摘要：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，主要以某水（shuǐ）電站80 MW-600 r/min 發電機為例介紹了高轉速水輪發電機的設計和製（zhì）造特點,對該水輪發電機在定子、主軸、磁軛（è）、磁極、軸承、機架、防振支撐及通風係統（tǒng）等方麵的設計、製（zhì）造及所采（cǎi）用的東芝先進技術進行了說明（míng）。為今後類似水輪發電機的設計和製造（zào）提供借鑒。

關鍵詞：高（gāo）轉速水（shuǐ）輪發電（diàn）機；結構設計；電磁設計]

0 前（qián）言

     該水輪發電機裝於寶興河（hé）流域梯級開發（fā）的龍（lóng）頭水庫電站，電（diàn）站采用（yòng）引（yǐn）水式開發，地下廠房，工程任務為（wéi）發電。電站廠址（zhǐ）位於雅安地（dì）區（qū）寶興縣。電站（zhàn）總裝機容量240 MW，裝設3 台（tái）單機容量為80 MW的立軸混流式水輪發電機（jī）組。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（shào）該（gāi）電站發電機設計和製造特點（diǎn）。

1 發電機主要技術數據

型號： SF80- 10/4160

額（é）定容量： 88.89 MVA

額定功率： 80 MW

額定（dìng）電壓（yā）： 13.8 kV

額定電流： 3 718.8 A

額定功率因數： 0.9(滯後)

絕緣等級： F/F ( 定子（zǐ）/ 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（xì）統： 密閉（bì）循環、軸向風扇自循環

通風冷卻係（xì）統

2 發電（diàn）機電磁設計

     電磁設計（jì）主要數（shù）據（計算值）如下：

     定子鐵心外徑（jìng）4 160 mm；定子鐵心內徑3 300mm；定（dìng）子鐵心高度1 902 mm；縱軸同步（bù）電抗Xd (標幺值)1.044；縱軸瞬（shùn）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

      發電機為立軸懸（xuán）式、三相凸極同步發電機（jī），采用密閉循環、軸向風扇自循（xún）環通風及空氣冷卻（què）的形式。發電機主要由定子、轉（zhuǎn）子、上下機架、上下導軸承及推力軸承、製動和頂起係統、滅火係統、空氣冷卻係統、自動化（huà）係統等組成。見圖1。

4 結構設計和安裝特點

4.1 定子

      定子由定子（zǐ）機座、定子鐵心、定子繞組等（děng）組成。定子機座（zuò）整（zhěng）體結（jié）構，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3 050 mm。機（jī）座設頂環、上環、中環及下環（huán）（大齒（chǐ）壓板），環間沿圓周布置加強（qiáng）立筋（jīn）、支撐管和導風板。定子機座內腔及大齒壓板在工廠加工。上齒壓板采用分塊式結構。上、下齒壓板的壓指及（jí）通風槽鋼均采用非（fēi）磁性材料，以減小（xiǎo）漏磁損耗。定子機座與基礎板采用徑向銷（xiāo）定位，允許定子機座受（shòu）熱膨脹時徑向自由移動。

      定子鐵心由0.5 mm 厚的50W270 矽鋼片在現場疊壓、分段（duàn）壓緊而成。定（dìng）位拉緊螺杆采用特殊的與定位筋合為一體的結構。合適的（de）鴿尾筋數（shù）量、適當的定（dìng）子機座剛性結構，使定子鐵心能與機座同步膨脹而不會變形翹曲（qǔ）。

      定子（zǐ）繞組為雙層條式波繞（rào）組、2 支路星形（xíng）連（lián）接。繞組絕緣等級為F 級。定子線棒采用槽內360°羅貝爾（ěr）換位，以降低附（fù）加損耗和均衡線棒中股線間的溫差。上、下層線圈（quān）端頭采用分3 組對接（jiē）銀（yín）焊的結構。

