祁臘梅

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

與中國(guó)相似，印度也存在水資源匱乏且分布不均衡的問(wèn)題。為支撐國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，印度制定了“內(nèi)河聯(lián)網(wǎng)、北水南調(diào)”的國(guó)家級(jí)水利管網(wǎng)計(jì)劃。該計(jì)劃的目標(biāo)是打通16大河流、修建14個(gè)大型水庫(kù)，從而將南部的半島水系和北部的喜馬拉雅水系全部貫通，實(shí)現(xiàn)水資源的遠(yuǎn)距離、跨流域綜合應(yīng)用。對(duì)于此類跨流域的重大調(diào)水工程，泵站中的主電動(dòng)機(jī)是工程的核心設(shè)備，主電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)，與應(yīng)用場(chǎng)景的適配性，將直接決定此類重大工程是否能夠長(zhǎng)久穩(wěn)定地發(fā)揮其預(yù)期作用。印度Totapally泵站工程亦是在此背景下實(shí)施的。該工程水泵主電動(dòng)機(jī)型號(hào)為TLKS32000-14，單機(jī)功率32 000 kW，數(shù)量3套，總裝機(jī)容量96 000 kW，由上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司于2019年承接。電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1 設(shè)計(jì)方案介紹

印度地處氣候炎熱、潮濕的南亞地區(qū)，這使得本電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)存在通風(fēng)冷卻形式、結(jié)構(gòu)形式、絕緣性能、油霧防治等一系列難題。作為公司重大項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員學(xué)習(xí)借鑒了水利、水電項(xiàng)目上的先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合公司的工藝特點(diǎn)，運(yùn)用了一定的新技術(shù)，使得本電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)布局合理、電氣性能優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)效益良好等特點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 電磁方案

1.1.1 機(jī)座號(hào)的確認(rèn)

作為立式機(jī)組，電機(jī)下側(cè)連接著水泵。經(jīng)核實(shí)，頂蓋是水泵的最大裝拆部件，尺寸為φ3 300 mm，項(xiàng)目建成后，機(jī)組每5年一次的大修均需對(duì)水泵頂蓋進(jìn)行拆卸。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，頂蓋拆卸吊出之前，首先需將電機(jī)的相關(guān)部件全部拆除，以便為頂蓋的提升吊出預(yù)留通道。作為電機(jī)的核心部件，定子絕緣漆干透之后，具有脆性特征，定子每次吊運(yùn)和裝拆，都會(huì)對(duì)絕緣性能造成負(fù)面影響。鑒于此，經(jīng)過(guò)多方案對(duì)比，最終確定了恰當(dāng)?shù)亩ㄗ訖C(jī)座號(hào)和定子鐵心內(nèi)徑。后續(xù)頂蓋吊出前，只需將電機(jī)的機(jī)架和轉(zhuǎn)子拆卸即可，無(wú)需再擾動(dòng)定子，即可將頂蓋從定子鐵心內(nèi)徑側(cè)吊出。為保證場(chǎng)景適配，確定的機(jī)座號(hào)具有重大意義，即定子安裝就位后，全生命周期內(nèi)無(wú)需再拆卸。

1.1.2 定子槽數(shù)的確定

電磁方案編制時(shí)，在滿足客戶方電氣參數(shù)要求的前提下，有數(shù)個(gè)定子槽數(shù)作為備選方案。經(jīng)有限元分析證實(shí)，備選的分?jǐn)?shù)槽方案分?jǐn)?shù)次諧波偏大，易出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲超標(biāo)的問(wèn)題，影響機(jī)組的使用壽命；而備選的整數(shù)槽方案則能夠避免振動(dòng)和噪聲超標(biāo)的問(wèn)題。最終，確定了定子槽數(shù)整數(shù)槽方案為施工方案。

1.2 結(jié)構(gòu)方案

本電機(jī)采用立軸懸式結(jié)構(gòu)，設(shè)有上、下兩個(gè)導(dǎo)軸承。推力軸承在轉(zhuǎn)子上方，與上導(dǎo)軸承合用一個(gè)油槽，布置在上機(jī)架的中心體內(nèi)；下導(dǎo)軸承布置在下機(jī)架中心體內(nèi)；上、下機(jī)架的軸承冷卻器均采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。電機(jī)由定子裝配、轉(zhuǎn)子裝配、上、下機(jī)架裝配、油水管路、制動(dòng)系統(tǒng)、空水冷卻裝置等組成，采用密閉、自循環(huán)、雙路徑向通風(fēng)。

1.2.1 定子設(shè)計(jì)

