程湛

摘 要：巨型水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)推出之后便在很多大型水電工程中得到應(yīng)用，水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)水利工程的使用性能具有直接影響，而巨型水輪發(fā)電機(jī)中的相關(guān)部件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵內(nèi)容，為此，我們有必要針對(duì)巨型水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)展開研究。本文就以典型的立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷三相凸極同步巨型水輪發(fā)電機(jī)為例，探討其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵系統(tǒng)的組成內(nèi)容進(jìn)行闡述，旨在為后續(xù)的巨型水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作提供參考建議。

關(guān)鍵詞：巨型水輪發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國的巨型水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)最早是1998年從國外引進(jìn)的一類水電工程應(yīng)用技術(shù)，在持續(xù)應(yīng)用和發(fā)展過程中，不斷研究技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)特征，在2003年便具備獨(dú)立完成巨型水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作，并且將設(shè)計(jì)的巨型設(shè)備成功應(yīng)用到三峽工程中，在一段時(shí)間內(nèi)成為世界上規(guī)格最大和負(fù)荷最大的水輪發(fā)電機(jī)。還在短時(shí)間內(nèi)完成了多個(gè)水電工程的巨型水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作，在投入使用后表現(xiàn)出明顯的應(yīng)用效果?？梢?，我國的巨型水輪發(fā)電機(jī)已經(jīng)在短時(shí)間內(nèi)完成從引進(jìn)外來先進(jìn)技術(shù)，掌握技術(shù)和創(chuàng)新技術(shù)的整個(gè)發(fā)展過程。在實(shí)際應(yīng)用過程中可以發(fā)現(xiàn)，水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平與投入使用之后水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全密切相關(guān)，為此，我們需要不斷更新技術(shù)，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證水輪發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷三相凸極同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)元件有定子、轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、上導(dǎo)軸承、下機(jī)架、推力軸承、下導(dǎo)軸承、空氣冷卻器、埋入基礎(chǔ)、制動(dòng)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、蓋板、油水管路和輔助接線等，為了研究巨型水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們針對(duì)立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷三相凸極同步發(fā)電機(jī)中的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部件的組成進(jìn)行分別探討：

1.1 定子

巨型水輪發(fā)電機(jī)中定子裝置的主要作用是利用定子鐵心、繞組和機(jī)座共同構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)磁場為水輪發(fā)電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，再配合其他部件完成電能輸送，為此，定子在水輪機(jī)發(fā)電機(jī)中承擔(dān)著不可替代的作用，是水輪發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)恿碓?。在定子結(jié)構(gòu)中的機(jī)座主要是由大量的環(huán)板、垂直方向的斜立筋、筋板和外壁共同焊接而成的鋼板結(jié)構(gòu)。由于定子機(jī)座為焊接結(jié)構(gòu)，均為預(yù)制元件在現(xiàn)場組裝并且焊接，機(jī)座中的斜立筋起到對(duì)抗鐵心熱膨脹的作用，而環(huán)板是一般的大齒壓板。同時(shí)，斜立筋的上下兩端均起到固定作用，分別與機(jī)組的基礎(chǔ)元件連接，上端連接上機(jī)架，為了確保連接穩(wěn)固性均采用銷釘或者螺栓加固。

定子鐵心裝置是由冷軋而成的硅鋼片疊成，只有利用穿心螺桿將疊片壓實(shí)，為了保證定子鐵心的使用性能，在壓緊過程中需要在鐵心的中間部位設(shè)置絕緣材料，同時(shí)在壓緊操作中使用的緊螺帽下方墊上彈簧墊圈。將定子鐵心的兩端疊片使用膠水黏結(jié)成一個(gè)整體，這樣可以盡量減少運(yùn)行過程中由于機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象，對(duì)定子的使用性能和強(qiáng)度具有積極作用，而齒壓片選用的則是無磁性的鋼材料，避免定子運(yùn)行過程中對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場造成干擾，最后應(yīng)用定位筋將鐵心固定在機(jī)座上。定子裝置的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子裝置屬于旋轉(zhuǎn)的主要構(gòu)件，是指由軸承支撐的旋轉(zhuǎn)體。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的主要部件有頂軸、轉(zhuǎn)子支架、主軸、磁軛、磁極和集電裝置等。其中的頂軸一般選用鍛鋼材質(zhì)，為了保證轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的有效運(yùn)行，多采用螺栓將頂軸和支架進(jìn)行連接，并且應(yīng)用銷釘和止口進(jìn)行定位和加固，頂軸上部安裝與實(shí)際設(shè)計(jì)相符的集電環(huán)。鍛鋼20SiMn因具備較強(qiáng)的可鍛造性、良好的焊接性能和便于加工的特點(diǎn)，可以同時(shí)作為主軸和頂軸的首選材料。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的主軸和轉(zhuǎn)子支架需要采用螺栓連接固定才能保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)行，確定轉(zhuǎn)子的最終位置后利用銷釘固定，以便于扭矩的傳遞，為了達(dá)到定位準(zhǔn)確的目的，還可以采用止口再次定位。由于水輪發(fā)電機(jī)在投入使用后會(huì)處于持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)受到機(jī)械振動(dòng)的影響，為此，加固轉(zhuǎn)子支架，提升轉(zhuǎn)子運(yùn)行的穩(wěn)定性能，對(duì)較少磨損具有深遠(yuǎn)意義。在立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷三相凸極同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中我們所采用的加固方式為圓盤式斜立筋鋼板焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中涵蓋中心體和多個(gè)外環(huán)組件。與定子裝置相同，同樣是工廠預(yù)制之后到現(xiàn)場安裝焊接。其中，中心體是由上下法蘭、中心圓筒和內(nèi)外徑向垂直筋板等共同組成的鋼筋焊接結(jié)構(gòu)，而外環(huán)組件是由上下環(huán)板和垂直斜筋板等元件共同焊接而成。

