付佩賢

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

引江濟(jì)淮工程由長江下游上段引水，向淮河中游地區(qū)補(bǔ)水，是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)供水、發(fā)展江淮航運(yùn)為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合利用的大型跨流域調(diào)水工程，是集供水、航運(yùn)、生態(tài)等效益的一項(xiàng)水資源綜合利用工程。工程由引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送三段組成。蜀山泵站樞紐位于江淮溝通段，樞紐由泵站、船閘組成。

蜀山泵站樞紐工程級別為Ⅰ等大(1)型，樞紐主要建筑物為1級建筑物；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。

蜀山泵站設(shè)計(jì)裝機(jī)8臺套，水泵為3430HLQ-40型立式全調(diào)節(jié)導(dǎo)葉式混流泵，配套電動(dòng)機(jī)為TLKS7500-48型立軸懸式三相同步電動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率7 500 kW，額定電壓10 kV，額定轉(zhuǎn)速125 r/min。泵站總裝機(jī)功率60 000 kW，是引江濟(jì)淮工程梯級項(xiàng)目中單機(jī)容量和總裝機(jī)容量均最大的泵站。

1 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1 結(jié)構(gòu)形式 立軸懸式

2 電機(jī)型號 TLKS7500-48

3 額定功率 7.5 MW

4 額定電壓 10 kV

5 額定電流 501.2 A

6 額定頻率 50 Hz

7 功率因數(shù) 0.9

8 額定轉(zhuǎn)速 125 r/min

9 飛逸轉(zhuǎn)速 250 r/min

10 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 400 t·m-2

11 冷卻方式 IC 81W

12 安裝形式 IM8425

13 推力負(fù)荷 232 t

14 勵(lì)磁電流 362 A

15 勵(lì)磁電壓 187 V

16 相數(shù) 3

17 定子接法 Y

18 Ist/In 5.49

19 Mst*0.566

20 Mpi*1.285

21 額定效率 95.84%

22 工作制式 SI

23 絕緣等級 F級

24 溫升等級 B級(考核)

25 防護(hù)等級 IP44

26 旋轉(zhuǎn)方向 俯視順時(shí)針

27 冷卻方式 密閉自循環(huán)

28 勵(lì)磁方式 靜止可控硅

29 起動(dòng)方式 全壓直接起動(dòng)

30 工作方式 連續(xù)額定運(yùn)行

2 電動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)技術(shù)合同要求，本項(xiàng)目電動(dòng)機(jī)采用外置機(jī)架，即上機(jī)架高出電機(jī)層，外露在安裝間地平面之上。在總體方案正式設(shè)計(jì)時(shí)，針對該項(xiàng)目廠房情況，通過精細(xì)化分析計(jì)算，確認(rèn)在不改變廠房接口尺寸的情況下，亦能采用內(nèi)置機(jī)架，即上機(jī)架下沉至地平面之下，該優(yōu)化方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

2.1 電機(jī)感觀質(zhì)量改善。電機(jī)主體和油水管路均封蓋至電機(jī)層之下，僅外露頂端的圓形滑環(huán)罩，該布置方式在大型立式水電項(xiàng)目上得到了廣泛的應(yīng)用，具有廠房簡潔、美觀，日常維護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性提高。電機(jī)主體高度由5.4 m調(diào)整至4.7 m，電機(jī)軸系縮短，降低機(jī)組運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、擺度，延長機(jī)組使用壽命。

2.3 顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過優(yōu)化，提高機(jī)組性能的同時(shí)，還減少了不必要的材料累加，節(jié)約了生產(chǎn)制造成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡介及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電動(dòng)機(jī)為立軸懸式結(jié)構(gòu)，設(shè)有兩個(gè)導(dǎo)軸承。上導(dǎo)軸承在上機(jī)架中心體內(nèi)，與推力軸承合用一個(gè)油槽；下導(dǎo)軸承布置在下機(jī)架中心體內(nèi)。電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、下機(jī)架、油水管路、制動(dòng)器管路、空氣冷卻器裝置等組成，如圖1所示。

圖1 電機(jī)安裝示意

3.1 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定子由鐵心支架、鐵心及線圈等組成。定子鐵心支架采用不分瓣結(jié)構(gòu)，在廠內(nèi)疊片、嵌線、真空浸漆及裝配試驗(yàn)等。

鐵心支架由優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成，其頂板與承重機(jī)架相連，底板與下機(jī)架相連。為了加強(qiáng)鐵心支架的強(qiáng)度及固定鐵心，在頂環(huán)與底環(huán)間設(shè)計(jì)了3道環(huán)板和大量筋板。鐵心支架外壁的6個(gè)方孔，是風(fēng)路循環(huán)的重要通道。

定子鐵心所用半導(dǎo)體材料具有導(dǎo)磁性能好，損耗小的優(yōu)點(diǎn)，交錯(cuò)地疊制而成。在軸向方向把鐵心分成數(shù)段，段間用通風(fēng)槽板隔開，以形成通風(fēng)溝，(讓上下兩端的冷風(fēng)經(jīng)上、下?lián)躏L(fēng)板進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部冷卻線圈和鐵心，然后經(jīng)鐵心支架壁上的孔進(jìn)入空水冷卻器)，鐵心兩端設(shè)有壓圈和壓指。通過螺桿將鐵心拉緊。

