周　波，林雪成，羅建華

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

溪洛渡電站水輪發(fā)電機設計

周波，林雪成，羅建華

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：詳細介紹了溪洛渡水輪發(fā)電機(哈電)電磁設計方案、發(fā)電機主要結(jié)構(gòu)特點以及發(fā)電機運行數(shù)據(jù)。文中論述了如何綜合考慮槽電流、電負荷、熱負荷等因素，在滿足發(fā)電機性能要求的前提下，選取既經(jīng)濟又安全的設計方案；同時詳細描述了發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機架等重要部件的設計結(jié)構(gòu)；最后截取發(fā)電機運行數(shù)據(jù)表明哈電設計制造的溪洛渡水輪發(fā)電機組性能良好，運行穩(wěn)定，滿足精品機組要求。

關(guān)鍵詞：全空冷；水輪發(fā)電機；電磁設計；定子；轉(zhuǎn)子；軸承

0引言

溪洛渡水電站是金沙江下游四個巨型水電站中的一個，單機額定功率770 MW，是目前世界上在建單機容量第二大的水輪發(fā)電機，溪洛渡水電站共裝機18臺，其中左岸裝機9臺，哈電承包其中6臺，福依特承包3臺；右岸裝機9臺，由東電承包。2013年7月左、右岸各有1臺機成功并網(wǎng)發(fā)電，其成功的運行為將來1 000 MW水輪發(fā)電機設計、制造提供寶貴的經(jīng)驗。

1電磁設計

1.1發(fā)電機基本參數(shù)

1)發(fā)電機額定容量：855.6 MVA

2)額定電壓：20 kV

3)額定功率因數(shù)：0.9(滯后)

4)額定頻率：50 Hz

5)額定轉(zhuǎn)速：125 r/min

6)飛逸轉(zhuǎn)速：240 r/min

7)相數(shù)：3

8)發(fā)電機GD2：180 000 tm2

1.2發(fā)電機性能參數(shù)的選擇

發(fā)電機采用全空冷結(jié)構(gòu)設計，全空冷水輪發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、操作簡單、安裝周期短、運行成本低、維護方便等優(yōu)點。全空冷方式需重點考慮定子線棒溫升及軸向溫度分布均勻度、鐵心熱膨脹及翹曲等問題。因此在電磁設計時應選擇合理的槽電流、電負荷以及熱負荷。

1.2.1 發(fā)電機槽電流

槽電流是影響發(fā)電機經(jīng)濟性的一個主要因素。槽電流太小，表明發(fā)電機有效材料的利用性較差、不經(jīng)濟；槽電流太大，將導致銅損及附加損耗增加，從而使槽絕緣溫差增大，在工藝上由于線圈表面增大，增加制造難度。因此選擇一個合理的槽電流是非常重要的。根據(jù)統(tǒng)計，巨型全空冷發(fā)電機槽電流合理取值范圍為5 500～7 000 A。表1為國內(nèi)、外全空冷巨型水輪發(fā)電機槽電流統(tǒng)計。

表1　國內(nèi)、外巨型全空冷水輪發(fā)電機槽電流統(tǒng)計

溪洛渡發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為125 r/min，磁極數(shù)48，可選支路數(shù)為6和8。當支路數(shù)選6時，發(fā)電機槽電流為8 233 A，明顯偏高，不適合全空冷方案；當支路數(shù)選8時，發(fā)電機槽電流為6 175 A，在合理取值范圍內(nèi)。根據(jù)以上比較分析，溪洛渡發(fā)電機支路數(shù)應選8，此時槽電流是非常合理的。

1.2.2發(fā)電機電負荷

電負荷是水輪發(fā)電機的一項重要技術(shù)、經(jīng)濟參數(shù)指標，對電機的主要尺寸、電抗和繞組溫度等有直接影響。要減小發(fā)電機尺寸，就須盡量提高發(fā)電機的利用系數(shù)，其表達式為：C=K·As·Bδ，其中As為發(fā)電機電負荷。同時也需防止定、轉(zhuǎn)子繞組溫升過高，全空冷發(fā)電機利用系數(shù)一般控制在10以下。隨著冷卻技術(shù)的進步和絕緣材料性能的提高，目前發(fā)電機電負荷取值較以往已有較大提高，根據(jù)哈電設計經(jīng)驗，溪洛渡發(fā)電機電負荷宜控制900 A/cm以內(nèi)，最終溪洛渡發(fā)電機電負荷設計值為8 99 A/cm。表2為全空冷巨型水輪發(fā)電機電負荷統(tǒng)計。