定子裝配由支架、鐵心及繞組等組成。經(jīng)運(yùn)輸路況分析，確定了定子鐵心支架采用整圓結(jié)構(gòu)，在廠內(nèi)加工、疊片、嵌線、VPI浸漆及組裝試驗(yàn)等。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，定子支架承受著自身重力、上機(jī)架重力、轉(zhuǎn)子重力、水推力等軸向載荷，偏心磁拉力產(chǎn)生的徑向載荷、傳遞力矩產(chǎn)生的切向載荷。支架由六道環(huán)板和大量筋板焊接而成，支架圓周設(shè)置了8個(gè)方孔，作為風(fēng)路循環(huán)的通道。設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員采用了經(jīng)典公式計(jì)算及有限元分析驗(yàn)證相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式，精確分析定子支架在極端工況下(半數(shù)磁極短路、三相突然短路等)的受力，確保支架在所有工況下均無(wú)安全薄弱點(diǎn)。有限元分析子圖如圖2、圖3所示。

圖2 定子支架等效應(yīng)力圖

圖3 定子支架總變形圖

定子鐵心采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片50W270交錯(cuò)疊壓而成，具有導(dǎo)磁性能好，損耗小的優(yōu)點(diǎn)，在頻率50 Hz、B=1T時(shí)，其單位損耗小于1.1 W/kg。通過(guò)通風(fēng)溝的設(shè)置，將鐵心在軸向上分成22段，確保機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量，能夠被均勻帶走。

定子繞組采用公司最為先進(jìn)的10～11 kV、F級(jí)少膠絕緣系統(tǒng)。與常規(guī)的中膠系統(tǒng)相比，該絕緣系統(tǒng)適宜項(xiàng)目所在地的高溫、潮濕環(huán)境的同時(shí)，絕緣層厚度降低了21.8%，定子槽滿率得到了大幅的提高，利于效率的提高和熱量的傳遞。

1.2.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子裝配主要由疊片磁極、圓盤式磁軛、大軸等組成。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子及同軸連接的水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件，允許事故狀態(tài)下反向旋轉(zhuǎn)，在最大反向轉(zhuǎn)速585 r/min時(shí)，能安全運(yùn)行15 min。

磁極鐵心采用鴿尾結(jié)構(gòu)，精加工后，套裝在圓盤式磁軛上。線圈的材質(zhì)為TMRD，采用中頻焊接而成。關(guān)于磁極鐵心與磁極線圈的固定方式，一直以來(lái)，公司采用的都是厚鋼托板焊接于磁極鐵心上的方式，該傳統(tǒng)緊固方式存在著焊接工作量大、焊渣難清理、容易出現(xiàn)匝間擊穿等問(wèn)題。鑒于此，技術(shù)人員在本項(xiàng)目上成功開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了新型的磁極線圈緊固結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用螺釘和搭板的緊固方式，具有裝配工作量小、無(wú)焊接質(zhì)量隱患等優(yōu)點(diǎn)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)還降低了生產(chǎn)制造成本，適宜在后續(xù)水利項(xiàng)目上推廣應(yīng)用。目前，此項(xiàng)新技術(shù)已申請(qǐng)了專利。

圓盤式磁軛由鍛件和中厚鋼板焊接而成。磁軛在廠內(nèi)熱套在大軸上，它是支撐磁極重量和承受離心力，傳遞力矩的重要部件。

1.2.3 上、下機(jī)架設(shè)計(jì)

上機(jī)架設(shè)計(jì)，如圖4所示。上機(jī)架為承重機(jī)架，承受水泵電動(dòng)機(jī)組所有轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量和水泵最大水推力的組合軸向荷載，軸向載荷達(dá)246 t。上機(jī)架能安全地承受由于繞組短路(包括半數(shù)磁極短路引起的不平衡力)及作用于水泵轉(zhuǎn)輪上的不平衡水推力，不發(fā)生有害變形。它是用來(lái)支撐整個(gè)機(jī)組軸向負(fù)荷的部件，由一個(gè)中心體和4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4條支臂與定子機(jī)座的4塊墊板相連，其連接定位由螺栓和銷釘來(lái)保證。

圖4 上機(jī)架設(shè)計(jì)

下機(jī)架設(shè)計(jì)，如圖5所示。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)軸承油膜的大小可通過(guò)調(diào)節(jié)支柱螺釘獲得。導(dǎo)瓦內(nèi)裝設(shè)有鉑熱電阻測(cè)溫裝置，導(dǎo)軸瓦為巴氏合金瓦?；趹?yīng)用場(chǎng)景，在下機(jī)架的頂部和底部均配裝密封隔板，并留有1個(gè)帶有鉸鏈板的孔洞，供操作人員進(jìn)出。

圖5 下機(jī)架設(shè)計(jì)