定子繞組為圈式疊繞組，采用F級絕緣，股線用云母銅線2S2MN70-5F。定子絕緣采用10 kV F級VPI絕緣。定子繞組采用Y形連接，共有六根引出線，主引線和中性點(diǎn)引線各三根，均布置在+Y偏-X 30°方向。電動(dòng)機(jī)采用磁平衡差動(dòng)保護(hù)。

定子裝有測溫元件，用以監(jiān)視定子繞組和鐵心的溫度。

3.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子采用凸極式，轉(zhuǎn)子由磁極、磁軛、電機(jī)軸、風(fēng)葉等組成。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子及同軸連接的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在停機(jī)過程中允許反向旋轉(zhuǎn)，在最大反向轉(zhuǎn)速(2.0倍額定轉(zhuǎn)速)下，轉(zhuǎn)子能安全運(yùn)行2 min。

磁極由鐵心、線圈、起動(dòng)繞組和鉚釘組成。磁極鐵心由優(yōu)質(zhì)Q235A薄鋼板沖制，并疊壓而成。線圈的材質(zhì)為TMRD，繞制后，每匝間墊有匝間絕緣。起動(dòng)繞組由阻尼條與阻尼環(huán)組成。

磁軛圈為優(yōu)質(zhì)中厚鋼板，與圓盤和鍛制軸套焊接成整體，磁軛與電機(jī)軸之間采用過盈配合，它是支撐磁極，傳遞力矩的主要部件。主軸采用優(yōu)質(zhì)45#合金鋼鍛制而成，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，是連接水泵和電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件。

磁軛上下兩端設(shè)置有增加風(fēng)壓的風(fēng)葉，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，風(fēng)葉強(qiáng)迫冷風(fēng)去冷卻定、轉(zhuǎn)子線圈和鐵心，風(fēng)葉是整個(gè)風(fēng)路循環(huán)的重要?jiǎng)恿υ础?/p>

在轉(zhuǎn)軸的非拖動(dòng)端裝有滑環(huán)、刷架，通過靜止可控硅勵(lì)磁裝置向磁場繞組提供勵(lì)磁電流。

3.3 上機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上機(jī)架是電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷機(jī)架，它是用來支撐整個(gè)機(jī)組軸向負(fù)荷的部件，它由一個(gè)中心體和6條支臂組成，采用鋼板焊接而成。上機(jī)架中心體內(nèi)組合安裝推力軸承和上導(dǎo)軸承，上機(jī)架的6條支臂與定子鐵心支架的6塊墊板相連，其連接定位由螺栓和銷釘來保證。

推導(dǎo)組合軸承安裝于上機(jī)架中心體內(nèi)，由推力頭、鏡板、推力瓦、上導(dǎo)瓦、擋油筒、油冷卻器等組成。

推力瓦的摩擦面為復(fù)合材料，多塊呈環(huán)形布置，采用帶有柔性托盤的剛性支撐，該結(jié)構(gòu)能自動(dòng)形成油膜和獲取優(yōu)異的運(yùn)行狀態(tài)。鏡板為鍛鋼件，用螺栓和圓柱銷固定在推力頭上。推力瓦內(nèi)均裝設(shè)有鉑熱電阻測溫裝置，推力瓦溫度優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

導(dǎo)軸承裝配由支承座、巴氏合金瓦和瓦支撐件等組成。軸瓦的油膜的大小可通過調(diào)節(jié)支柱螺釘獲得。導(dǎo)瓦內(nèi)裝設(shè)有鉑熱電阻測溫裝置，以時(shí)時(shí)監(jiān)測軸瓦溫度。

推力軸承及導(dǎo)軸承均對地絕緣，以預(yù)防軸電流燒壞軸承。

油冷卻器為內(nèi)置式，由多根冷卻管組成，冷卻水工作壓力為0.2～0.3 MPa，通過合理的內(nèi)部設(shè)計(jì)，使得油路循環(huán)暢通、冷熱分區(qū)明顯，確保軸承溫度得到充分冷卻。

3.4 下機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下機(jī)架也是由厚鋼板焊接而成的輻射型機(jī)架。機(jī)架的中心體內(nèi)裝有下導(dǎo)軸承和油冷卻器。下導(dǎo)軸承由導(dǎo)軸瓦、支柱螺釘、鎖定螺母、鎖定片等組成。下導(dǎo)軸承油膜的大小可通過調(diào)節(jié)支柱螺釘獲得。導(dǎo)瓦內(nèi)裝設(shè)有鉑熱電阻測溫裝置，以時(shí)時(shí)監(jiān)測軸瓦溫度。

