鄭 覺(jué) 平, 李 聲 寶

(東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司,浙江 杭州 300200)

1 概 述

安谷水電站工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電、防洪、航運(yùn)、灌溉和供水等。電站裝機(jī)容量為772 MW，裝設(shè)4臺(tái)、單機(jī)容量為190 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)單機(jī)容量為12 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。

筆者以四川大渡河安谷水電站4×190 MW大容量軸流式水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為例，介紹了大容量軸流式水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可為類似機(jī)組設(shè)計(jì)提供參考。

2 發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

安谷水電站發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)在體現(xiàn)機(jī)組性能先進(jìn)性的同時(shí)，更追求的是發(fā)電機(jī)整體參數(shù)的協(xié)調(diào)搭配、合理裕度設(shè)計(jì)以及發(fā)電機(jī)整體性能的穩(wěn)定、可靠，以確保機(jī)組能長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

在具體的電磁參數(shù)選擇上，根據(jù)合同規(guī)范和設(shè)計(jì)理念以及相關(guān)基準(zhǔn)，從電抗、溫升、損耗、振動(dòng)、波形、勵(lì)磁參數(shù)、時(shí)間常數(shù)、過(guò)渡過(guò)程等參數(shù)的綜合對(duì)比(特別是保證事項(xiàng)中 的 電 抗 值：Xdu<

1 pu、Xdu’ <0.35 pu、Xdu” ≥ 0.2 pu)，選擇相對(duì)較低的電磁負(fù)荷并在設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上保留了一定的裕度。在冷卻參數(shù)的配置及有效材料的利用上均以保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性為電磁設(shè)計(jì)的前提條件。

對(duì)于安谷水電站217.14 MVA-68P-13.8 kV的發(fā)電機(jī)，其每極容量為3.2 MVA，較為合適的槽電流為4 000～5 000 A。因安谷水電站發(fā)電機(jī)額定電流為9 085 A，并考慮三相繞組對(duì)稱，選擇定子繞組并聯(lián)支路數(shù)為4時(shí)槽電流為4 543 A較為合理，該電流值的定子線圈制造難度亦適中。

考慮到安谷水電站廠房布置的要求，希望在發(fā)電機(jī)機(jī)坑的風(fēng)洞內(nèi)徑盡可能小于18.1 m的同時(shí)又要滿足發(fā)電機(jī)的GD2，對(duì)4支路對(duì)應(yīng)的優(yōu)選槽數(shù)的電磁方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，優(yōu)選的定子槽數(shù)為612，每極每相槽數(shù)為整數(shù)槽3，從而避免了由諧波引起的分?jǐn)?shù)次諧波振動(dòng)現(xiàn)象。

主要電磁參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要電磁參數(shù)表

安谷水電站電磁設(shè)計(jì)方案滿足所有保證值的要求，且發(fā)電機(jī)效率等性能及空間利用率比較合理，可謂是比較合適的設(shè)計(jì)方案。

3 發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

安谷水電站發(fā)電機(jī)為立軸半傘式、密閉自循環(huán)空氣冷卻的三相凸極同步發(fā)電機(jī)，主要由定子、轉(zhuǎn)子、上下導(dǎo)軸承及推力軸承、上下機(jī)架等組成，總體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)剖面圖

3.1 定 子

定子由定子機(jī)座、定子鐵心、定子線圈等組成。

定子機(jī)座由鋼板焊接而成，呈正二十四邊形，對(duì)邊尺寸為15 500 mm，高2 880 mm。為方便運(yùn)輸，分成6瓣，現(xiàn)場(chǎng)焊接成整體。下齒壓板上的穿心螺桿孔在現(xiàn)場(chǎng)組焊后配鉆。

機(jī)座下環(huán)底部設(shè)置了12處基礎(chǔ)板，通過(guò)松螺栓與基礎(chǔ)連接，通過(guò)徑向銷定位并傳遞扭矩，該結(jié)構(gòu)可適應(yīng)機(jī)座熱變形以及鐵心的徑向熱脹冷縮，從而有效避免了鐵心產(chǎn)生“翹曲”現(xiàn)象。

定子鐵心外徑為14 000 mm，內(nèi)徑為13 220 mm，高1 700 mm。沖片采用0.5 mm厚的50 A250硅鋼片沖制而成。沖片雙面涂F級(jí)絕緣漆以減少渦流損耗。通風(fēng)溝高6 mm，通風(fēng)槽鋼采用非磁性不銹鋼材質(zhì)。鐵心壓緊采用分塊式上齒壓板加下部大齒壓板結(jié)構(gòu)，依靠雙鴿尾筋精確可靠定位，通過(guò)鐵心軛部的穿心螺桿壓緊固定。為防止機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后鐵心松動(dòng)，在鐵心上端設(shè)置碟形彈簧，以吸收機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后鐵心漆膜收縮，保證漆膜收縮后鐵心仍有足夠的安全面壓。

