南欧江四级发电机转子设计及结构特点_唐凤姣.pdf

40第 46 卷 第 02 期2023 年 02 月Vol.46No.02Feb.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 前言转子是水轮发电机的核心部件，需同时具有足够的机械强度和优良的电气性能。作为转动部件，转子承担着传递水力扭矩形成旋转励磁磁场，进而与定子三相绕组作用感应出电动势完成能量转换的作用，同时，转子是机组 GD2的主要贡献者，也是建立发电机通风冷却系统的主要结构要素。灯泡贯流式机组转子主要由转子支架、转子磁轭、磁极及励磁绕组组成，磁轭主要有叠片式和整体磁轭圈式两种结构，转子支架和磁极的结构随磁轭结构的变化而不同。2 转子结构转子结构形式主要随磁轭结构变化而变化，磁轭主要有叠片磁轭和整体磁轭圈磁轭。叠片磁轭基本适用于各种机型、转速和容量的机组，适用范围广，因需要现场叠片，现场转子组装工期较长。叠片磁轭由扇形磁轭片堆叠并通过拉紧螺杆拉紧而成，整体磁轭与转子支架通过磁轭键楔紧，与磁极通过磁极键楔紧形成整体。磁轭圈磁轭一般由厚板或环锻磁轭圈与转子支架在工厂焊接成整体，磁极通过螺杆拉紧固定于磁轭圈上，具有结构简单，经济性好，转子现场组装简单、工时少的优点。但受制作能力、材料强度等的制约，磁轭圈结构较多应用于电站运输条件好的低转速灯泡贯流式机组上。3 南欧江四级转子设计南欧江四级电站位于老挝南欧江干流上，是高水头大容量灯泡机组，其典型参数如下：最大水头：28 m 额定水头：23.5 m发电机容量：44 MW/46.3 MVA额定电压：13.8 kV额定转速：136.4 r/min飞逸转速（非协联）：480 r/min发电机 GD2：1 890 t m2灯泡比：1.31转子外径：5 151 mm磁轭外径：4 706 mm对于灯泡贯流式水轮发电机组，受灯泡比的限制，相对常规立式机组，发电机直径较小，一般只有同等容量转速立式发电机的 60%75%1，机组的飞逸转速系数高2，非协联飞逸转速系数一般达到 3左右。通常,以系数 K=发电机容量（MVA）额定转速（r/min）表征发电机的综合设计制造难度3，收稿日期：2022-06-08作者简介：唐凤姣（1976-），女，高级工程师，从事水轮发电机的设计工作。南欧江四级发电机转子设计及结构特点唐凤姣，黄小红（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）摘 要：随着设计制造技术的进步，贯流式水轮发电机组呈现大容量、高转速的发展趋势，设计制造难度也相应增加。南欧江四级机组水头高，发电机飞逸转速高、转子外径相对较小，转动部件应力大，设计制造难度大。文章通过对南欧江四级转子结构设计的阐述，为高水头大容量灯泡贯流式水轮发电机的转子设计提供参考。关键词：灯泡贯流式机组；水轮发电机；转子；磁轭中图分类号：TM303文献标识码：A文章编号：1672-5387（2023）02-0040-04DOI：10.13599/ki.11-5130.2023.02.01141第 02 期唐凤姣，等：南欧江四级发电机转子设计及结构特点对于灯泡贯流式水轮发电机，可引申系数 Kr=容量（MVA）飞逸转速2（r/min）以更直观地反映发电机转子的设计制造难度。表 1 是部分灯泡贯流式水轮发电机 Kr 系数列表。表 1 灯泡贯流式水轮发电机Kr系数表电站额定容量P/MVA额定转速Nn/r/min飞逸转速Nr/r/minKr系数PNr2106洪 江47.37136.43706.48 桥 巩61.983.32654.35 黄 丰47.368115.43806.84 长 洲45.65752603.09 蜀 河51.11253857.57沙坪级62.788.22804.92杰 瑞83.3385.72485.13犍为 II61.7883.32754.67 南欧江四级46.3136.448010.67 可以看出，南欧江四级发电机容量不是很大，但水头到了灯泡贯流式机组的适用上限，飞逸转速特别高，系数 Kr在已建的中大容量灯泡贯流式机组中最大，转子设计制造难度相对最大。