1.2.4 軸承設(shè)計(jì)

推力軸承設(shè)計(jì)。推力軸承瓦采用扇形可傾瓦結(jié)構(gòu)(摩擦面為巴氏合金)，采用彈性盤支撐方式。推力瓦與推力頭鏡板下平面之間形成油膜，承受旋轉(zhuǎn)機(jī)械向下的軸向推力，彈性支撐推力瓦有自適應(yīng)能力及阻尼特性，使得每塊推力瓦都具有自動(dòng)調(diào)平功能，亦可抑制任何可能出現(xiàn)的荷載沖擊。彈性支撐方式降低了安裝難度，提高了精度，很大程度上避免了由于外部原因引起的燒瓦、機(jī)械振動(dòng)等故障，安裝檢修也更加方便。電機(jī)配置了高壓油減載系統(tǒng)，機(jī)組開(kāi)機(jī)起動(dòng)和停機(jī)減速時(shí)，將高壓油減載系統(tǒng)投入，能有效預(yù)防推力軸瓦與鏡板干摩擦燒瓦的事故。正常情況下，在機(jī)組開(kāi)、停機(jī)之前會(huì)自動(dòng)起動(dòng)高壓油泵。在停機(jī)時(shí)當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到50%～80%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，高壓油泵自動(dòng)起動(dòng)運(yùn)行，機(jī)組完全停機(jī)后，高壓油泵才關(guān)閉。高壓油減載系統(tǒng)為每臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)有兩臺(tái)全容量油泵，一臺(tái)工作泵、一臺(tái)備用泵，油泵由專用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在事故情況下，不投入高壓油頂起裝置電動(dòng)機(jī)也能安全停機(jī)。

導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)，如圖6所示。上、下導(dǎo)瓦為徑向間隙可調(diào)的可傾瓦結(jié)構(gòu)，瓦背球頭剛性支撐；導(dǎo)瓦固定在導(dǎo)軸承座上，內(nèi)圓與推力頭外圓之間形成油膜，承受旋轉(zhuǎn)機(jī)械的徑向負(fù)載，其油隙大小靠安裝在導(dǎo)軸承座上的導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)。上、下導(dǎo)軸承能承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分徑向機(jī)械不平衡力和電磁力，使機(jī)組軸線在規(guī)定數(shù)值范圍內(nèi)擺動(dòng)。同時(shí)能承受各種運(yùn)行工況下加于它的徑向機(jī)械負(fù)荷和半數(shù)磁極短路時(shí)產(chǎn)生的單邊磁拉力。導(dǎo)軸承為自潤(rùn)滑、分塊、可調(diào)、油浸、能正反兩個(gè)方向安全工作，巴氏合金型軸瓦不需現(xiàn)場(chǎng)刮瓦(圖7為上導(dǎo)軸承裝配示意圖、圖8為下導(dǎo)軸承裝配示意圖)。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，油能自油槽通過(guò)軸瓦進(jìn)行自循環(huán)而無(wú)需輔助油泵。上、下導(dǎo)軸承均有可靠的絕緣措施，以防止軸電流腐蝕導(dǎo)軸瓦。導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)能使之在不影響推力軸承、轉(zhuǎn)子和集電環(huán)的情況下拆卸、安裝、調(diào)整。

圖6 導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)

圖7 上導(dǎo)軸承裝配示意圖

圖8 下導(dǎo)軸承裝配示意圖

1.2.5 防油霧方案

本泵站電動(dòng)機(jī)容量大、轉(zhuǎn)速高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，油槽內(nèi)外壓差極大。實(shí)踐表明，若采用常規(guī)的隨動(dòng)密封蓋結(jié)構(gòu)或吸排油霧裝置結(jié)構(gòu)，只能一定程度減少油霧外溢，但不能徹底消除。為此，設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員充分運(yùn)用壓力平衡原理設(shè)置管路，從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)形成的高壓風(fēng)區(qū)，將高壓氣體引接到軸承密封蓋位置，使得高壓氣體與油槽內(nèi)部打算外溢的油霧實(shí)現(xiàn)壓力平衡，不再外溢。這一環(huán)節(jié)是成功的“堵”。之后，再布置管路，將油槽內(nèi)部的高壓油霧引接到機(jī)坑外的冷凝器中，降低油槽內(nèi)的油霧壓力，避免油汽混合，影響軸承潤(rùn)滑。這一環(huán)節(jié)是成功的“疏”。本項(xiàng)目實(shí)踐證明，在不設(shè)置外部動(dòng)力的情況下，通過(guò)“堵”、“疏”這種低成本措施(與隨動(dòng)密封和吸排油霧相比，成本大幅降低)，徹底解決大容量、高轉(zhuǎn)速立式電動(dòng)機(jī)油霧總是外溢的問(wèn)題。

