湖北楊東河（渡口）電站高轉(zhuǎn)速大容量水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

周祥德

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南長沙410100）

湖北楊東河（渡口）電站高轉(zhuǎn)速大容量水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

周祥德

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南長沙410100）

國內(nèi)單機(jī)容量20MW以上，額定轉(zhuǎn)速750r/min以上的水電站屈指可數(shù)，缺少該類水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，湖北楊東河（渡口）電站發(fā)電機(jī)為國內(nèi)采用實(shí)芯磁極結(jié)構(gòu)的最大容量、最高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)，機(jī)組設(shè)計(jì)具有一定的創(chuàng)新性。該機(jī)已在電站成功投入運(yùn)行多年。本文介紹了湖北楊東河（渡口）電站水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、有關(guān)參數(shù)的取值，可供水電行業(yè)同行參考。

高轉(zhuǎn)速大容量；實(shí)芯磁極結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)；設(shè)計(jì)

1 概況

湖北楊東河（渡口）電站，總裝機(jī)容量為2× 25.5MW,設(shè)計(jì)水頭385m，最高水頭419m，屬于高水頭電站。高水頭、大容量的水電站由于開發(fā)難度較大，對主機(jī)設(shè)備的參數(shù)性能、制造水平要求較高。湖北楊東河（渡口）電站作為國內(nèi)少數(shù)高水頭、大容量水電站，它的開發(fā)成功，為高水頭電站水電設(shè)備的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了有益的借鑒。

湖北楊東河（渡口）電站水輪機(jī)型號HL84-LJ-155,水輪發(fā)電機(jī)型號為SF25.5-8/3250，電機(jī)額定容量25.5MW，長期超出力+10%，額定轉(zhuǎn)速750r/min。國內(nèi)單機(jī)容量20MW以上，額定轉(zhuǎn)速750r/min以上的水電站為數(shù)不多，高速、大容量水輪發(fā)電機(jī)成功設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)較少。湖北楊東河（渡口）電站發(fā)電機(jī)為國內(nèi)采用實(shí)芯磁極結(jié)構(gòu)的最大容量、最高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)，許多設(shè)計(jì)具有一定的創(chuàng)新性。已在電站成功投入運(yùn)行多年，性能指標(biāo)全面滿足GB/T7894-2009的標(biāo)準(zhǔn)及業(yè)主的要求。該電機(jī)的成功設(shè)計(jì)，可供水電行業(yè)同行參考。發(fā)電機(jī)參數(shù)如下：

型號：SF25.5-8/3250 功率因數(shù)：0.8（滯后）

額定容量：25.5MW,額定電壓：10500V

額定電流：1752.6A 額定轉(zhuǎn)速：750r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：1222r/min飛輪力矩GD2115t.m2

2 總體布置（見圖1）

圖1 發(fā)電機(jī)裝配圖

3 電磁設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

（1）本機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速為1222r/min，轉(zhuǎn)子外緣線速度155.4m/min，選擇轉(zhuǎn)子磁極為實(shí)芯磁極結(jié)構(gòu)。實(shí)芯磁極結(jié)構(gòu)除具有較高的機(jī)械性能外，它還具有良好的電磁性能，電磁阻尼效應(yīng)較強(qiáng)，對任何次數(shù)的齒諧波均能起抑制作用，可省卻常規(guī)疊片磁極所設(shè)置的阻尼繞組，提高發(fā)電機(jī)的安全可靠性。實(shí)芯磁極結(jié)構(gòu)的水輪發(fā)電機(jī)極靴為整體鍛鋼制成，在實(shí)際運(yùn)行過程中，處在電機(jī)的交變磁場中，由于渦流，極靴表面將發(fā)熱。如電磁參數(shù)選擇不當(dāng)，極靴表面損耗過大，極靴將嚴(yán)重過熱，影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫升。此類現(xiàn)象在國內(nèi)部分水電設(shè)備制造廠家設(shè)計(jì)的實(shí)芯磁極結(jié)構(gòu)電機(jī)中，時(shí)常發(fā)生。本機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，為減小極靴表面的損耗采用如下措施：