磁軛的主要材質(zhì)為薄鋼板，對(duì)鋼板的強(qiáng)度具有較高要求，一般會(huì)設(shè)置兩段磁軛，并且在每段的兩端分別設(shè)置壓板，利用金螺桿進(jìn)行拉緊操作，進(jìn)而形成兩個(gè)獨(dú)立的整體。在對(duì)磁軛和轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行連接時(shí)，需要考慮到來自徑向和切向的兩個(gè)作用力，要求連接結(jié)構(gòu)必須具備承受兩個(gè)作用力的性能，為此，在這個(gè)連接部位需要采用復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。磁極的主要構(gòu)件有磁極鐵心和磁極線圈，其中鐵心是由沖片疊成，并在兩端分別設(shè)置壓板，使用拉緊螺桿進(jìn)行壓緊操作，為了保證磁極的正常工作狀態(tài)，需要設(shè)置設(shè)定的鐵心繞組。磁極線圈在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，為此，需要選擇散熱功能較好的銅排材料焊接，為了保證磁極在應(yīng)力的作用下不產(chǎn)生變形，可以在中間部位設(shè)置支撐塊，起到抵消線圈應(yīng)力的作用。

1.3 下機(jī)架

下機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架，包括中心體和徑向支臂，用優(yōu)質(zhì)熱軋鋼板焊接而成。支臂與中心體在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝，在工地進(jìn)行組焊。在中心體的外壁上開有窗口，便于檢修推力軸承瓦。下機(jī)架的末端與基礎(chǔ)連接。下機(jī)架不僅承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量和水推力等組合載荷，同時(shí)還承受下導(dǎo)軸承的徑向負(fù)荷。對(duì)于特大型機(jī)組，下機(jī)架軸向撓度應(yīng)控制在5mm以內(nèi)。同時(shí)下機(jī)架的結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮運(yùn)輸?shù)南拗坪透玫貍鬟f徑向負(fù)荷，因此下機(jī)架一般設(shè)計(jì)成輻射型分體結(jié)構(gòu)。

由于巨型機(jī)組的推力負(fù)荷普遍在2500t以上，其推力軸承損耗大，超過500kW。推導(dǎo)復(fù)合軸承的軸承損耗更大。常規(guī)的推力軸承內(nèi)循環(huán)潤滑冷卻方式無論從油槽結(jié)構(gòu)還是循環(huán)冷卻效果，均無法滿足機(jī)組的潤滑冷卻要求。因此，采用外循環(huán)冷卻方式已成為巨型機(jī)組推力軸承冷卻的共識(shí)。外加泵外循環(huán)，主要特點(diǎn)是在潤滑油循環(huán)回路系統(tǒng)中外加一組互相備用的電動(dòng)油泵，作為循環(huán)動(dòng)力，其余由冷卻器、濾油器、壓力表、流量顯示器和閥門等元件組成。

結(jié)語

我國的巨型水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)具備一定的技術(shù)水平，并且在不斷發(fā)展的過程中不斷完善和更新技術(shù)。巨型水輪發(fā)電機(jī)在眾多水電工程中的成功應(yīng)用也標(biāo)志著巨型水輪發(fā)電機(jī)的良好技術(shù)成果。在巨型水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)性能是保證水輪發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵內(nèi)容，為此，我們有必要加強(qiáng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)性能的研究，通過完善各個(gè)結(jié)構(gòu)和元件的使用性能，提升巨型水輪發(fā)電機(jī)的整體性能，使其具備更好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]王宇.水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].防爆電機(jī)，2016，51（3）：12-14.

[2]占樂軍.龍開口水電站水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析[C].中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2014.10.