3.1 转子支架及磁轭设计设计应兼顾结构安全可靠性和经济性，南欧江四级转子磁轭外径不大，运输条件也允许，考虑经济性，优先对磁轭圈式结构进行研讨。在满足发电机 GD2的前提下，磁轭圈结构转子设计需要综合考虑以下几个方面：（1）刚强度满足合同及设计规范要求，主要是转子支架、磁轭圈、磁极拉紧螺杆及磁极芯棒的强度。（2）制作可行性，如磁轭圈制作的可行性,磁轭圈与转子圆盘的可焊性。（3）经济性,即结构的综合成本不能过高。3.1.1 磁轭圈结构磁极强度校核对既定的电磁方案，主要校核磁极拉紧螺杆和磁极芯棒的强度。每个磁极由 8 根 M56 螺杆拉紧固定，布置如图 1，不考虑磁轭圈变形引起的附加力作用，飞逸工况下强度校核结果如表 2。由计算结果可以看出，拉紧螺杆和芯棒强度合格，结构可行。图 1 磁极拉紧螺杆布置图表 2 磁极拉紧螺杆及芯棒的强度项目拉紧螺杆芯棒材料42CrMoSM570屈服强度/MPa650420许用应力/MPa433.3280最大应力/MPa402.5247.83.1.2 磁轭圈强度校核考虑制作可行性及经济性，磁轭圈多采用低合金结构钢 Q355 厚板压型焊接制作。分别对单圆盘磁轭圈和双圆盘磁轭圈结构进行检讨，满足发电机GD2的磁轭圈厚度为 140 mm，其几何模型见图 2，计算应力分布见图 3、图 4。（a）单圆盘 （b）双圆盘图 2 磁轭圈模型图图 3 单圆盘磁轭圈应力云图图 4 双圆盘磁轭圈应力云图从解析结果可以看出，单圆盘磁轭圈集中应力517.8 MPa，一般应力 421 MPa，双圆盘磁轭圈集中应42第 46 卷水 电 站 机 电 技 术力 488.5 MPa，一般应力 394 MPa，均远超 Q355 材料许用应力，140 mm 厚磁轭圈结构不可行。为降低磁轭圈应力，对 160 mm 厚和 180 mm 厚双圆盘磁轭圈进行分析计算，计算结果汇总见表 3。表 3 双圆盘磁轭圈强度对比表磁轭圈厚度一般应力/MPa集中应力/MPa140 mm394488.5160 mm375465.4180 mm372460.8可以看出，随厚度增加，磁轭圈应力降低，但厚度达到 160 mm 以后，应力降低不明显，即使厚度增加到 180 mm，磁轭圈应力仍达到 372 MPa。因此，随厚度增加，磁轭圈自身离心力产生的应力占比增加，无法有效降低应力，磁轭圈需采用高强度合金钢材料。高强度合金钢材料成本高、焊接工艺性较差，不利于提高转子可靠性，故南欧江四级转子不适合采用磁轭圈结构。3.1.3 叠片磁轭结构转子支架采用结构简单、刚性及抗疲劳性好的整体圆盘式结构，转子支架外径为 4 230 mm，圆周均布 11 根轴向立筋。磁轭片为每扇 4 极，一周由 11 张磁轭片构成，考虑磁轭键槽和磁极键槽的削弱影响和叠片磁轭的必要刚度，磁轭内径为 4 180 mm，飞逸工况下磁轭的最大集中应力为 567.8 MPa，平均应力为380 MPa 左右，磁轭片选用 650 MPa 等级高强度热轧磁轭钢板，具有足够的安全裕度，应力分布见图5。此时，发电机 GD2远超水力需要，为尽量降低磁轭重量提高经济性，同时降低导轴承载荷优化灯泡机两导轴承载荷分配比并提高机组轴系的稳定可靠性，在磁轭轴向设置了 9 道风道，风道高度 31 mm,见图 6。图 5 飞逸工况叠片磁轭应力云图图 6 叠片磁轭断面图磁轭片采用激光切割制作，现场叠片并用高强度螺杆拉紧成整体磁轭，激光切割的磁轭片孔位及槽位精度高，现场无需铰孔。为确保运行时磁轭与转子支架不分离，同时考虑灯泡机卧式水平安装，转动部件径向力因重力作用周期变化的影响，磁轭与转子支架间采用径-切向复合磁轭键结构。复合磁轭键由径向热加垫 T 型键与两侧切向冷配打的打入键构成。径向热加垫紧量能保证在 1.8 倍额定转速下磁轭与转子支架不分离，同时冷配打切向键能确保磁轭与转子支架间周向可靠楔紧。