摘（zhāi）要：高轉速水輪發電機（jī）在設計和製造技術上都存在很大難度，主要以某（mǒu）水電（diàn）站（zhàn）80 MW-600 r/min 發電（diàn）機為例介紹了高（gāo）轉速水輪發電機的設計和製造（zào）特點,對該水輪發（fā）電機在定子、主軸、磁軛、磁極、軸（zhóu）承、機架、防振支撐及通（tōng）風係（xì）統等（děng）方麵的設計、製造及所采用的（de）東芝先進技（jì）術進行了說（shuō）明。為今後類似水（shuǐ）輪發（fā）電機的設計（jì）和（hé）製（zhì）造提供借鑒。

關（guān）鍵詞：高轉速水輪發電機；結構設計；電磁設計]

0 前言（yán）

     該水（shuǐ）輪發電機裝於寶興（xìng）河流域梯級開（kāi）發的龍頭水庫電站，電站采用引水式開發，地下廠房，工程任務為（wéi）發電。電站廠址位於雅安地區寶興縣。電站總裝機容量240 MW，裝（zhuāng）設3 台單機容量為（wéi）80 MW的立軸混流式水輪發電機組（zǔ）。該水輪發電機采用了許多先進的水輪發電機組設計和製造技術。本文將重點介紹該電站發電機設（shè）計和製造特點。

1 發電機主要技術數據

型號： SF80- 10/4160

額定容量： 88.89 MVA

額定功率： 80 MW

額定電壓： 13.8 kV

額定電流： 3 718.8 A

額（é）定功率因數： 0.9(滯後)

絕緣等級： F/F ( 定子/ 轉子)

額定轉速： 600 r/min

飛逸轉速： 960 r/min

轉動慣量： ≥650 t·m2

額定（dìng）勵磁電壓（yā）： 220 V

額定勵磁電流： 807 A

通風冷卻係統： 密閉循環（huán）、軸向風扇自循環

通風冷卻係統

2 發電機電（diàn）磁設計

     電磁設計主要數據（計算值）如下：

     定子鐵心外徑4 160 mm；定子鐵心內徑3 300mm；定子鐵心（xīn）高（gāo）度1 902 mm；縱軸（zhóu）同步電抗Xd (標幺值)1.044；縱軸瞬變電抗Xd’（ 標幺值）0.315；縱軸超瞬變電抗Xd”（標幺值）0.187；短路比>1.0。

3 總體結構（gòu）

      發電機為立軸懸式、三（sān）相（xiàng）凸極同（tóng）步（bù）發（fā）電機，采用密閉循（xún）環、軸向風（fēng）扇自循環通風及空氣冷卻的形式。發電機主要由定（dìng）子、轉子、上下機架、上下導（dǎo）軸承及推力軸承、製動和頂起係統、滅火係統、空氣冷卻係統、自（zì）動（dòng）化係統等組成。見圖1。

4 結構設計（jì）和安裝特（tè）點

4.1 定子

      定子由（yóu）定子機座、定子鐵心、定子繞組等組成。定子機座整體結（jié）構（gòu），鐵心疊裝和繞組下線在工地進行。

      發電機定子機座為正12 邊形，機座對邊尺寸為5 300 mm，機座高（gāo）3 050 mm。機座設頂環、上環、中環及下（xià）環（huán）（大齒壓板），環（huán）間沿圓（yuán）周布置加強立筋、支撐管和導風板。定子（zǐ）機座內腔及大齒壓板在（zài）工廠加工。上（shàng）齒壓板采用分（fèn）塊式結構。上、下齒壓板的壓指及通風槽鋼均采用非磁性材料，以減小漏磁損耗。定子機座與基礎板（bǎn）采用徑向銷定位，允許定子機座受熱膨脹時徑向自由移動（dòng）。

      定（dìng）子鐵心（xīn）由0.5 mm 厚的50W270 矽鋼片在現場疊壓、分段壓緊而成。定位（wèi）拉緊螺杆采（cǎi）用特殊的與定位筋合為一體的結構。合適的（de）鴿尾筋數量、適當的（de）定子機座剛性結構，使定子鐵心能（néng）與機座同（tóng）步（bù）膨脹而不會變形翹曲。

      定子繞組為雙層條式波繞組、2 支路星形（xíng）連接。繞組絕緣等級為F 級（jí）。定子線棒采用槽內360°羅貝（bèi）爾換位，以降低附加損耗和均衡線棒中股線間的溫差。上、下層線圈端（duān）頭采用分3 組對接（jiē）銀焊（hàn）的（de）結構。