1）控制發(fā)電機(jī)氣隙磁密Bδ取較低的值，常規(guī)的為6800～7500Gs，本機(jī)取6711Gs。

2）極弧系數(shù)αp取較低的值，常規(guī)的為0.68～0.76，本機(jī)取0.647。

3）發(fā)電機(jī)定子槽寬bs與氣隙δ之比不大于1.5，本機(jī)取0.67。

（2）本機(jī)為高速大容量水輪發(fā)電機(jī)，通風(fēng)冷卻效果較好，為提高發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，縮短鐵心長度，提高機(jī)組軸系的剛度，大幅提高發(fā)電機(jī)的線負(fù)荷A的取值，常規(guī)的線負(fù)荷A為500～600A/cm,本機(jī)取A為643A/cm,定子鐵心長度僅為1210mm。

（3）定子繞組采用三相雙層波繞組，定子槽數(shù)Z=144，q=6,并聯(lián)路數(shù)a=1,銅線為30-2.5×7.5/2.7×7.7的雙滌綸玻璃絲包燒結(jié)銅扁線，換位節(jié)距為46mm,為降低定子繞組的附加損耗，定子繞組采用315.7°的直線不完全換位。傳統(tǒng)常規(guī)的三相雙層波繞組采取360°完全換位，采用315.7°的直線不完全換位損耗更低，效率更高。

圖2 轉(zhuǎn)子裝配

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

湖北巴東楊東河電站發(fā)電機(jī)為高速大容量的水輪發(fā)電機(jī)，總體布置采用懸式三導(dǎo)結(jié)構(gòu)，為確保發(fā)電機(jī)的溫升不超標(biāo)，采用轉(zhuǎn)子兩端帶旋漿風(fēng)扇的密閉自循環(huán)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，推力軸承為彈性金屬塑料瓦，導(dǎo)瓦為巴氏合金免刮瓦球面支撐結(jié)構(gòu)，為減小軸承的損耗，油槽潤滑油采用L-TSA32潤滑油，軸承采用內(nèi)循環(huán)油冷卻。轉(zhuǎn)子上、下端軸通過法蘭與磁軛聯(lián)接（見圖2），軸為中空結(jié)構(gòu)，以滿足水機(jī)中心孔補(bǔ)氣的要求，為保證不漏水，上、下端軸與轉(zhuǎn)子磁軛聯(lián)接法蘭面設(shè)置密封橡皮圈。在上機(jī)架每條支腿外側(cè)，設(shè)置一個(gè)剛性千斤頂。發(fā)電機(jī)配6臺100kW高效穿片脹接式空冷器。

（1）湖北巴東楊東河電站發(fā)電機(jī)采用實(shí)芯磁極結(jié)構(gòu),磁極極身與磁軛聯(lián)體鍛出,磁極極靴材質(zhì)為35鍛鋼,極靴用高強(qiáng)度螺栓固定在極身上,極靴承受本身及磁極線圈的離心力,因本機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速高,離心半徑較大,每個(gè)磁極極靴承受的離心力高達(dá)2102t,為提高極靴固定螺栓的安全系數(shù),磁極極靴與極身采用騎縫螺栓來固定,見圖3。裝配前的極靴和極身分別見圖4、圖5。每個(gè)極靴用38根M48的騎縫螺栓來固定，每個(gè)螺栓受剪切應(yīng)力

F:每個(gè)磁極極靴承受的離心力F=2102×103kg；

n:騎縫螺栓個(gè)數(shù)；

S:每個(gè)螺栓受剪面積cm2。

圖3

圖4

圖5

（2）本機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速為1222r/min,按設(shè)計(jì)規(guī)范，機(jī)組軸系的一階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于飛逸轉(zhuǎn)速的1.2倍，即1466.4r/min,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量較重，為56.8t,按常規(guī)的導(dǎo)軸承布置，機(jī)組軸系的一階臨界轉(zhuǎn)速無法達(dá)到1466.4r/min。對上、下導(dǎo)軸承的位置、主軸軸徑的大小等進(jìn)行詳細(xì)的分析，在滿足安裝空間、通風(fēng)面積等前提下，縮短上、下導(dǎo)軸承的間距，加大磁軛內(nèi)孔直徑，減輕磁軛重量，滿足了機(jī)組軸系的一階臨界轉(zhuǎn)速不低于飛逸轉(zhuǎn)速1466.4r/min的要求。