表2　全空冷巨型水輪發(fā)電機電負荷統(tǒng)計

1.2.3發(fā)電機熱負荷

熱負荷是有效控制定子繞組溫升及確定發(fā)電機冷卻方式的重要參數(shù)，其數(shù)值為定子電流密度與電負荷的乘積。全空冷水輪發(fā)電機熱負荷不宜選取過高，不應突破3 000 A2/cm·mm2，較高的熱負荷將導致槽絕緣內(nèi)溫差增大，線圈溫升增高。依據(jù)哈電公司設計經(jīng)驗，熱負荷通?？刂圃? 700 A2/cm·mm2及以下，溪洛渡發(fā)電機熱負荷設計值為2 553 A2/cm·mm2，在合理取值范圍內(nèi)。表3為全空冷巨型水輪發(fā)電機熱負荷統(tǒng)計。

1.3小結(jié)

綜上所述，溪洛渡發(fā)電機按全空冷方式設計，其槽電流、電負荷、熱負荷等電磁參數(shù)均在巨型全空冷發(fā)電機經(jīng)驗取值范圍內(nèi)，并被良好的運行經(jīng)驗和實踐證明是可行的，可以確保發(fā)電機長期安全穩(wěn)定運行。

表3　全空冷巨型水輪發(fā)電機熱負荷統(tǒng)計

2主要部分結(jié)構(gòu)設計

2.1總體設計

發(fā)電機采用立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷三相凸極同步發(fā)電機(見圖1)。發(fā)電機主要部件有定子、轉(zhuǎn)子、上導軸承及上機架、推力及下導軸承和下機架、空氣冷卻系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、水噴霧滅火系統(tǒng)、蓋板、擋風板、吸塵系統(tǒng)、埋入基礎、油水管路和輔助設備等。

圖1　發(fā)電機總裝配

定子機座、上機架和轉(zhuǎn)子支架采用斜元件結(jié)構(gòu)，下機架采用輻射型支臂結(jié)構(gòu)。

發(fā)電機軸線由上端軸(頂軸)、轉(zhuǎn)子中心體及主軸(三段軸)構(gòu)成。

發(fā)電機的通風設計采用旋轉(zhuǎn)擋風板結(jié)構(gòu)，保證定子、轉(zhuǎn)子軸向和周向無過大溫差，定子線棒上、下端部有足夠風量進行冷卻。

2.2定子裝配

定子主要由定子機座、定子鐵心、定子繞組及支持固定件、接頭、引線等組成。

2.2.1定子機座

定子機座由軋制鋼板組焊而成，采用后傾式斜元件支撐結(jié)構(gòu)，由環(huán)形鋼板、鐵心支撐環(huán)、16個垂直的斜元件、垂直筋板及機座外壁組成(見圖2)。定子機座下環(huán)板與定子鐵心的連接采用大齒板結(jié)構(gòu)，便于工地安裝和調(diào)整，保證鐵心具有良好的疊裝質(zhì)量。

圖2　定子機座

采用斜元件結(jié)構(gòu)的定子機座的主要優(yōu)點是可以減小定子鐵心和定子機座熱膨脹時因變形而產(chǎn)生的定子鐵心內(nèi)應力，以避免定子鐵心翹曲問題，提高定子鐵心及線圈安全運行的可靠性。

2.2.2 定子鐵心

鐵心由高導磁率、低損耗、無取向、機械性能優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)冷軋薄硅鋼扇形沖片疊成，扇形片嚴格去毛刺，雙面涂刷F級硅鋼片絕緣漆，形成完整的漆膜，以減少渦流損耗。

