李占寧

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

循環(huán)水泵廣泛用于各種需要循環(huán)提供冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合。循環(huán)水泵的作用是向汽輪機(jī)凝汽器不間斷地提供冷卻水，用以冷凝汽輪機(jī)的排汽，使之凝結(jié)成凝結(jié)水。汽輪機(jī)排汽的高度真空主要是由于排汽凝結(jié)所形成的，因此循環(huán)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、提供的循環(huán)水是否充足，嚴(yán)重地影響著機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。此外，循環(huán)水泵還要向冷油器、冷水器、發(fā)電機(jī)的空氣冷卻器提供冷卻水。循環(huán)水泵廣泛用于各種需要循環(huán)提供冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合。循環(huán)水泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般為三相立式異步結(jié)構(gòu)，以保證電機(jī)處于較高的位置。立式水泵的軸向力一般由電機(jī)的推力軸承承擔(dān)，而核電循泵電機(jī)軸向推力則由齒輪箱承受，電機(jī)推力軸承只需要承擔(dān)電機(jī)轉(zhuǎn)子自重。

巴基斯坦卡拉奇核電站K2、K3號(hào)機(jī)組的循環(huán)水泵異步電動(dòng)機(jī)是我國(guó)目前制造的功率最大的立式核電循泵異步電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)型號(hào)YLKS1120-8，額定功率9 000 kW，額定電壓6.6 kV，頻率50 Hz。電機(jī)使用于核電站常規(guī)島中，故此電機(jī)在電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣要求等方面都有比一般電機(jī)更高的要求。

1 電磁設(shè)計(jì)

1.1 電磁設(shè)計(jì)考慮因素

電磁設(shè)計(jì)不能僅限于計(jì)算某一個(gè)工作狀態(tài)，電磁參數(shù)的選取應(yīng)使每個(gè)頻率點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩參數(shù)均滿足額定參數(shù)要求，最大發(fā)熱因數(shù)滿足溫升限值，最高磁參數(shù)滿足材料性能要求，最高頻率點(diǎn)滿足轉(zhuǎn)矩倍數(shù)要求，額定點(diǎn)效率、功率因數(shù)滿足額定要求[1]。標(biāo)準(zhǔn)為IEC60034-1。

1.2 電機(jī)的主要參數(shù)

電機(jī)定子熱負(fù)荷：A1△1=1 972×108A2/m3

定子外徑、內(nèi)徑：Φ1 900 mm和Φ1 390 mm

轉(zhuǎn)子外徑、內(nèi)徑：Φ1 382 mm和Φ1 000 mm

定子、轉(zhuǎn)子槽數(shù)：96和115 拼數(shù)：6和5

定子、轉(zhuǎn)子氣隙：4 鐵心長(zhǎng)：1 000 mm

型號(hào)：YLKS1120-8

額定電壓：6 600 V

額定功率：9 000 kW

額定轉(zhuǎn)速：745 r/min

額定電流：914 A

額定頻率：50 Hz

旋轉(zhuǎn)方向：順時(shí)針(從主軸伸端看)

轉(zhuǎn)軸：?jiǎn)屋S伸

防護(hù)等級(jí)：IP555

安裝方式：立式

絕緣等級(jí)：F級(jí)絕緣(B級(jí)考核)

電氣參數(shù)滿足用戶要求[2]。

1.3 絕緣結(jié)構(gòu)的確定

鑒于電機(jī)大容量、高效率的特點(diǎn)，兼顧循泵電機(jī)起動(dòng)的嚴(yán)苛要求，該電機(jī)采用了公司最新開發(fā)的少膠絕緣系統(tǒng)，極大提高了電機(jī)性能。電機(jī)采用F級(jí)少膠絕緣，對(duì)繞組絕緣處理要求很高，絕緣設(shè)計(jì)時(shí)考慮絕緣沖擊電壓的能力。本電機(jī)采用6.6 kV電機(jī)少膠絕緣規(guī)范，加強(qiáng)了對(duì)地絕緣和線匝間絕緣強(qiáng)度，并采用VPI整浸技術(shù)，進(jìn)一步保證了電機(jī)的絕緣性能。

2 電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

電機(jī)為鼠籠結(jié)構(gòu)立式異步電動(dòng)機(jī)(見圖1)。冷卻方式為IC81W，電機(jī)包括定子(由機(jī)座、定子鐵心和繞組組成)、轉(zhuǎn)子(由轉(zhuǎn)子鐵心、導(dǎo)條、端環(huán)、風(fēng)扇和軸組成)，上軸承采用組合式推力滑動(dòng)軸承，下軸承采用國(guó)產(chǎn)滑動(dòng)軸承，兩個(gè)側(cè)面為電機(jī)的出線側(cè)，安裝主出線盒、中性點(diǎn)出線盒、加熱器出線盒和測(cè)溫元件出線盒；另外兩個(gè)側(cè)面為冷卻器。電機(jī)采用底座安裝方式IM4011。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電機(jī)推力軸承及軸承支架的選擇

電動(dòng)機(jī)與水泵之間有齒輪箱，電機(jī)推力軸承只需承受轉(zhuǎn)子自重9.6 t。上軸承采用自主開發(fā)的9號(hào)推力軸承(SMZHP09)，電動(dòng)機(jī)不承受水泵向下的推力，下軸承采用自主開發(fā)的14號(hào)滑動(dòng)軸承(SMDHP14S)。下軸承高度增加，將密封圈位置抬高，以避免潤(rùn)滑油溢出。推力軸承采用巴氏合金軸瓦，導(dǎo)軸承采用可調(diào)的彈性止推瓦(見圖2)，可以精確和方便地單獨(dú)調(diào)節(jié)每一塊導(dǎo)瓦的徑向位置，從而調(diào)節(jié)導(dǎo)瓦與轉(zhuǎn)軸的軸線對(duì)中，提高泵組軸線的同心度，減小水導(dǎo)軸承的擺度。考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速在745 r/min以下，軸承潤(rùn)滑油選用46號(hào)汽輪機(jī)油。