定子線圈為雙層條式波線圈、4支路Y形連接。絕緣等級(jí)為F級(jí)，定子線圈采用“VPR”-真空液壓成型多膠絕緣體系(東芝專利技術(shù))。VPR技術(shù)是一種線圈絕緣采用真空干燥、壓力罐內(nèi)液體熱壓成型工藝制作的技術(shù)。

3.2 轉(zhuǎn) 子

轉(zhuǎn)子由磁極鐵心、磁極線圈、轉(zhuǎn)子磁軛和轉(zhuǎn)子支架組成。

為了減小磁極表面的渦流損失，磁極鐵心采用1 mm厚的WDEL250高強(qiáng)度專用冷軋鋼板沖片疊壓而成，用拉緊螺桿把合成整體。通過(guò)應(yīng)力分析，磁極采用單鴿尾與磁軛連接，利用楔形鍵牢固地將磁極固定在磁軛上。

磁極線圈采用F級(jí)絕緣，由異形的銅排焊接而成，異形銅排使線圈表面的散熱面積加大。為提高故障狀態(tài)下的穩(wěn)定性，磁極設(shè)有阻尼繞組。阻尼繞組為連續(xù)連接型式并牢固地連接，以減小發(fā)電機(jī)故障時(shí)的電壓畸變，具有低電阻率的性能。

由于安谷水電站機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的2.83倍，飛逸狀態(tài)下轉(zhuǎn)子離心力非常大，考慮到應(yīng)力和GD2的要求，磁軛材料采用4.5 mm厚低合金高強(qiáng)度鋼板WDER700。磁軛鋼板采用激光切割制作，在現(xiàn)場(chǎng)疊壓而成，利用鉸制螺桿把合成整體。現(xiàn)場(chǎng)疊裝無(wú)需鉸孔，從而減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量。

轉(zhuǎn)子支架為圓盤式結(jié)構(gòu)，由中心體和17個(gè)支臂等組成。根據(jù)有限元解析結(jié)果，飛逸工況下Von Mises的最大應(yīng)力值為 151 MPa，位于上圓盤根部與上法蘭連接處，為局部點(diǎn)的集中應(yīng)力。其余區(qū)域的應(yīng)力值均在 101 MPa 以下(圖2)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇上圓盤厚度為30 mm，下圓盤厚度為45 mm，立筋高度為1 988 mm。上下圓盤開(kāi)有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)孔，以使發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生需要的風(fēng)量。

圖2 飛逸工況下轉(zhuǎn)子支架應(yīng)力示意圖

磁軛及磁極的重力作用在轉(zhuǎn)子支架外緣的主立筋上，將使轉(zhuǎn)子支架產(chǎn)生垂直向下的軸向撓度，主合同要求轉(zhuǎn)子支架軸向撓度小于1.5 mm。根據(jù)有限元解析結(jié)果，轉(zhuǎn)子支架最大撓度值為 1.16 mm(圖 3)。

圖3 轉(zhuǎn)子支架軸向撓度示意圖

為便于運(yùn)輸，轉(zhuǎn)子支架外環(huán)件分成4瓣，在現(xiàn)場(chǎng)與中心體焊接成整體。為了防止現(xiàn)場(chǎng)焊接變形，轉(zhuǎn)子支架的焊接順序采用先焊立縫，再焊環(huán)縫，最后焊徑向縫。同時(shí)，由于立筋弦距較大，選擇在上下圓板、兩立筋之間設(shè)置支撐鋼管。雖然轉(zhuǎn)子支架組裝焊接時(shí)采取了控制變形的措施，但焊后的尺寸仍然可能滿足不了疊裝磁軛沖片的要求。為消除焊接變形帶來(lái)的影響和保證立筋上的鍵槽與磁軛鍵槽對(duì)應(yīng)精確的需要，安谷水電站機(jī)組轉(zhuǎn)子支架的立筋采用了主副立筋結(jié)構(gòu)，副立筋根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的尺寸進(jìn)行配刨焊接。

磁軛與支架之間采用徑切向復(fù)合鍵連接，其徑向鍵的預(yù)緊力能保證機(jī)組轉(zhuǎn)速為1.25倍額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子支架與磁軛不發(fā)生分離，能保證正常運(yùn)行時(shí)磁軛的圓度并有效地傳遞扭矩，使疊片磁軛具有更佳的整體性。

轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)大軸采用12個(gè)M140的螺栓+銷套進(jìn)行連接?，F(xiàn)場(chǎng)盤車后鏜孔，以保證銷套與銷孔的配合精度，能夠安全可靠地傳遞運(yùn)行過(guò)程中的扭矩，把合時(shí)通過(guò)液壓拉伸器拉緊。

3.3 推力軸承

推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)組中最重要的部件之一，其性能不僅直接關(guān)系到機(jī)組安全運(yùn)行，而且還影響機(jī)組的出力和效率。作為軸流轉(zhuǎn)槳式發(fā)電機(jī)，其推力負(fù)荷較大，安谷水電站機(jī)組總推力負(fù)荷達(dá)2 980 t(正常運(yùn)行時(shí)最大水推力作用下)，增加了設(shè)計(jì)的難度。根據(jù)東芝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，安谷水電站推力軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 推力軸承設(shè)計(jì)參數(shù)表