定子鐵心外徑為φ15 300 mm，內(nèi)徑為φ14 200 mm，長3 350 mm，共648槽。

定子鐵心沿長度方向共分76段，段間通風溝高6 mm，通風槽片由無磁性工字鋼點焊在沖片上構(gòu)成。

定子鐵心疊片后用高強度穿心螺桿壓緊，其單位面積壓力不小于1.7 MPa。穿心螺桿與鐵心間設有絕緣套管，避免螺桿和鐵心接觸及螺桿振動。為防止鐵心因意外情況而出現(xiàn)接地事故，鐵心與螺桿間的套管采用全絕緣結(jié)構(gòu)，以保證長期運行后，鐵心不松動(見圖3)。

2.2.3 定子繞組

定子繞組由條式波繞線棒組成，采用8支路并聯(lián)、“Y”形連接。繞組絕緣為F級，采用不完全換位結(jié)構(gòu)，以減小線棒股線在槽部漏磁場中不同位置產(chǎn)生循環(huán)電流而引起的附加損耗。

圖3　定子鐵心拉緊螺桿裝配

繞組采用多膠帶連續(xù)式絕緣，外包半導體復合物防暈結(jié)構(gòu)，并應用加熱模壓固化“一次成型”工藝。定子線棒槽內(nèi)固定采用含有半導體硅橡膠的半導體無紡布將線棒包繞嵌入槽內(nèi)，使線棒與線槽緊密配合，以降低槽電位，消除電暈腐蝕繞組主絕緣。

繞組槽部固定采用了成對斜槽楔和波紋板壓緊結(jié)構(gòu)，確保線棒在槽內(nèi)可靠固定。槽楔為上下兩層，中間為波紋板，在上層線棒和槽楔間設有不同厚度規(guī)格的墊條，可依據(jù)實際需要進行選擇使用。波紋板可以保證長期運行期間線棒都能獲得一定壓力。位于鐵心上下端部的槽楔用玻璃繩固定在線棒上，以防止槽楔串動。

由于端部電動力的存在，線棒端部必須可靠固定。在鐵心槽口處線棒之間布置有槽口墊塊(成對楔形)，其外側(cè)墊有滌綸氈，并用玻璃絲繩綁扎固定。在線棒端部外側(cè)設有端箍，上端部一道，下端部兩道。在端箍對應位置處的同層線棒之間布置有斜邊墊塊，上下層線棒之間也布置有墊環(huán)，并用人字形編織帶將端箍和上下層線棒綁扎成為一體。

2.3轉(zhuǎn)子裝配

轉(zhuǎn)子裝配由轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極、頂軸、主軸等部件組成。

2.3.1轉(zhuǎn)子支架

采用斜立筋圓盤式結(jié)構(gòu)，由一個中心體和6個支臂(外環(huán)組件)組成(見圖4)。支臂與中心體在工廠完成預裝，在工地進行組圓焊接。

圖4　轉(zhuǎn)子支架

前傾式斜立筋圓盤式轉(zhuǎn)子支架能很好地承受正常運行時的扭矩、磁極和磁軛的重力矩、有效地吸收離心力及熱打鍵配合力(支架與磁軛的分離轉(zhuǎn)速按1.4倍額定轉(zhuǎn)速計算)。支架足夠的切向和軸向剛度可避免不應有的變形，保證磁軛與磁極對中以及氣隙的均勻度。

支架上設有一定數(shù)量的通風用孔洞，可滿足發(fā)電機通風冷卻的要求和具有良好的導風性能。為改善上、下風道風量，在轉(zhuǎn)子支架非驅(qū)動端增加一層擋風板。

2.3.2磁軛裝配

磁軛內(nèi)徑11 760 mm，徑向?qū)挾?17 mm，高3 440 mm。磁軛由3 mm厚優(yōu)質(zhì)高強度鋼板的沖片疊成，每3張沖片為一層搭疊，層間錯半個磁極節(jié)距。磁軛沿軸向共分14段，段間通風溝高40 mm，磁軛上下端設有磁軛壓板，并用高強度拉緊螺桿拉緊，以形成一個整體，壓緊力不小于4.5 MPa，壓緊方式為液壓拉伸。

磁軛和轉(zhuǎn)子支架主立筋之間采用徑向鍵連接結(jié)構(gòu)(見圖5)。轉(zhuǎn)子支架主立筋與磁軛間墊入墊片以調(diào)整熱打鍵緊量，熱打鍵單邊緊量為3.5 mm，沿圓周方向共有24個主立筋。該結(jié)構(gòu)取消了磁軛鍵，減小了工地安裝工作量。