圖2 推力軸承

軸承支架設(shè)計(jì)采用撐筋結(jié)構(gòu)，并利用Solidworks軟件建模，采用Ansys進(jìn)行了受力分析和仿真分析[3]。機(jī)架推力軸承座在承受轉(zhuǎn)子自重時(shí)如圖3所示，圖中沒有明顯的塑性變形出現(xiàn)，軸向剛度也得到明顯改善，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定子為外壓裝結(jié)構(gòu)，整個(gè)鐵心疊裝嵌線完成后經(jīng)VPI整浸再壓入機(jī)座。定子沖片材料采用具有高導(dǎo)磁性能的冷軋硅鋼板50W400。定子線圈下線后，繞組的端部采取可靠的固定綁扎措施，再經(jīng)真空壓力無溶劑(VPI)浸漬處理，使整個(gè)定子具有良好的絕緣性能和可靠的機(jī)械強(qiáng)度。

2.3.1 定子機(jī)座

機(jī)座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，外形為不對(duì)稱八邊形，利用Solidworks軟件進(jìn)行受力分析，確保機(jī)座的安全可靠。定子鐵心中間等分焊12塊弧形板，機(jī)座鐵心部分兩機(jī)壁之間再加一道中壁，與鐵心中12塊弧形板焊接，增加了剛性。機(jī)座采用立式新系列減重機(jī)座結(jié)構(gòu)，機(jī)座撐板調(diào)整至冷卻器安裝螺栓位置，使得電機(jī)剛性更好(見圖4)。該結(jié)構(gòu)在充分利用空間的同時(shí)降低了電機(jī)重心，能有效減小振動(dòng)、降低噪聲?？紤]到鐵心內(nèi)圓很大，又是核電產(chǎn)品，機(jī)座采用了二次加工工藝，確保機(jī)座尺寸誤差。機(jī)座采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，機(jī)座焊接后需要消除應(yīng)力處理。

圖3 軸承支架受力分析圖

圖4 機(jī)座

2.3.2 定子嵌線

由于新系列電機(jī)采用了少膠系統(tǒng)，故綁扎材料也都選用適用于少膠絕緣規(guī)范的材料。線圈支架全部采用環(huán)氧材料，用于固定并聯(lián)環(huán)。端箍支架采用L型扁鋼，外包絕緣。為防止端部漏風(fēng)，我們把線圈端部間隙嚴(yán)格密封。在線圈與線圈之間塞上絳綸氈，再輔以擋風(fēng)圈，見圖5。

圖5 端部綁扎及定子嵌線

2.4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.5 電機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)

電機(jī)按客戶要求采用IC81W，二次冷卻介質(zhì)為冷卻水。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)形成內(nèi)風(fēng)路，電機(jī)熱風(fēng)向上進(jìn)入冷卻器，熱量傳遞給冷卻器內(nèi)部冷卻管，與冷卻水熱交換并由冷卻水帶走電機(jī)熱量。降溫后的冷卻空氣從兩側(cè)冷卻器流進(jìn)電機(jī)，從線圈兩側(cè)流過，帶走線圈兩端產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過轉(zhuǎn)子鐵心部分，冷卻電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子鐵心，實(shí)現(xiàn)周而復(fù)始的進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)。

3 試驗(yàn)

(1) 電機(jī)所有關(guān)鍵材料的規(guī)格、性能入廠時(shí)均按相關(guān)的國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

(2) 按GB/T 2521.1國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硅鋼板的磁化特性、單位損耗進(jìn)行檢測(cè)。

(3) 按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0A500.077《交直流電機(jī)軸鍛件技術(shù)條件》對(duì)鍛件進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，并對(duì)其機(jī)械性能取樣試驗(yàn)。

(4) 按IEC60034國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 1032國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本電機(jī)進(jìn)行檢查試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，并增加三項(xiàng)特殊試驗(yàn)：電機(jī)局部放電測(cè)量、介質(zhì)損耗測(cè)量、泄露電流測(cè)量。

試驗(yàn)結(jié)果顯示電機(jī)效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩、溫升和噪聲均達(dá)到或高于設(shè)計(jì)要求。

總體性能指標(biāo)優(yōu)良，溫升振動(dòng)等指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)標(biāo)。

4 結(jié)語

以上總結(jié)了YLKS1120-8立式異步核電循泵電機(jī)設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)過程和試驗(yàn)結(jié)果，該電機(jī)技術(shù)要求高，設(shè)計(jì)難度較大。為滿足產(chǎn)品符合用戶要求，設(shè)計(jì)時(shí)多次打破常規(guī)，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)。在電磁方案計(jì)算、轉(zhuǎn)子支架設(shè)計(jì)和機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都有創(chuàng)新，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證合理，為后續(xù)電機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。同時(shí)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用Solidworks和Ansys等建模和仿真分析工具對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了校核，也為今后設(shè)計(jì)提供了理論驗(yàn)證手段。

此次立式核電循泵電機(jī)的試制成功，是我廠在新領(lǐng)域的又一次嘗試，已成為我廠又一個(gè)利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，這是我廠以后能夠迅速占領(lǐng)核電市場(chǎng)、提升企業(yè)形象和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要契機(jī)。

[1] 王正茂，閻治安.電機(jī)學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2000.

[2] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3] 曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.