大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)探究

摘 要：我國大型水力發(fā)電產(chǎn)品擁有世界領(lǐng)先的技術(shù)水平，大型水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品對我國乃至對世界范圍內(nèi)水能資源豐富的國家，都具有重要作用。因此，文章主要研究了大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)問題，闡述了結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)步驟、過程及注意事項(xiàng)，詳盡討論了結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)節(jié)，以期為大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)方案；設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)概述

1.1 設(shè)計(jì)步驟

總體來說，大型水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的基本步驟為：電磁設(shè)計(jì)-技術(shù)設(shè)計(jì)-施工設(shè)計(jì)-制造，五大環(huán)節(jié)與工序。

1.2 設(shè)計(jì)過程

大型水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的過程可分為技術(shù)設(shè)計(jì)與施工設(shè)計(jì)兩大部分。

技術(shù)設(shè)計(jì)。技術(shù)設(shè)計(jì)主要關(guān)注的內(nèi)容與重點(diǎn)是對水輪發(fā)電機(jī)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中某些構(gòu)件的改進(jìn)及創(chuàng)新等。面對實(shí)際運(yùn)行的新情況與新問題，需要對傳統(tǒng)電機(jī)構(gòu)建進(jìn)行改造甚至創(chuàng)新。因此，技術(shù)設(shè)計(jì)工程師要對新問題進(jìn)行分類及特征分析，在了解需要解決問題的實(shí)質(zhì)之后，通過電磁設(shè)定確定一些基本參數(shù)，然后利用大型水輪發(fā)電機(jī)計(jì)算系統(tǒng)，對所需設(shè)計(jì)改進(jìn)的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)精準(zhǔn)計(jì)算，解決設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)問題。

施工設(shè)計(jì)。在技術(shù)設(shè)計(jì)結(jié)束，確定了零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，要針對系統(tǒng)計(jì)算所得的技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行剛度、強(qiáng)度的核算校驗(yàn)，并利用檢驗(yàn)分析參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理。對需要修改的參數(shù)，進(jìn)行迭代修改，直至符合實(shí)際要求位置。

1.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為四大部分：定子設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、軸承設(shè)計(jì)與機(jī)架設(shè)計(jì)。

1.4 注意事項(xiàng)

在定子設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、軸承設(shè)計(jì)與機(jī)架設(shè)計(jì)過程中，每一設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包含眾多設(shè)計(jì)子環(huán)節(jié)。在具體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，要注意對機(jī)組結(jié)構(gòu)型式的選擇，在選擇型式時(shí)，可靠性是第一選取原則。具體來說，立式水輪發(fā)電機(jī)主要有懸式、半傘式、傘式的安裝型式，要針對不同大型水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行選取。對于容量小、轉(zhuǎn)速高的機(jī)組選取懸式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，軸承損耗降低及便于安裝與維護(hù)等功能；對于容量大、轉(zhuǎn)速相對較慢的機(jī)組，一般采用傘式結(jié)構(gòu)型式，實(shí)現(xiàn)拆裝便捷、減輕載荷量，降低造價(jià)成本的功能。

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)節(jié)

2.1 定子設(shè)計(jì)

大型水輪發(fā)電機(jī)的定子主要由機(jī)座、鐵芯、線圈、銅環(huán)及基礎(chǔ)螺桿等構(gòu)件組成。根據(jù)鐵芯構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與外部直徑的不同，可將大型水輪發(fā)電機(jī)的定子分為整圓定子、分瓣定子與工地整圓疊裝定子等不同定子類型。

2.1.1 具體設(shè)計(jì)

通常來說，大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)整機(jī)反復(fù)迭代的過程，要求對每一步設(shè)計(jì)進(jìn)行校核與驗(yàn)證，對精準(zhǔn)性要求很高。在具體設(shè)計(jì)過程中，首先要確定機(jī)座的具體尺寸數(shù)據(jù)，同時(shí)，要進(jìn)行定子機(jī)座剛度與強(qiáng)度的校驗(yàn)，通過系統(tǒng)測算，要得到整體機(jī)座的重心坐標(biāo)、重心半徑及機(jī)座的橫斷面積等數(shù)值。最后，通過壓力測試模擬，對機(jī)座與鐵芯的承壓、剛度、強(qiáng)度進(jìn)行壓力測試，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否滿足實(shí)際使用需求。

2.1.2 注意事項(xiàng)

在定子設(shè)計(jì)過程中，定子構(gòu)件中鐵芯與機(jī)座之間在運(yùn)行過程中存在溫差，鐵芯上升的溫度比機(jī)座要高出很多，鐵芯隨著溫度的升高引發(fā)膨脹變形。鐵芯隨熱變形的程度與機(jī)座的直徑成正相關(guān)性，機(jī)座直徑越大，鐵芯隨熱變形的程度越大。因此，在設(shè)計(jì)過程中要重視對鐵芯隨熱膨脹問題，要精準(zhǔn)計(jì)算出熱膨脹的作用力數(shù)值，熱膨脹力在鐵芯與機(jī)座中在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力及托快焊縫應(yīng)力等。