圖5　轉(zhuǎn)子支架與磁軛的連接

2.3.3磁極裝配

磁極裝配(見圖6)由磁極沖片、磁極線圈、阻尼條和阻尼環(huán)及其他零件組成。磁極鐵心兩端設磁極壓板(100 mm厚)，并經(jīng)穿過整個磁極鐵心的拉緊螺栓沿軸向壓緊，鐵心總長3 310 mm。

圖6　磁極裝配

在磁極上設有阻尼繞組，每個磁極有7根阻尼條(φ22 mm)，在磁極壓板內(nèi)側(cè)設有阻尼環(huán)，阻尼條與阻尼環(huán)的焊接采用銀銅焊。

磁極線圈采用帶有散熱翅的銅排四角焊接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)增大了線圈散熱面積，可有效降低磁極線圈溫升。

磁極線圈與極靴間墊有絕緣托板，絕緣托板為高強度環(huán)氧玻璃布壓制件，其與磁極線圈接觸面粘有聚四氟乙烯粘帶，使線圈相對于鐵心可以自由膨脹。

磁極鐵心極身絕緣為NOMEX紙，極身絕緣與磁極線圈之間用環(huán)氧玻璃布板外包浸漬滌綸氈塞緊。

磁極線圈的固定采用在鴿尾側(cè)與鐵心之間設有注膠玻璃絲套管，將磁極線圈適形固定。

2.3.4頂軸

頂軸為鍛鋼材料，軸身外徑φ1 650 mm，法蘭外徑φ2 690 mm，高2 502 mm。頂軸下端法蘭與轉(zhuǎn)子支架中心體上圓盤采用止口及銷釘定位、螺栓連接結(jié)構(gòu)。頂軸上設置上導軸承滑轉(zhuǎn)子、集電環(huán)裝置及水輪機補氣裝置。頂軸與上導軸承和補氣裝置完全絕緣，以防止軸電流產(chǎn)生。

2.3.5主軸

主軸為鍛鋼材料，軸身外徑φ2 500 mm，下法蘭外徑φ3 430 mm，高5 900 mm。

主軸上端法蘭與轉(zhuǎn)子支架中心體下圓盤采用內(nèi)法蘭連接結(jié)構(gòu)，靠連接銷套傳遞扭矩。配合孔采用工地同鉆鉸工藝。

主軸下端法蘭與水輪機軸上端法蘭采用外法蘭連接，靠銷套傳遞扭矩，銷套配合孔采用在廠內(nèi)同鉆鉸工藝。

2.3.6磁極鍵

磁極與磁軛采用鴿尾連接。其軸向位置通過固定在下磁軛壓板上的螺釘調(diào)整，徑向和切向位置通過磁極鍵和墊片調(diào)整。磁極鍵需打緊并用螺釘頂緊(見圖7)。磁極鍵采用鏈條鍵結(jié)構(gòu)。

圖7　磁極鍵固定

2.4推力及下導軸承裝配

發(fā)電機推力軸承和下導軸承采用組合軸承結(jié)構(gòu)，布置在下機架中心體上的油槽內(nèi)(見圖8)。由推力頭、鏡板、推力瓦、推力軸承支撐、下導瓦、下導瓦支撐，油槽密封等組成。發(fā)電機最大推力負荷約3 400 t。

圖8　推力及下導軸承裝配

推力軸承瓦采用雙層彈性柱銷簇支撐方式，共18塊,上層為薄瓦，瓦面材料為巴氏合金,下層為托瓦，瓦間由若干個不同直徑的彈性銷支撐。為了試驗塑料瓦在巨型水輪發(fā)電機上的應用效果，哈電公司為工地3號機提供了瓦面材料為氟塑料的推力瓦，并對結(jié)構(gòu)進行了改進以同時適應巴士合金瓦和彈性塑料瓦，該機組運行的各項性能指標良好，為今后巨型機組推力軸承瓦的應用提供了更多的選擇。

推力頭采用鑄鋼20MnSi，通過螺栓固定在轉(zhuǎn)子中心體上，由止口定位，并與鏡板采用螺栓把合成整體。推力頭與轉(zhuǎn)子支架配合面設有O型密封槽。推力頭與鏡板結(jié)合面有較高的配合精度，并且有足夠的剛度。鏡板選用55號鍛鋼，采用薄鏡板結(jié)構(gòu)。