（3）本機(jī)額定轉(zhuǎn)速為750r/min，推力負(fù)荷160t,即使采用了L-TSA32稀油潤滑油，推力軸承損耗仍較大，受上機(jī)架外形尺寸的限制，無法采用加大上機(jī)架油冷卻器的辦法來將過大的軸承損耗排出。通過對推力軸承進(jìn)行詳細(xì)的潤滑計(jì)算分析，采取減小推力軸承的受力面積，提高推力軸承的單位壓力p及pv值，來減小推力軸承的損耗。本機(jī)的推力軸承單位壓力p取3.76MPa,pv值為1062.2，油膜厚度0.0053mm,推力軸承損耗89.1kW，上導(dǎo)軸承損耗30kW，推力軸承與上導(dǎo)軸承總損耗119.1kW，小于上機(jī)架油冷卻器換熱容量。

（4）由于定子上端部布置有并聯(lián)環(huán)，將端部損耗較大的定子波繞組長節(jié)距布置在定子下端，端部損耗較小的短節(jié)距布置在上端，使定子上、下端的損耗不偏差太大，使定子繞組上、下端部得到均衡的通風(fēng)冷卻，使溫升不致過高。

（5）本機(jī)為高速發(fā)電機(jī)，上、下機(jī)架的油霧溢出是突出的問題，需采取有效措施予以處理。采取措施如下：

1）加高上機(jī)架軸承蓋，加大上機(jī)架油槽上方空間,減小油霧壓力。軸承蓋與轉(zhuǎn)動(dòng)件配合位置采用加高的密封迷宮，在迷宮上方再加密封壓板。

2）加大導(dǎo)軸承油循環(huán)回路的回油孔，在導(dǎo)軸承座上開8-Φ40mm的回油孔，推力頭上的泵油孔為12-Φ20mm,回油孔的面積是泵油孔的2.66倍，使油循環(huán)回路順暢，減少油霧的產(chǎn)生。

3）在上導(dǎo)軸承座上的通氣孔采用迷宮式的通氣窗，迷宮隔板加密，減小油霧從通氣孔溢出，見圖6。通氣窗布置在上機(jī)架端罩外，以避免少許溢出的油氣污染集電環(huán)、刷架。

4）采用雙層擋油管，并加高擋油管高度，同時(shí)在雙擋油管中間再加一層擋圈，防止油霧溢出，上機(jī)架擋油管高度取220mm。見圖7。

5）加大機(jī)架下部的通氣孔，將空氣引入推力頭內(nèi)腔，以破壞推力頭內(nèi)腔的負(fù)壓，防止油霧溢出落入轉(zhuǎn)子。

圖6

圖7

（5）本機(jī)為高速機(jī)組，推力軸承采用彈性金屬塑料瓦，摩擦系數(shù)較小，機(jī)組停車時(shí)間較長。為保證機(jī)組的制動(dòng)性能，加大了發(fā)電機(jī)的制動(dòng)器容量，常規(guī)計(jì)算配置4臺φ160制動(dòng)器即可，本機(jī)配置6臺φ160制動(dòng)器。

5 運(yùn)行情況及結(jié)語

湖北楊東河（渡口）機(jī)組在電站已投運(yùn)多年，各部溫升、振動(dòng)等指標(biāo)全面超過國標(biāo)要求，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，深得業(yè)主的好評。實(shí)踐證明湖北楊東河（渡口）水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造是成功的，作為國內(nèi)采用實(shí)芯磁極結(jié)構(gòu)的最大容量、最高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)，它的成功投運(yùn)，對類似高轉(zhuǎn)速、大容量的水輪發(fā)電機(jī)具有借鑒意義。湖北楊東河（渡口）發(fā)電機(jī)上采用的技術(shù)可推廣應(yīng)用在更大容量的高速水輪發(fā)電機(jī)上。

[1]白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

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1672-5387（2017）05-0040-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.009

2016-05-18

周祥德（1963-），男，高級工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造工作。