油冷卻器也為內(nèi)置式，由多根冷卻管組成，冷卻水工作壓力為0.2～0.3 MPa，通過合理的內(nèi)部設(shè)計(jì)，強(qiáng)迫熱油冷卻后再進(jìn)入軸瓦。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，下機(jī)架承受電動(dòng)機(jī)全部重量、水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分及水推力軸向重量，軸向負(fù)荷超過300 t。為確保機(jī)組在各種受力狀態(tài)(額定工況、半數(shù)磁極短路、三相突然短路、停機(jī)后頂轉(zhuǎn)子和剎車制動(dòng)等五種工況)下的安全性可靠性，技術(shù)人員對下機(jī)架進(jìn)行了三維建模有限元強(qiáng)度分析(見圖2)。分析結(jié)果顯示，下機(jī)架最大變形值僅0.878 mm，優(yōu)于規(guī)范要求的1.5 mm限值，機(jī)架局部最大應(yīng)力值(三相突然短路時(shí))為186.38 MPa，亦滿足Q345材質(zhì)的使用應(yīng)力要求。

圖2 機(jī)架三維建模

3.5 通風(fēng)方式(見圖3)

(1)機(jī)組采用雙路、徑向、密閉、自循環(huán)空氣冷卻通風(fēng)系統(tǒng)，屬于我公司成熟結(jié)構(gòu)。

圖3 電機(jī)風(fēng)路方式

(2)該結(jié)構(gòu)具有風(fēng)路短、風(fēng)阻小、無循環(huán)死風(fēng)區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，能最大限度帶走機(jī)組運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量，有效控制機(jī)組溫升。

(3)機(jī)組運(yùn)行過程中，風(fēng)路按如下路徑循環(huán)：冷空氣(來自空冷器)-冷卻轉(zhuǎn)子磁極-冷卻定子鐵心和線圈-熱空氣進(jìn)入空氣冷卻器-冷空氣。

3.6 其他

(1)上、下機(jī)架裝有多功能液位變送控制器，既可用于實(shí)地觀察油位，又可用模擬量和開關(guān)量輸出報(bào)警。

(2)電機(jī)配備測速儀表裝置及傳感器，在滑環(huán)上方安裝測速盤，測速元件安裝固定在靜止的電機(jī)頂罩上。

(3)電機(jī)采用具有恒壓彈簧的刷握，既能保持碳刷在使用中有恒定的壓力，又能方便的更換碳刷?；h(huán)材料采用1Cr18Ni9，其表面粗糙度為1.6。配備碳刷盤、防護(hù)罩，防護(hù)罩采用卡扣式，方便開啟。

(4)每臺電動(dòng)機(jī)裝設(shè)一套空氣操作的機(jī)械制動(dòng)裝置，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降到30%額定轉(zhuǎn)速時(shí)投入。制動(dòng)器為單缸雙活塞結(jié)構(gòu)，缸體分為三個(gè)腔，三個(gè)內(nèi)腔分別與進(jìn)氣制動(dòng)、進(jìn)氣復(fù)位和高壓油管相連，使得油氣分離、衛(wèi)生美觀；制動(dòng)器兼作液壓頂車裝置，機(jī)組長時(shí)間停機(jī)后，需在開機(jī)之前拆卸、調(diào)整、檢修推力軸承時(shí)，靠液壓供油頂起水泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分(含電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子重量及水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量)并可靠鎖定，在完全頂起或中間任何位置上鎖住轉(zhuǎn)子。

(5)電動(dòng)機(jī)裝有電加熱器，機(jī)組停機(jī)后通電保溫，去除潮氣，保持電動(dòng)機(jī)良好的絕緣水平。

(6)電動(dòng)機(jī)的測溫：定子繞組和鐵心分別設(shè)置12個(gè)測溫元件。每塊推力瓦和上、下導(dǎo)軸瓦各設(shè)1個(gè)，上下機(jī)架油池內(nèi)各設(shè)2個(gè)測溫元件。測溫元件采用鉑熱電阻Pt100，以監(jiān)測電動(dòng)機(jī)各部分的運(yùn)行溫度，其引線集中于接線盒內(nèi)。

(7)電動(dòng)機(jī)設(shè)置微機(jī)勵(lì)磁裝置，采用靜止可控硅勵(lì)磁。

4 社會效益及經(jīng)濟(jì)效益

引江濟(jì)淮工程系列項(xiàng)目，是集供水、航運(yùn)、生態(tài)等效益的一項(xiàng)水資源綜合利用工程項(xiàng)目。其中，蜀山泵站是系列項(xiàng)目中單機(jī)容量和總裝機(jī)容量最大的泵站。作為國內(nèi)電動(dòng)機(jī)行業(yè)龍頭企業(yè)，公司依托自身強(qiáng)大的科技研發(fā)能力和先進(jìn)的裝配制造能力，積極的承擔(dān)國有企業(yè)在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中應(yīng)盡的責(zé)任，具有顯著的社會效益。

作為公司在國內(nèi)承接單機(jī)容量最大的水利項(xiàng)目，蜀山泵站電動(dòng)機(jī)的成功開發(fā)，將為公司今后國內(nèi)市場拓展積累必要的技術(shù)儲備。