2.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)主要有：轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極與集成裝置等方面。

2.2.1 轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的軸承分為一根軸與分段軸兩種類型。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，采用較多的是利用一根軸實(shí)現(xiàn)大型水輪發(fā)電機(jī)與水輪兩軸承之間的連接。其原因在于一根軸結(jié)構(gòu)簡單、施工方便，能夠有效降低整機(jī)高度，提升整機(jī)組的密度。

2.2.2 轉(zhuǎn)子支架是轉(zhuǎn)軸與磁軛之間的連接部件，轉(zhuǎn)子支架的結(jié)構(gòu)類型主要有：與磁共軛圈合體支架、圓盤式支架、整體鑄造支架及組合式支架等四種類型。轉(zhuǎn)子支架承載著眾多的作用力，比如扭矩、重力矩、轉(zhuǎn)子支架自身的離心作用力及熱打鍵徑向配合力等。

2.2.3 轉(zhuǎn)子磁軛。簡稱為輪緣，是大型發(fā)電機(jī)組磁路的重要組成部分，構(gòu)成了固定磁極的結(jié)構(gòu)部件。通常來說，轉(zhuǎn)子磁軛的結(jié)構(gòu)主要包括無支架結(jié)構(gòu)、與支架合體結(jié)構(gòu)、帶轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)等三大類型，不同的轉(zhuǎn)子軛結(jié)構(gòu)是根據(jù)大型發(fā)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速、容量及安裝工序等不同因素共同確定的。

2.2.4 轉(zhuǎn)子磁極。轉(zhuǎn)子磁極方案設(shè)計(jì)主要分為磁極T尾部應(yīng)力計(jì)算、勵(lì)磁繞組強(qiáng)度計(jì)算、磁極圍帶強(qiáng)度計(jì)算、阻尼繞阻計(jì)算、磁極沖片計(jì)算及磁極壓板計(jì)算等環(huán)節(jié)。

2.2.5 集電裝置。轉(zhuǎn)子集電裝置主要由集電環(huán)與電刷裝置共同組成。集電環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸，通過電纜實(shí)現(xiàn)與勵(lì)磁繞組連接，電刷裝置固定在勵(lì)磁架內(nèi)。

3 軸承設(shè)計(jì)

在具體的軸承設(shè)計(jì)過程中，主要分為推力軸承與導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)兩大類。

3.1 推力軸承設(shè)計(jì)

在大型水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承設(shè)計(jì)過程中，對推力軸承的性能指標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo)及成本效益指標(biāo)等都是重點(diǎn)關(guān)注方面。在技術(shù)環(huán)節(jié)方面，注重對推力軸承的軸瓦支承周向偏心及負(fù)載系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)、循環(huán)系數(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算與校核。

3.2 導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)

在大型順輪發(fā)電機(jī)組中，導(dǎo)軸承的主要功能是將載荷機(jī)組轉(zhuǎn)動部分徑向的不平衡力與電磁不平衡力，將機(jī)組的軸承擺動控制在穩(wěn)定可控范圍內(nèi)。因此，在設(shè)計(jì)過程中，要對導(dǎo)軸承的位置、數(shù)量及其與發(fā)電機(jī)組容量與轉(zhuǎn)速相匹配的數(shù)值進(jìn)行精確計(jì)算，并將其安裝在機(jī)架中心體的油槽內(nèi)部。

4 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架在大型水輪發(fā)電機(jī)中主要起到支承作用，可實(shí)現(xiàn)對推力軸承、轉(zhuǎn)軸承及其他大型構(gòu)建的支承作用。根據(jù)大型水輪發(fā)電機(jī)的總體安裝為布置的情況，對機(jī)架結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行確認(rèn)。機(jī)架結(jié)構(gòu)按照載荷力的高低，可分為可載荷機(jī)架與非載荷機(jī)架兩種類型。按照機(jī)架支臂的不同可分為井字型、輻射型及橋型等不同類型。在具體設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)大型水輪發(fā)電機(jī)組部件的實(shí)際安裝與構(gòu)成、對載重的不同要求對機(jī)架進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整與設(shè)計(jì)。

綜上所述，大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜且技術(shù)含量很高的系統(tǒng)工程。在具體的設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮設(shè)計(jì)方案的步驟、流程與環(huán)節(jié)，同時(shí)，針對定子、轉(zhuǎn)子及軸承等重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)要進(jìn)行科學(xué)論證與數(shù)據(jù)校核，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分塊設(shè)計(jì)科學(xué)具體，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)合理高效，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]王亮.大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].研究探討，2007（4）.