3.2 磁极设计南欧江四级发电机容量较大，飞逸转速高，发电机直径较小，磁极长度相对较长，达 1 893 mm，磁极部件应力高，磁极线圈周向变形量较大。为保证磁极结构刚强度，除磁极冲片采用高强度材料外，发电机磁极上采用了以下结构：长磁极键和围带磁极线圈。灯泡贯流式机组水头较低，一般转速也较低，多采用径向短磁极键结构。短磁极键由布置于磁极两端的两对楔形键组成，现场组装时，常配合磁极鸽尾处的侧边调整垫片和极身内径处的调整垫片使用。极身内径处间隙为发电机第二气隙，间隙变化会直接引起励磁电流变化4，安装间隙以不超过 1 mm为宜，见图 7。短键结构拆装方便，现场可对磁极外径进行一定调整，但径向布置的磁极键会减少磁轭的有效径向高度而影响受力。长键结构成本较高，现场配键难度相对较大，但整体性好，因此，考虑磁轭强度和磁极应力高变形大的因素，南欧江四级发电机采用侧边长磁极键结构。常规灯泡机因极数多转子外径较小，应力水平不高，线圈变形小，极间距离小，一般不需也很难设置线圈极间支撑。但无线圈支撑时，飞逸工况下南欧江四级磁极线圈的最大变形达到 4.7 mm,远超设（下转第 50 页）50第 46 卷水 电 站 机 电 技 术具备容错处理功能；处理后的数据集中统一存储，实现了数据共享与关联等高级分析。本方法的安全性高、稳定性强、开放性高，后期可维护程度高，并且此方法已在某巨型电站得到有效实施，运行稳定，实用性强，是一种适用于大型水电站多源异构数据的存储设计方法。参考文献：1周鑫，汪明贵.基于 Hadoop 的多源异构配用电数据存储处理技术研究 J.自动化与仪器仪表，2017（12）：223-224，227.2张维振.多协议转换的煤矿电力监控分站设计 J.单片机与嵌入式系统应用，2020，20（4）：40-42，50.3谢地，王同喜.基于HBase的海量数据存储和快速检索J.电脑知识与技术，2019，15（2）：14-15,18.4郭淼，赵晓华，吴大勇，等.面向道路交通安全分析的多源异构数据汇聚研究 J.现代交通与冶金材料，2022，2（1）：46-52.5张俊伟，关峰，汪文熙，等.电力系统 IEC104 规约典型报文应用解析 J.电子测试，2016（24）：33，18.6陈健健，赵波.基于 IEC61850 标准在智能水电站的设计与应用 C/中国水力发电工程学会自动化专委会 2021年年会暨全国水电厂智能化应用学术交流会论文集，2021：436-438.7杨永军，徐江，许帅，等.实时数据库有损压缩算法的研究J.计算机技术与发展，2012,22（9）:5-8.8刘方.一种数据无损压缩技术的研究 J.南京航空航天大学学报，1995（6）：804-809.9陈竹敏，熊齐邦.基于 XML 网络管理中多协议转换网关的研究 J.计算机工程与应用，2005（13）：154-156,179.10宋辰萱，孔祥文.MongoDB 与 HadoopMapReduce 的海量非结构化数据处理方案 J.电子技术与软件工程，2021（2）:187-188.11段军红，张小东，史庆华.基于 Hadoop 的海量数据存储平台设计与开发 J.电子技术与软件工程，2017（16）:162.12黄欣，吴伟杰，张伊宁，等.电力系统多源异构数据混合式存储方式研究 J.机电工程技术，2021，50（1）：77-79.13葛磊蛟，王守相，王尧，等.多源异构的智能配用电数据存储处理技术 J.电工技术学报，2015（S2）:159-168.计允许值，必须采取措施减少线圈变形。磁极线圈极间最小距离只有 12 mm，无法设置支撑，故设置围带以减少线圈变形。如图 8，考虑围带支撑刚强度和绝缘距离后，相邻磁极的围带布置间隙过小存在干涉，磁极的围带须轴向错开布置，因此，S 极磁极的围带偏上游侧布置，而 N 极磁极的围带偏下游侧布置。图 7 短磁极键结构图 8 磁极围带结构4 转子安装叠片磁轭转子的现场组装工作是成熟的工艺，但是，叠片时转子中心体下游侧朝下，因特殊围带