     4.2 轉子

      轉子采用單軸結構，由主軸、磁軛和磁極等部件組成。轉子的設計充分考（kǎo）慮該機組高轉速的特點，各零部件的強度及剛度均（jun1）能得到保證。發電機主軸采用分段鍛造（zào），再焊成一（yī）體的結構，材質為20SiMn；其中（zhōng）部（bù）與轉（zhuǎn）子磁（cí）軛在工廠熱套成一（yī）體；上部與推力頭現場套裝，通過卡環承（chéng）受軸向負荷，通過軸向鍵傳（chuán）遞轉矩；主軸下側（cè）設滑轉子與下導軸承相配，下部法（fǎ）蘭與水輪（lún）機軸相連。

     磁軛采用高強度環形厚鋼板疊壓（yā）後焊成一體結構（gòu），在數控車床上（shàng）精確加工內圓以及外周T 尾槽。磁軛整體加（jiā）工完成後（hòu）在工廠采用小（xiǎo）過盈熱套在發電機大軸上，一體運輸。磁軛與主軸通過周向均布的5 組T 型鍵傳遞扭矩，頂轉子時由卡環軸向限位。這種磁軛具有結構簡單，整體性好（hǎo），安裝方便等（děng）優（yōu）點。磁極由磁極鐵心（xīn）、阻尼繞組及套於（yú）鐵心的（de）磁極線圈組成。

      磁極鐵心由1.5 mm 厚的高強度薄鋼板（bǎn）疊壓而成，並（bìng）用拉緊螺杆（gǎn）壓緊。鐵心設雙T 尾（wěi）掛裝在磁軛上，可滿足高轉速下高應（yīng）力的需（xū）要（yào）。磁極端板采用高強度（dù）厚鋼板焊接而成。磁極線圈由兩種寬度不同的半（bàn）硬紫銅排焊接而成。這種線圈由於表麵有凸出（chū）的散熱匝，可成倍增加其散熱麵積,從而降低線圈的溫（wēn）升，且線圈的形狀規整。線圈（quān）匝間墊以Nomex 絕（jué）緣紙，與銅排熱壓成一（yī）體。線圈對（duì）地絕緣除了極身絕緣外，在極身四周角部設置角絕（jué）緣。磁極線圈上部除了設有上絕緣法蘭，還設有不鏽鋼滑動法蘭，以適應磁極線圈熱膨脹作用下的滑動（dòng），防止匝間（jiān）絕（jué）緣損壞；下部設有下絕緣（yuán）法蘭和鐵法蘭。同（tóng）時為了（le）克服線圈（quān）在離心力作用下產生（shēng）的側向分量，在極間設置3 組線圈支撐。詳（xiáng）見圖2。

     磁極采用雙T 尾掛裝方式。在磁極鐵心上下（xià）兩端T 尾各打入一對短楔形鍵將磁（cí）極楔緊在磁軛上，並用壓（yā）板鎖定楔形鍵，這種結構磁極鍵拆裝方便。轉子設有縱、橫阻尼繞（rào）組。阻尼環采用銷子可靠地固定於（yú）磁極端板上，阻尼環連（lián）接采（cǎi）用軟連接，並通過非磁性拉緊螺（luó）杆可靠地固定（dìng）在磁軛上，以承受離心力的作用（yòng）。磁極的上部（bù）極間引出線通過內穿式下部引出，並采用與下（xià）部（bù）極間引出線相同的方式固定在磁軛上，以承受離心力的作用。勵磁引線（xiàn）由銅排製成，通（tōng）過布置在磁軛上端的勵磁引線及軸（zhóu）內勵磁引線沿（yán）發電機大軸接至集電環（huán）。

4.3 軸承

      推力軸承及（jí）上導軸承布置（zhì）在上機架中心體（tǐ）油槽內，分別（bié）承受機組軸向負荷和一部分徑向負荷。推力頭與（yǔ）主軸采用熱套結構，推力頭在現場與鏡板用螺栓連接後，熱套於發電機主軸上。

      推力軸承采用（yòng）東芝典型支撐結構，推力軸瓦由小彈簧簇支撐，這種結構具有性能可靠、瓦間受力（lì）均勻、瓦（wǎ）變形小、抗傾覆能力強以及安（ān）裝維護方便等優點。推力（lì）軸承由9 塊扇形瓦組成。推力軸瓦采用塑料瓦。推力瓦支（zhī）撐麵為麵接觸，可有效減小瓦麵的機械變形。支撐（chēng）彈簧（huáng）和各塑料瓦（wǎ）由工廠加工保證精度（dù），現場不需作推力瓦受力調整。