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，我們利用東芝專有的解析程序?qū)Π补人娬就屏S承進(jìn)行了詳細(xì)解析，解析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，具體結(jié)果見(jiàn)圖4、5、6。

圖4 圓周方面分布(內(nèi)徑側(cè)倒角處)示意圖

圖5 圓周方向分布(中央部)示意圖

推力軸承采用東芝傳統(tǒng)的彈簧簇支承結(jié)構(gòu)。支撐彈簧根據(jù)載荷分布、油膜形成的需要布置在推力瓦下的適當(dāng)區(qū)域，使推力軸承具有自調(diào)節(jié)功能，推力瓦受力更加均勻，提高了推力軸承的運(yùn)行穩(wěn)定性。另外，采用多支點(diǎn)彈簧支撐方式，推力瓦的熱變形和彈性變形方向相反，可以互相補(bǔ)償，使推力瓦在運(yùn)行過(guò)程中基本保持平面，從而有效地提高了推力軸承的潤(rùn)滑性能和承載能力。

圖6 圓周方向分布(外徑側(cè))示意圖

推力頭和軸為分開(kāi)結(jié)構(gòu)。推力鏡板用碳素鍛鋼制成，為單一環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓把合到推力頭上。推力軸承的冷卻采用安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單的鏡板泵+外置油冷器方式，其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 推力軸承結(jié)構(gòu)圖

為了保證機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)可以很好地形成油膜，在推力軸承上設(shè)置了高壓油頂起裝置。推力瓦的布置能在頂起轉(zhuǎn)子、卸除軸承負(fù)荷時(shí)，在不干擾定子、轉(zhuǎn)子的條件下便于軸瓦的調(diào)整、拆卸和組裝，油槽壁開(kāi)有推力瓦檢修窗，可以方便地進(jìn)行推力瓦的裝拆作業(yè)。

4 發(fā)電機(jī)的通風(fēng)設(shè)計(jì)

安谷水電站發(fā)電機(jī)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通風(fēng)冷卻效果好的密閉自循環(huán)徑向通風(fēng)冷卻方式。整個(gè)風(fēng)路風(fēng)量分布均勻，循環(huán)路徑如圖1所示。

在發(fā)電機(jī)定子機(jī)座外壁周圍均勻地布置了12只空氣冷卻器?？绽淦鞯脑O(shè)計(jì)滿足在15%冷卻容量的空冷器(至少一臺(tái))退出運(yùn)行的條件下仍然可以滿足機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，在轉(zhuǎn)子支架上、下圓板上都開(kāi)有適當(dāng)數(shù)量的通風(fēng)孔。冷風(fēng)通過(guò)這些風(fēng)孔并在轉(zhuǎn)子自身運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下強(qiáng)制地通過(guò)轉(zhuǎn)子磁軛上的風(fēng)道(圖8)。

氣流的分布設(shè)計(jì)在整個(gè)發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)度方向上均勻一致，采用雙路通風(fēng)，考慮到冷卻效果，其上端風(fēng)量與下端風(fēng)量按比例分配，其風(fēng)路為：

(1)上端風(fēng)量為總風(fēng)量的55%左右：冷風(fēng)→定子線圈上端部→中心體上圓盤通風(fēng)孔→轉(zhuǎn)子磁軛→定子→空冷器冷卻。

(2)下端風(fēng)量為總風(fēng)量的45%左右：冷風(fēng)→定子支墩空間→定子線圈下端部→轉(zhuǎn)子中心體下圓盤通風(fēng)孔→轉(zhuǎn)子磁軛→定子→空冷器冷卻。

空氣通過(guò)上述風(fēng)路完成一次循環(huán)。

通過(guò)采用通風(fēng)計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算以及已有的電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，最終確定安谷水電站的通風(fēng)結(jié)構(gòu)是安全可靠的結(jié)構(gòu)。

5 發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況

2014年12月11日2時(shí)，安谷水電站1#機(jī)組圓滿完成72 h試運(yùn)行，成功投產(chǎn)發(fā)電，正式進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行，2#-4#機(jī)組相繼投入商業(yè)運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，性能優(yōu)良，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。1#機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 1#機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)(出力192 MW)表

6 結(jié) 語(yǔ)

安谷水電站大型軸流式水輪發(fā)電機(jī)組自投入商業(yè)運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪聲低，各部分溫度低，達(dá)到或優(yōu)于合同中各項(xiàng)保證值的要求。發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，性能指標(biāo)優(yōu)良，受到用戶好評(píng)，其結(jié)果表明我公司大容量軸流式水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和制造水平上了一個(gè)新的臺(tái)階，達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，亦為今后超大容量發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和制造積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。