     4.2 轉（zhuǎn）子

      轉子（zǐ）采用單（dān）軸結構，由主軸、磁軛和磁極等部（bù）件（jiàn）組成。轉子的設計充分考慮該機組高轉速的（de）特點，各零部（bù）件的強度及剛度均能得到保證（zhèng）。發電機主軸采用分段鍛造，再焊成一（yī）體的結構，材質為20SiMn；其中部與轉子磁軛在工廠熱套成一體；上部與推力頭現場套裝（zhuāng），通過卡環承受軸向負（fù）荷，通過軸向鍵傳遞轉矩；主軸下側設滑轉子（zǐ）與下導軸承相配，下部法蘭與水輪機軸相連。

     磁軛采用高強度環形厚鋼板（bǎn）疊壓後焊成一體結構，在數控車床上精確加（jiā）工內圓以及外（wài）周T 尾槽。磁軛整體加工完成（chéng）後在工（gōng）廠采用（yòng）小過盈熱套在發電機大軸（zhóu）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（yóu）卡環（huán）軸向限位。這種磁軛具有結構（gòu）簡單，整體（tǐ）性好，安裝方便等優點。磁極由磁極鐵心、阻尼繞組及（jí）套於鐵心的磁極線圈組成。

      磁極鐵心由1.5 mm 厚的高強（qiáng）度薄鋼板疊壓而成，並用拉緊（jǐn）螺杆壓緊。鐵心設雙T 尾掛裝在磁軛上，可滿足高轉速下高應力的需要。磁極（jí）端板采用高強度厚（hòu）鋼板焊接（jiē）而（ér）成。磁極線圈由（yóu）兩種寬度不（bú）同的半硬紫（zǐ）銅排焊接（jiē）而（ér）成。這種線（xiàn）圈由於表麵有凸（tū）出的散（sàn）熱匝，可成倍（bèi）增加其散熱麵積,從（cóng）而降低線圈的溫（wēn）升，且線圈（quān）的形狀規整。線圈匝間墊以Nomex 絕緣紙，與銅排熱壓成一體。線圈對地絕緣除了極身（shēn）絕緣外，在極身四周角部設置角絕緣。磁極（jí）線圈上（shàng）部除了設有上絕緣（yuán）法蘭，還設有不鏽鋼滑動法蘭，以適應磁（cí）極線圈熱膨（péng）脹作用下的滑動，防止匝間絕緣損壞；下部設有（yǒu）下絕緣法蘭和鐵法蘭。同時為了克（kè）服（fú）線圈在（zài）離心（xīn）力作用（yòng）下產生的側向分（fèn）量，在極（jí）間設置3 組線圈支（zhī）撐。詳見圖2。

     磁極（jí）采用雙T 尾（wěi）掛裝（zhuāng）方式。在磁極鐵心上下兩端T 尾各（gè）打入一對短楔形鍵將磁（cí）極楔緊在磁軛上，並用壓板鎖定楔形鍵（jiàn），這種（zhǒng）結構磁（cí）極鍵拆裝方便。轉子設有縱、橫阻尼繞組。阻尼環采用銷子可靠地固定於（yú）磁極端板上，阻尼環（huán）連接采用軟連接，並通過非磁性拉緊螺杆可靠地固定在（zài）磁軛上，以承受離心（xīn）力的作用。磁極的上部極間引出線通過內穿式下部引出，並采用與下部極間（jiān）引出線相同的方式固定在磁軛上，以承受離心力的作用。勵磁引線由（yóu）銅排（pái）製成，通過布置在磁軛上（shàng）端的（de）勵（lì）磁引線及軸（zhóu）內勵磁（cí）引線沿發電機大軸接至（zhì）集電環。

4.3 軸承（chéng）

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

      推力軸（zhóu）承采用東芝典型支撐結構，推力軸瓦由小彈簧簇支撐（chēng），這種結構具有性能可靠、瓦間（jiān）受（shòu）力（lì）均勻、瓦變形（xíng）小、抗傾覆能力強以及安裝維護方便等優點。推力軸承由9 塊扇形瓦組成。推力軸瓦采用塑料瓦。推力瓦支撐麵為麵接觸，可有效減小瓦麵的機械變形。支撐彈簧和各塑料瓦由工廠加工保證精（jīng）度，現場不需作推（tuī）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（qì）冷卻（què）的方式，冷卻循環油的油壓由旋轉著的推（tuī）力頭上的孔（kǒng）產（chǎn）生，油通過油（yóu）管進入油冷卻器（qì）冷（lěng）卻後（hòu），再經油管回到（dào）油（yóu）槽，冷卻推力瓦及（jí）上導瓦後再進入鏡板泵（bèng）循環。此結構（gòu）無需提供外加動力，維護方便。