      推力及上導軸承采用鏡板泵自循環外置油冷卻器冷卻的方式（shì），冷卻循環（huán）油的（de）油壓由旋（xuán）轉著的推力頭上的孔產生，油通過油管進入油冷卻器冷（lěng）卻（què）後，再經（jīng）油（yóu）管回到油（yóu）槽，冷卻推力瓦及（jí）上導瓦後再進入鏡板（bǎn）泵循環。此結構無需提供外（wài）加動力，維（wéi）護方便。

      上導軸承由為分（fèn）塊瓦結構，瓦麵為巴氏合金。導軸（zhóu）承采（cǎi）用支柱支撐結構，瓦的背麵有球麵支承柱，該結構在運（yùn）行時（shí）導瓦能靈活偏轉，導瓦支撐的調整具有方便、可靠、準確等優點。推力頭（tóu）的外周麵作為上導軸承瓦的摩擦麵。

      下導軸承也為分塊瓦結構，瓦（wǎ）麵為巴氏合金，支撐結構與（yǔ）上導相同。下（xià）導軸承采用（yòng）內循環潤滑冷卻方式，油槽內設（shè）兩個半環高效油冷器。導軸承支撐結構見圖4。

       4.4 機架

      上（shàng）機架為負荷機架，采用整體焊接結（jié）構。它由中心體和6 條支（zhī）臂（bì）組成。中心體作為推力及（jí）上導油槽使（shǐ）用。上機（jī）架用銷釘定（dìng）位，並通過螺栓把合在定子（zǐ）機座上，上機架承受垂直負荷（hé），並經定子機座（zuò）傳遞至基礎。上機架還承擔因轉動部件的徑（jìng）向機械不平衡力和（hé）徑向電磁不平衡力以及徑向的熱膨脹力，並通過切（qiē）向防振支撐將徑向力轉為切向（xiàng）力傳遞至基礎。上機架的設計具有足夠的軸向和徑向剛度。

      下機架為上下兩圓盤式整體（tǐ）結構。中心體作為（wéi）下導軸承的油槽使用。製動器放置在上圓盤支臂上（shàng）。整個下機架通過連接板固定（dìng）在下（xià）機架基礎上。下（xià）機架還承擔因轉動部件（jiàn）的徑向機（jī）械不平衡力和徑向電（diàn）磁不平衡力，並通（tōng）過徑向防振支撐傳遞至基礎。下（xià）機架具有足夠的軸向和（hé）徑（jìng）向剛度，並且（qiě）結構上可以從定子鐵心（xīn）內（nèi）徑取出。

     4.5 防振支撐

      防（fáng）振支撐的徑向剛度對軸係的（de）穩定性非常重要，上機架防振支撐采用（yòng）了切向支撐結構，通過有限元分析計算（suàn）整個上機架係（xì）統的（de）徑向剛（gāng）度。下防（fáng）振支撐采用（yòng）支柱式支撐結構，預緊力的調整非常方便。下防振支撐彈性體為彈性板結（jié）構（gòu），這種結構在滿（mǎn）足徑向剛度要求的同時還具有一定（dìng）的彈性，能減輕（qīng）機組的振動。

5 通風及冷卻係統

      發電機采用密閉（bì）循（xún）環，雙路軸向風扇，自通（tōng）風冷卻方式。

     由於本發電機轉子尺寸小，轉子磁極本身（shēn）產生的風量不能滿（mǎn）足冷卻要求。在磁軛（è）上（shàng）、下兩端采用了風損小（xiǎo）、風壓平穩（wěn）、噪音（yīn）小的軸向風扇。

      定子機座外裝（zhuāng）設6 隻空氣冷卻器（qì）。空冷器為LTS 薄片脹管式空氣（qì）熱（rè）交換器，該結構具有風阻（zǔ）低、傳熱效率高、用水量少、清洗（xǐ）方（fāng）便等優點。當一台空冷（lěng）器退出運行時，能滿足（zú）發電機額定運行（háng）。

6 結束語（yǔ）

     該水輪發電（diàn）機是通過引進（jìn）東芝在高轉速、大容量機組方麵的先進技術（shù）及（jí）結合國內高轉速機組使（shǐ）用經驗的基礎上完成的。自2006 年12 月首台機組（zǔ）投運以來，目前3 台水輪發電（diàn）機均運行穩定，性能良好，發電機（jī）定轉子（zǐ）溫升，振動及擺度均滿足合同要（yào）求。為今後類似的高轉（zhuǎn）速、大（dà）容量（liàng）水輪發電機（jī）的設計和製造提供（gòng）借鑒。