耗小等优点。

转轴由20SiMn锻钢经精加工而成, 转轴全长5.57米,与水轮机轴联接法兰外径为φ0.9米。

并在φ0.72米园周上分布有8个φ90毫米的通孔.通过螺栓与水轮机轴法兰连接。

磁轭由低合金高强度结构钢板经冲制成冲片，在工地叠压成整体。

为提高磁轭的整体性并使拉紧螺杆受力均匀，采用三层冲片作为一个基本层，按2,1,2锯齿双返回叠片，并按八层作为一个基本循环的叠片方法，叠片后在磁轭部分形成发电机通风冷却系统所需要的风道。

磁轭采用高强度拉紧螺杆固紧成一体，与转子支架采用T型键联接而形成浮动磁轭结构，这样就使得取消磁轭定位销钉、予装螺杆、拉刀和热打键成为现实，从而大大缩短安装周期。

在发电机转子磁轭的下部，装有可拆卸的制动环，可在不拆磁轭以及不吊转子的情况下进行修理或更换。

磁极铁心由 1.5mm冷轧钢板冲制成的磁极冲片叠压而成，两端为锻钢加工的磁极压板，通过拉杆压紧。

磁极线圈用5X48的铜排扁绕而成，有效匝数为35匝，匝间用0.11毫米厚的环氧玻璃坯布以环氧树脂粘合的F级绝缘热压成型。

磁极托板为9毫米厚的玻璃布板。

转子引线为6X43铜母线。

极身绝缘采用U形结构，热压在线圈上。

磁极装有交直轴阻尼绕组。

磁级采用3个T尾与磁轭固定。

图2 转子装配平剖视图3.4 推力轴承推力轴承安装在上机架上，它由旋转部分、支300撑部分和冷却部分组成，见图3。

旋转部分由镜板、推力头和连接件组成。

推力头的材质为铸钢，它与发电机大轴用卡键和轴向键联在一起。

轴向键用以克服轴承的摩擦力矩，卡键用来传递轴承的轴向负荷。

镜板材质为高强度锻钢，为精密加工件，镜板与推力头通过螺栓把合在一起。

支撑部分由推力塑料瓦、托盘、支柱螺钉和推力轴承座组成，承担机组全部轴向负荷。

推力轴承座用来安装支柱螺钉和推力塑料瓦，固定在上机架上。

冷却部分由冷却器、油槽、挡油管等组成。

油槽和挡油管构成储油箱，它储存推力轴承运行时所需的润滑油。

机组运行时推力轴承产生的损耗借助于油冷却器的热交换，由冷却水带走。

推力轴承油槽上方设有接触式密封盖，以防油雾扩散。

图3 推力轴承结构图推力轴承瓦采用弹性金属塑料瓦。

弹性金属塑料瓦在我国水电机组上应用至今已有10余年，在大中型水轮发电机组中得到了广泛的应用。

采用塑料瓦具有以下诸多特点：（1）自润滑性能好，摩擦系数是巴氏合金瓦的十几分之一，只要少量的润滑油就能保证正常运行。

同时，降低了摩擦损耗，提高了发电机的效率。

（2）由于摩擦损耗小，使机组瓦温降低。

正常瓦温比同工况下的钨金瓦可降低20K。

（3）油冷却器短时间断水情况下，轴承了仍可安全运行，提高了机组运行的可靠性。

（4）瓦面在厂内精加工，在工地不需研刮。

（5）不需要设立高压油顶起装置，简化了运行维护。

（6）对机组“冷态”、“热态” 启动不受限制。

（7）采用塑料瓦后，允许降低制动转速，有利于减小制动瓦的磨损和制动环的发热。

在其他事故状态下，可进行惰性停机。

综上所述，塑料瓦由于瓦面具有自动调节油膜压力分布，降低了油膜压力峰值，因而瓦面相对镜板的变形很小，承载能力得到很大的提高。

采用塑料瓦后，推力轴承运行的可靠性，灵活性都有很大的提高。

安装、维护、检修也比钨金瓦简便，基本上消除了烧瓦事故的发生。

3.5 导轴承浪详发电机设置两个导轴承，上、下导轴承分别安装在上下机架内。

两者结构类似，均为内部自循环分块瓦自调式结构。

上、下导轴承均有8块在内表面铸有轴承合金的扇形轴瓦。

为防止轴电流，在轴承座圈内表面设绝缘层。

导瓦支撑采用球面支柱结构。

球面支柱由经热处理的合金结构钢制成，球面支柱支撑在导瓦背后，可使导瓦灵活转动。

用不锈钢薄垫片调整导瓦与滑转子间隙，使之调整好后保持不变。

上下导轴承的油冷却器分别是放置在上下导油槽内。

3.6上下机架上机架为负荷机架。

采用中心体带辐射形支臂的钢板焊接结构，由中心体与6个工字形截面支臂组成。

为方便运输，中心体与支臂通过合缝板用高强度合金钢螺栓组合成一体，支臂与中心体在工地组合。

下机架采用钢板焊接组合式结构，由中心体与4个辐射工字型载面支臂焊接成一整体。

下机架兼作制动器基础。

3.7其它结构发电机采用机械制动系统，4个Φ200气压复位制动器位于下机架支臂上，兼作液压顶起装置，制动器设有吸尘装置。

发电机中设有感烟型探测器和感温型探测器。

灭火装置为水喷雾灭火系统。

上、下喷雾环管布置在定子线圈附近，水喷雾头采用不锈钢材料。

集电环与刷杆座设置在发电机上机架上方，滑环由抗磨性强的钢板制成。

4通风冷却系统采用单路、径向、无风扇、定子端部回风的密闭自循环通风系统。

发电机上机架上方及下机架下方分别设置密封盖板，上机架与定子之间的风罩内，以及转子磁轭与下机架之间设置挡风板。

发电机转子上方带有旋301转挡风板、定子机座外圆上均匀布置6个空气冷却器。

电机内部的空气在由转子支架、磁轭、磁极等部件旋转而形成的压力作用下，通过气隙、定子铁心定子线圈的上下两端后经过空气冷却器，再经定子机座上方返回到转子支架，形成循环回路，见图4。

6个空气冷却器布置在定子机座外部，以并联方式连接在两个供排水环管上。

为加强装运效果，减小堵塞，冷却器采取提高水压措施，并按反冲洗结构设计。

冷却器的容量系按一个冷却器故障退出后、发电机仍能安全满发来选择。

为减少漏风量，对旋转部分与静止部分的相邻处进行特殊设计，使其保持最小间隙，使漏风量最小。

图4 通风循环系统5设计经验总结通过对浪详发电机的设计，得出以下经验：（1）采用转子支架与主轴焊为一体并同时加工的技术，省掉转子支架在工地与主轴热套的工序，发电机转子支架切向刚度大大加强，由于转子支架与轴同轴度好，可保证机组在额定和飞逸工况转子无偏心。

（2）另外采用单路、径向、无风扇、定子端部回风的密闭自循环通风系统。

此通风方式可以保证通风回路流畅，减少风损，提高效率；定转子轴向温度均匀；消除油雾和制动粉尘对发电机定、转子的污染；维护方便，运行可靠。

参考文献[1] 陈世坤主编. 电机设计.北京：机械工业出版社，1982.[2] 白延年主编.水轮发电机设计与计算.北京：机械工业出版社，1990.作者简介张拴虎 男，1969年生，1994年7月毕业于沈阳工业大学电机专业，现从事水轮发电机设计工作，工程师。