1.2.6 滑環(huán)與電刷

滑環(huán)與電刷置于上機(jī)架上部，并有單獨(dú)的防護(hù)罩保護(hù)，能夠在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中直觀檢視，而不需要移去罩子。其結(jié)構(gòu)在不影響轉(zhuǎn)子和相關(guān)部件情況下便于拆卸調(diào)整和更換。恒壓刷握的布置易于裝入電刷，電刷壓力在其磨損前后保持一致。

1.2.7 電機(jī)本體冷卻系統(tǒng)

電機(jī)本體冷卻系統(tǒng)主要由8個(gè)高效空氣冷卻器、進(jìn)出水管路及附件、上、下?lián)躏L(fēng)板、通風(fēng)槽板、混流式風(fēng)扇、自動(dòng)化元件等組成。系統(tǒng)采用雙路徑向密閉自循環(huán)通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有風(fēng)路短、風(fēng)阻小、無(wú)冷卻死風(fēng)區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，能保證機(jī)組運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子各部件所產(chǎn)生的熱量被充分帶走，避免過(guò)熱；此外，簡(jiǎn)潔、高效的冷卻風(fēng)路能明顯降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)摩損耗，提高電動(dòng)機(jī)效率?？諝獾难h(huán)通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向氣流作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，氣流經(jīng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝、通風(fēng)隙、氣隙、定子鐵心和機(jī)座導(dǎo)入空氣冷卻器，通過(guò)空氣冷卻器冷卻的氣流再返回到轉(zhuǎn)子上下端。

在電動(dòng)機(jī)定子機(jī)座周圍，對(duì)稱布置8個(gè)新型高效水冷式空氣冷卻器，形成一密閉自循環(huán)的空氣冷卻系統(tǒng)，如圖9所示?？諝饫鋮s器備有散熱余量，當(dāng)1臺(tái)空氣冷卻器退出運(yùn)行時(shí)，能保證電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行工況下安全運(yùn)行。冷卻器的設(shè)計(jì)有防止由于沉淀物的聚積堵塞冷卻水管功能，并可雙向換向運(yùn)行。冷卻器供水系統(tǒng)配有供、排水環(huán)管。冷卻器和水管之間的全部接頭為法蘭接頭。在每一冷卻器與水管之間的連接處均設(shè)置一個(gè)閥門，以使電動(dòng)機(jī)的任意一個(gè)冷卻器需要進(jìn)行維修時(shí)，可及時(shí)拆卸和更換，而不影響其它冷卻器的運(yùn)行。

圖9 空氣冷卻系統(tǒng)

2 社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益

印度Totapally泵站工程建成之后，跨流域調(diào)水量將每月超過(guò)600萬(wàn)立方米，促進(jìn)項(xiàng)目所在地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改善當(dāng)?shù)厝嗣裆顥l件。同時(shí)還能樹(shù)立上海電氣在印度市場(chǎng)的良好品牌形象，利于國(guó)家“一帶一路”的推進(jìn)，具有良好的社會(huì)效益。項(xiàng)目的成功實(shí)踐，利于公司海外業(yè)務(wù)有效的融入到印度“內(nèi)河聯(lián)網(wǎng)、北水南調(diào)”的國(guó)家規(guī)劃中，具有良好的、可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益。

正是得益于此類國(guó)外重大水利項(xiàng)目的成功實(shí)施，使得公司在泵站電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，儲(chǔ)備了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)能力、生成了大量的實(shí)踐業(yè)績(jī)，有效的支撐公司承接中國(guó)國(guó)內(nèi)各項(xiàng)水利項(xiàng)目，如，引漢濟(jì)渭黃金峽泵站(陜西省歷史上最大的水資源配置工程)、珠江水資源配置工程(廣東省歷史上最大的水資源配置工程)等。從國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要中可知，水利是“風(fēng)口”，是機(jī)會(huì)，公司當(dāng)前所處位置，不是“第一梯隊(duì)”，而是最前端。

3 結(jié)論

印度Totapally項(xiàng)目3臺(tái)電動(dòng)機(jī)均完成了型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)，并發(fā)往了現(xiàn)場(chǎng)。試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組運(yùn)行狀況良好，噪聲、溫升、振動(dòng)等各項(xiàng)核心性能指標(biāo)均優(yōu)于合同文件和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，深得現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證的業(yè)主好評(píng)。事實(shí)充分說(shuō)明本電動(dòng)機(jī)上所采用的一系列方案是成功的，并具有向后續(xù)項(xiàng)目推廣使用的價(jià)值。