推力軸承支撐系統(tǒng)由托盤、壓縮柱及錐形支座等部件組成。托盤位于厚瓦與壓縮柱之間, 可以起到減小軸瓦變形和避免軸瓦中部應力集中的作用。壓縮柱外徑為φ110 mm, 頂面是球面, 中間通過一段M120的螺紋與錐形支座相連,此段M120的螺紋既要承受整個推力負荷, 同時也用來調(diào)節(jié)支柱的高度。支柱中心加工有φ7.5 mm的通孔, 孔內(nèi)裝有測量桿。因為各軸瓦上的不均衡載荷會造成各壓縮柱間的壓力差, 這個壓力差直接反應為各壓縮柱中測量桿的不同位移量,所以在安裝時可以通過電子位移表測量該位移量, 并據(jù)此對壓縮柱進行高度調(diào)節(jié), 從而使各瓦載荷達到均衡。該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是具有根據(jù)機組實際運行情況適時調(diào)節(jié)各瓦溫差的功能。

下導軸承瓦共18塊,瓦面為巴氏合金，下導軸承瓦為自泵型導瓦, 可以實現(xiàn)油的自循環(huán)而無需輔助油泵。下導軸承瓦的支撐為鍵支撐結(jié)構(gòu), 鍵留有加工余量,在工地根據(jù)下導瓦與推力頭的實測間隙進行配加工，該結(jié)構(gòu)可以保證導瓦與推力頭的間隙值不會因振動等原因而發(fā)生變化。

推力與下導軸承共用一個冷卻系統(tǒng), 采用導瓦泵外循環(huán)系統(tǒng),12個冷卻器位于下機架中心體外側(cè), 沿周向均布于下機架支臂之間, 并固定在垂直支臂板上。

推力軸承設有高壓油頂起系統(tǒng)，機組啟動前需投入高壓油，在推力瓦和鏡板間形成壓力油膜，防止推力瓦和鏡板間形成干摩擦，發(fā)生燒瓦事故。

采用彈性金屬塑料瓦的3號機，機組運行時不投入高壓油頂起裝置。

2.5上機架裝配

上機架裝配由上機架、上導軸承瓦、上導擋油管、油冷卻器和密封蓋等部件組成。

上機架由中心體和16個斜支臂組成(見圖9)，中心體與斜支臂在工地焊接成整體。上機架軸向與定子機座對應的斜支撐通過銷釘和螺栓剛性連接，將上機架裝配質(zhì)量通過定子機座傳遞到基礎上。上機架徑向通過螺栓和鍵與基礎連接，將徑向力傳遞到混凝土基礎上。斜支臂上機架具有軸向剛度大、切向柔度適中的特點，能承受來自上導軸承、集電環(huán)罩和上蓋板等各方面的力，并能沿圓周均勻膨脹，改善混凝土基礎受力。

圖9　上機架

上導軸承瓦共16塊,瓦面為巴氏合金，采用鍵支撐結(jié)構(gòu)(見圖10)。上導軸承冷卻采用自潤滑內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，油冷卻器為半環(huán)式結(jié)構(gòu)，擋油管采用螺旋密封結(jié)構(gòu)，可以有效防止油及油霧溢出。

圖10　上導軸承

2.6其他

發(fā)電機設有輔助設備包括空氣冷卻系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、水滅火系統(tǒng)、輔助接線、基礎埋件、集電環(huán)、刷架、吸塵裝置、蓋板、油水管路、主中引出線等部分。

3發(fā)電機運行數(shù)據(jù)

2013年7月，哈電生產(chǎn)制造的溪洛渡左岸首臺水輪發(fā)電機組成功并網(wǎng)運行，發(fā)電機各項性能參數(shù)優(yōu)良，符合三峽公司精品機組的要求。首臺機組72 h運行時振動、擺度及各部分溫度的測量值見表4、表5。

表4　6號機組各部分振動擺度幅值

表5　機組各部溫度(機組出力520 MW)

作者簡介:

周波,男，1971年出生，1993年畢業(yè)于哈爾濱電工學院電機專業(yè)，高級工程師，長期從事水輪發(fā)電機設計工作。