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)電機主要結構特點以及發(fā)電機運行數據。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，選取既經濟又安全的設計方案；同時詳細描述了發(fā)電機定子、轉子、軸承、機架等重要部件的設計結構；最后截取發(fā)電機運行數據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。

關鍵詞：全空冷；水輪發(fā)電機；電磁設計；定子；轉子；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、制造提供寶貴的經驗。

1電磁設計

1.1發(fā)電機基本參數

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：0.9(滯后)

4)額定頻率：50 Hz

5)額定轉速：125 r/min

6)飛逸轉速：240 r/min

7)相數：3

8)發(fā)電機GD2：180 000 tm2

1.2發(fā)電機性能參數的選擇

發(fā)電機采用全空冷結構設計，全空冷水輪發(fā)電機具有結構簡單、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、外全空冷巨型水輪發(fā)電機槽電流統(tǒng)計。

表1　國內、外巨型全空冷水輪發(fā)電機槽電流統(tǒng)計

溪洛渡發(fā)電機額定轉速為125 r/min，磁極數48，可選支路數為6和8。當支路數選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；當支路數選8時，發(fā)電機槽電流為6 175 A，在合理取值范圍內。根據以上比較分析，溪洛渡發(fā)電機支路數應選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、經濟參數指標，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，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、轉子繞組溫升過高，全空冷發(fā)電機利用系數一般控制在10以下。隨著冷卻技術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，根據哈電設計經驗，溪洛渡發(fā)電機電負荷宜控制900 A/cm以內，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，其數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溫差增大，線圈溫升增高。依據哈電公司設計經驗，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。表3為全空冷巨型水輪發(fā)電機熱負荷統(tǒng)計。

1.3小結

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、熱負荷等電磁參數均在巨型全空冷發(fā)電機經驗取值范圍內，并被良好的運行經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主要部分結構設計

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、上機架和轉子支架采用斜元件結構，下機架采用輻射型支臂結構。

發(fā)電機軸線由上端軸(頂軸)、轉子中心體及主軸(三段軸)構成。

發(fā)電機的通風設計采用旋轉擋風板結構，保證定子、轉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構，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構，便于工地安裝和調整，保證鐵心具有良好的疊裝質量。

圖2　定子機座

采用斜元件結構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生的定子鐵心內應力，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接地事故，鐵心與螺桿間的套管采用全絕緣結構，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、“Y”形連接。繞組絕緣為F級，采用不完全換位結構，以減小線棒股線在槽部漏磁場中不同位置產生循環(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構，并應用加熱模壓固化“一次成型”工藝。定子線棒槽內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，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構，確保線棒在槽內可靠固定。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)，其外側墊有滌綸氈，并用玻璃絲繩綁扎固定。在線棒端部外側設有端箍，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轉子裝配

轉子裝配由轉子支架、磁軛、磁極、頂軸、主軸等部件組成。

2.3.1轉子支架

采用斜立筋圓盤式結構，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　轉子支架

前傾式斜立筋圓盤式轉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速按1.4倍額定轉速計算)。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，在轉子支架非驅動端增加一層擋風板。

2.3.2磁軛裝配

磁軛內徑11 760 mm，徑向寬度817 mm，高3 440 mm。磁軛由3 mm厚優(yōu)質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。

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

圖5　轉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)，在磁極壓板內側設有阻尼環(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構，該結構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。頂軸下端法蘭與轉子支架中心體上圓盤采用止口及銷釘定位、螺栓連接結構。頂軸上設置上導軸承滑轉子、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。

主軸上端法蘭與轉子支架中心體下圓盤采用內法蘭連接結構，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整，徑向和切向位置通過磁極鍵和墊片調整。磁極鍵需打緊并用螺釘頂緊(見圖7)。磁極鍵采用鏈條鍵結構。

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構，布置在下機架中心體上的油槽內(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，并對結構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。推力頭與轉子支架配合面設有O型密封槽。推力頭與鏡板結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，采用薄鏡板結構。

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, 同時也用來調節(jié)支柱的高度。支柱中心加工有φ7.5 mm的通孔, 孔內裝有測量桿。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, 并據此對壓縮柱進行高度調節(jié), 從而使各瓦載荷達到均衡。該結構最大的優(yōu)點是具有根據機組實際運行情況適時調節(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構, 鍵留有加工余量,在工地根據下導瓦與推力頭的實測間隙進行配加工，該結構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, 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，采用鍵支撐結構(見圖10)。上導軸承冷卻采用自潤滑內循環(huán)系統(tǒng)，油冷卻器為半環(huán)式結構，擋油管采用螺旋密封結構，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)電機運行數據

2013年7月，哈電生產制造的溪洛渡左岸首臺水輪發(fā)電機組成功并網運行，發(fā)電機各項性能參數優(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。