新疆某電站水輪發(fā)電機優(yōu)化設(shè)計

王魯軍

（湖南云箭集團有限公司，湖南長沙410100）

新疆某電站水輪發(fā)電機優(yōu)化設(shè)計

王魯軍

（湖南云箭集團有限公司，湖南長沙410100）

簡要介紹了新疆某電站的結(jié)構(gòu)及特點，并通過關(guān)鍵參數(shù)的分析取值，總結(jié)出該類型機組的設(shè)計經(jīng)驗，可供水電同行參考。

水輪發(fā)電機；電磁；防油霧；優(yōu)化設(shè)計

1 概述

新疆某電站為引水式電站，電站設(shè)計水頭133.68m，設(shè)計發(fā)電流量63.37m3/s，總裝機容量70 MW（2×28+1×16MW）。本文以大機為例，簡要介紹了其設(shè)計的結(jié)構(gòu)、特點及相關(guān)參數(shù)的取值，總結(jié)該類型機組的相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗。

該電站大機的水輪機型號為HLJF2061-LJ-185，水輪發(fā)電機型號為SF28-14/4000，發(fā)電機額定容量為28MW，額定轉(zhuǎn)速為428.6r/min。該機組設(shè)計要求具備長期超發(fā)10%的能力，即機組具備長期在功率為30.8MW的情況下穩(wěn)定運行的能力，且機組轉(zhuǎn)速較高，電磁設(shè)計與軸承防油霧設(shè)計是其難點之一。水輪發(fā)電機的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 水輪發(fā)電機的設(shè)計參數(shù)

2 總體介紹

發(fā)電機為立式安裝結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為懸掛式；在轉(zhuǎn)子上部設(shè)有推力軸承和上導(dǎo)軸承，轉(zhuǎn)子下部設(shè)有一個導(dǎo)軸承；電機的上端有一圓柱軸伸，聯(lián)接集電環(huán)，電機的下端有一凸緣軸伸，聯(lián)接水輪機主軸。通風(fēng)冷卻系統(tǒng)為密閉雙路自循環(huán)的空氣冷卻。發(fā)電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、上機架、下機架等部件組成（如圖1）。

水輪發(fā)電機的電磁設(shè)計是按給定的容量、電壓、相數(shù)、頻率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速等額定值和其它技術(shù)要求來確定發(fā)電機的有效部分尺寸、電磁負荷、繞組數(shù)據(jù)及性能參數(shù)等。設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)應(yīng)先進合理，并使發(fā)電機能長期在高效率下安全可靠運行。

水輪發(fā)電機軸承在運行過程中，潤滑油由于摩擦承載產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致油溫升高，通常都在40～50℃，儲油箱內(nèi)的空氣受熱膨脹，壓力增高；同時由于主軸旋轉(zhuǎn)，熱油就會產(chǎn)生油霧，這種油汽混合體當(dāng)壓力高于外部氣壓時，就會從密封及各種間隙處泄露出去，對發(fā)電機組運行造成危害。本發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速達到了428.6r/min，軸承位置的線速度達到了20.4m/s，故軸承防油霧設(shè)計是該電站發(fā)電機設(shè)計的一個重難點。

圖1 發(fā)電機裝配

3 電磁設(shè)計的特點

本機組要求具備長期在功率為30.8MW的情況下穩(wěn)定運行的能力，為此，相關(guān)電磁方案的參數(shù)不僅需考慮功率為28MW情況下的取值，還需兼顧功率為30.8MW情況下的取值。額定情況下的相關(guān)參數(shù)取值如下：

（1）電負荷A是水輪發(fā)電機的主要技術(shù)、經(jīng)濟參數(shù)之一，它對電機的主要尺寸、電抗和繞組溫度等有直接影響。A的大小決定了定子內(nèi)圓單位表面積所產(chǎn)生的繞組銅損的大小，因而直接影響溫升和效率的高低。A的取值與每極容量、絕緣等級以及冷卻方式有關(guān)。在主要尺寸一定的條件下，漏電抗與A成正比，大容量發(fā)電機的短路附加損耗則近似地與A的平方成比例。因此，A對電機的參數(shù)和性能影響很大。綜合以上因素，合理選擇電負荷A值至關(guān)重要。本機將A值控制在500～700A/cm之間。

（2）電負荷A與定子電流密度J的乘積AJ表示定子銅耗在槽內(nèi)的熱負載。AJ選擇過大，將導(dǎo)致槽絕緣內(nèi)溫差增大，線圈溫升增高。本機將AJ值控制在1500～1800A2/（cm·mm2）之間。

（3）極弧系數(shù)αp是極靴寬度bp與極距τ之比。極弧系數(shù)若選擇太大，極間漏磁通將過大，導(dǎo)致極身磁通密度達到不允許的高值；此值若太小，將使極靴伸出部分不能充分地支承磁極線圈。極弧系數(shù)選擇合適，可使主極磁場的波形更加接近于正弦形，從而減小磁場中高次空間諧波和齒諧波分量（對整數(shù)槽）的幅值，達到改善電動勢波形的目的。極弧系數(shù)的最佳值，能保證電機有效體積在磁負荷方面的高度利用。本機將αp值控制在0.69～0.74之間。