      上導軸（zhóu）承由為分塊瓦結構，瓦麵為巴氏合金。導（dǎo）軸承采用支柱（zhù）支撐結構，瓦的背麵有球麵支承柱（zhù），該（gāi）結構在運行時導瓦能靈活偏（piān）轉，導瓦支撐的調整具有方便、可靠、準確等優點。推力（lì）頭的外周麵（miàn）作為上導軸承瓦的摩擦麵。

      下（xià）導軸承也為分塊瓦結構（gòu），瓦麵為巴氏合（hé）金，支撐結構與上導相同。下導軸承采用內循環潤滑冷（lěng）卻方式，油槽內設（shè）兩個半環（huán）高效油冷器（qì）。導軸承支撐結構見圖4。

       4.4 機架

      上機架為（wéi）負（fù）荷機（jī）架，采用整體（tǐ）焊接結構。它由中心體和6 條支臂組成。中心體作（zuò）為推力及上導油（yóu）槽使用。上機架用銷釘定位，並通過螺栓把（bǎ）合在定子（zǐ）機座上，上機架承受垂直負荷，並經定子機座傳遞至基礎。上機架還承擔因轉動部件（jiàn）的徑向機械不（bú）平衡力和徑向電磁不平衡力以及徑（jìng）向的熱膨（péng）脹力，並通過切向防振支撐將徑向力轉為切向力傳遞至基（jī）礎（chǔ）。上機（jī）架的（de）設（shè）計具有足夠的軸向和（hé）徑向剛度。

      下機架為上下兩圓（yuán）盤式整體結構（gòu）。中心體作為下導軸（zhóu）承的油槽使用。製動器放置在上（shàng）圓盤支臂上。整（zhěng）個下機架通過連接板固定在下機架基礎上。下機架還承擔因轉動部件的徑向機械（xiè）不平衡力和徑向電磁不平衡力，並（bìng）通過徑向防振支撐傳遞至基（jī）礎。下機架具有足（zú）夠的（de）軸向和徑向（xiàng）剛度，並且結構上可以從定子鐵心內徑取出。

     4.5 防振支撐

      防振支撐的（de）徑向剛（gāng）度對軸係的（de）穩定性非常重要，上機架防振（zhèn）支撐采用了切向支撐結構（gòu），通過（guò）有限元分析計算整個（gè）上機架係統的徑向剛度。下防振（zhèn）支撐采用支柱式支撐結構，預緊力的調整非常（cháng）方便。下防振支撐彈性體為彈性板結構，這種結（jié）構在滿足徑向剛度要求的同時還具有一定的彈性（xìng），能（néng）減輕機組的振（zhèn）動。

5 通風及（jí）冷卻係統

      發電機（jī）采用密閉循環，雙（shuāng）路軸（zhóu）向風扇，自通風冷卻方式。

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

      定子機座外裝設6 隻空氣（qì）冷卻器。空冷器為LTS 薄片脹管式空（kōng）氣熱交換器，該結構（gòu）具有風阻低、傳熱效率（lǜ）高（gāo）、用水量少、清洗方（fāng）便等優點。當一台空冷器（qì）退出運行時，能滿足發電（diàn）機額定（dìng）運行。

6 結束語

     該水輪發電機是通過引進東芝在高轉速、大容量機組方麵的先進技術及結合國（guó）內高轉速機組使（shǐ）用（yòng）經驗的基礎上完成的。自2006 年（nián）12 月（yuè）首（shǒu）台機（jī）組投（tóu）運以來，目前3 台水輪（lún）發電機（jī）均（jun1）運（yùn）行（háng）穩定，性能良好，發電機定轉子溫升，振動及擺（bǎi）度均滿足合同要求（qiú）。為今後類似（sì）的高轉速、大容量水輪發（fā）電機的設（shè）計和製造提供借鑒。