（4）氣隙平均磁通密度Bδ與電機的利用系數(shù)、運行性能及參數(shù)等有密切關(guān)系。在利用系數(shù)一定的情況下，從節(jié)約用銅考慮，Bδ應(yīng)盡可能取高些，但Bδ值的提高受鐵芯所用硅鋼片飽和的限制。本機將Bδ值控制在6900～7500Gs之間。

（5）定子繞組采用三相雙層波繞組，定子槽數(shù)Z=168，q=4,并聯(lián)路數(shù)a=1,銅線為32-2.8×8/3×8.2的雙滌綸玻璃絲包燒結(jié)扁銅線，換位節(jié)距為45mm,為降低定子繞組的附加損耗，定子繞組采用360°不完全換位。采用該種換位損耗更低，效率更高，本機效率η=97.7%。

4 防油霧設(shè)計的特點

本機組額定轉(zhuǎn)速為428.6r/min，在立式機組系列中，轉(zhuǎn)速較高，軸承防油霧設(shè)計是一個關(guān)鍵點，其上機架裝配如圖2所示，機組軸承產(chǎn)生的油霧主要由油溫高和油的涌浪飛濺所引起，根據(jù)多年來不斷總結(jié)經(jīng)驗和探索，我們采取的減少油霧及防止外溢的主要措施如下：

圖2 上機架裝配

（1）上下油槽密封軸承蓋采用具有自動補償功能的接觸式密封結(jié)構(gòu)，使旋轉(zhuǎn)的主軸和軸承蓋為零間隙接觸，保證油霧不會從主軸與軸承蓋間逸出（如圖3）。由于機組轉(zhuǎn)子在運行中都存在著一定的擺動現(xiàn)象，傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子軸的間隙在實際運行時不能保證設(shè)計間隙及安裝間隙，時大時小無法補償，油霧易通過密封蓋與大軸間隙溢出。接觸式密封蓋通過其自補償功能，保證了主軸與軸承蓋之間零間隙運行，達到了長期有效的理想密封效果。

圖3 接觸式密封軸承蓋

（2）在上機架下方設(shè)置接觸式密封軸承蓋（如圖4），用以破壞推力頭內(nèi)腔由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的負壓，防止油霧溢出落入轉(zhuǎn)子。解決了油霧對發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極、磁軛及定子線棒的污染，給機組安全穩(wěn)定運行提供了保證。

圖4 接觸式密封軸承蓋

（3）在推力頭上端開孔，在導(dǎo)軸承座上加通氣孔以及在機架下部增設(shè)補氣管（如圖5），將空氣引入推力頭內(nèi)腔。使內(nèi)外腔相通，達到氣壓的平衡，防止由于負壓產(chǎn)生的油霧溢出問題。

圖5 通氣孔

（4）設(shè)計具有足夠換熱容量的冷卻器，使?jié)櫥筒灰仔纬伸F狀；同時加強循環(huán)油路的密封，在油冷卻器上加密封板，并對油路進行優(yōu)化，使油路順暢，避免碰撞造成的油氣混合。

（5）采用雙層擋油管的設(shè)計（如圖6），并適當(dāng)加高擋油管高度尺寸，內(nèi)外擋油管下部采用圓環(huán)板連接，并在圓環(huán)板上開若干個回流孔，使擋油管處阻截的溢出油順著圓孔回流至油槽。同時在雙擋油管中間再加一層擋圈，增加油霧溢出的阻力，防止油霧溢出。

圖6 雙層擋油管

（6）通氣窗采用迷宮式的隔板設(shè)計（如圖7）。通過筒體內(nèi)部的隔板和隔管的多層交叉重疊設(shè)計，形成油霧的“S”形流動路徑，大幅度提高了油霧的上升阻力，外界冷空氣在通氣窗內(nèi)與油霧適時熱交換，降低了油霧分子作機械運動的平均動能，使油霧冷凝成油滴，流回油槽，有效的阻止了油霧從通氣窗的溢出。

圖7 迷宮式通氣窗

（7）提高加工精度，保證擋油管與推力頭的同軸度，防止擋油管與推力頭之間的潤滑油往上竄動。

5 結(jié)語

新疆某電站發(fā)電機組轉(zhuǎn)速快，容量大，要求高，通過電磁方案的優(yōu)化設(shè)計及新的防油霧技術(shù)的應(yīng)用，有效地解決了超出力的設(shè)計及軸承油霧溢出的問題。對類似機型的水輪發(fā)電機設(shè)計具有借鑒意義。

[1]哈爾濱大電機研究.水輪機設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，1976.

[2]白延年.水輪發(fā)電機設(shè)計與計算[M].北京:機械工業(yè)出版社，1982.

[3]陳錫芳.水輪發(fā)電機電磁與計算[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

TV734.2

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1672-5387（2017）05-0053-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.013

2016-05-16

王魯軍（1988-），男，工程師，從事水輪發(fā)電機設(shè)計工作。