摘要：本文介绍了70MW水轮发电机设计的主要特点和一些新技术的运用。
关键词：水轮发电机；主要参数；结构设计
1 引言
巴山水电站位于重庆市最北端的城口县境内的任何干流上。通过引水隧洞压力钢管从水库引水至电站厂房。电站正常蓄水位680m，相应库容29254万m3。装设2台70MW立轴式水轮发电机组，总装机容量140MW。
2 发电机基本参数
型 号 SF70-18/5700 额定容量 82.353MVA
额定功率 70MW 额定电压 10.5KV
额定电流 4528.2A 额定功率因素 0.85（滞后）
额定频率 50Hz 额定转速 333.3r/min
飞逸转速 651.4r/min 额定励磁电流 881A
额定励磁电压 353V 相数 3
定子绕组接法 2Y 绝缘等级 F
励磁方式 静止可控硅励磁 冷却方式 密闭循环空气冷却
旋转方向 俯视顺时针
3 发电机主要技术参数
推力轴承负荷 4050KN 额定运行时定子基础承受的扭矩 2409KN.m
突然短路时定子基础承受的扭矩 10520KN.m
制动时下机架传给基础的扭矩 186.16KN.m
定子基础荷重 5600KN 顶转子时下机架基础荷重 1800KN
冷却水压 0.4MPa 冷却水量 290m3/h
冷却水最高进水温度28℃ 轴承总用油量 6.5m3
轴承润滑油牌号 L-TSA46 制动器气压 0.5～0.8MPa
制动时间 2min 制动时耗气量 6 L/s
制动器顶转子油压 9MPa 飞轮力矩≥17000KN.m2
4 发电机主要结构
本发电机为立轴悬式、密闭循环空气冷却、轴流式风扇、双面进风结构。主要由定子、转子、上机架、下机架、通风冷却系统、水灭火系统、制动系统等主要部件组成。
4.1 定子
因受运输条件的限制，定子机座分两瓣，设有合缝板，在工厂按整圆制作。机座分瓣运至工地后，用专门的连接板将机座组成整圆，然后进行搭焊鸽尾筋、叠片和下线，使定子铁芯的整体性得到保证。定子机座通过有限元力学分析，具有足够的刚度和强度，不但能承受磁拉力和扭矩，而且能保证铁芯和绕组组装后的整体吊装不会产生变形。
定子冲片由优质冷轧硅钢片冲制而成，低损耗、无时效。冲片去毛刺后，两面涂漆厚度均匀。叠片通过鸽尾筋固定在定子机座上。为了消除铁芯膨胀引起的变形对机座的影响，采用了双鸽尾筋结构，鸽尾筋与铁芯之间留有间隙。铁芯压紧采用穿心螺杆并加装蝶形弹簧，以防机组长期运行后出现松动。压紧时采用液压拉伸工具施压，使叠压力达到1.5MPa以上，为了调节铁芯内外圆的高度差，本机采用了补偿片结构，设计时给出了宽度为90、170和270mm的共3种调整片，在定子叠片时对其内外径的高度差进行调整。
考虑机座受热后的自由膨胀，定子机座和定子基础板采用径向销定位。为了减少定子铁芯端部漏磁引起的发热问题，定子齿压片和端箍为非磁性材料。定子铁芯分段中的通风槽钢也采用非磁性材料制造。
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定子绕组为双层条形波绕组。采用热模压工艺成型，直线及端部进行了防晕处理，具有良好的电气性能，其接头和连接线均采用银铜焊工艺，接触电阻小，可减少接头发热。定子绕组为Y形连接，分2支路，F级绝缘。
4.2 转子
转子由磁极、磁轭、转子支架、上下轴流式风扇、主轴和极间撑抉以及各种连接线和线夹等组成。
磁极铁芯由1.5mm厚薄钢板叠压而成，每个磁极设有3个T尾来承受磁极在飞逸状态下的离心力。极靴上装设有纵横阻尼绕组，使Xq/Xd”接近于1。阻尼条与阻尼环之间采用银铜焊。各阻尼环之间采用多层磷青铜皮制成“Ω”型柔性连接，并用材料为35CrMo的拉杆将其固定于磁轭上。磁极线圈采用扁铜带绕制而成，层间和极身绝缘均为F级绝缘材料。极身和上下托板与磁极线圈采用整体压制，提高绝缘性能及装配质量。每个磁极通过T尾用6副斜楔固定在磁轭上。
磁轭结构由于受运输条件的限制，采用叠片式结构，通过转子支架与主轴连接。磁轭扇形片采用5mm厚高强度薄钢板经激光切割加工而成。每片3极，全圆由6片拼成。磁轭轴向长度上分为7段，段间设有30mm高通风沟。磁轭叠片方式为每层错一个极距叠片，并形成”＞”字形。两端各l00mm高为每层一片一叠，中间部分每层两片一叠，这样既保证了磁轭的整体刚度，又有利于减小片间通风间隙的风阻，增加铁芯段的风量，以利于发电机的通风冷却，整个磁轭用9副磁轭键固定在转子支架上。
发电机主轴用20SiMn低台金锻钢制造，下端带有法兰，与水轮机轴法兰用精配螺栓连接。为了保证上导、下导和水导轴承位在运行时的同轴度要求，三档轴承位采用与水机轴一次装夹同车的加工方式。
本机设计时在保证机组转动惯量的前提下，对阻尼环在磁极压板上的固定位置作了调整，减短了磁轭的轴向长度，使磁轭扇形片的用量减少了l0％。转子上的所有零件均能承受在飞逸工况下的离心力，具有足够的安全裕度。
4.3 上机架
上机架为辐射式荷重机架。有6个支腿，用钢板焊接而成，通过有限元受力分析，对个别应力较高部位采取了补强措施，能承受机组的所有轴向力4050kN。中心体油池内装设有推力轴承、导轴承和油冷却器，油池容量为5m3。
推力轴承为刚性偏心支承，轴承瓦采用优质弹性金属塑料瓦，全圆12块瓦，均匀分布在φ1315mm圆周上。轴瓦单位压力为3，825MPa。在推力头和镜板之间和轴承支架与上机架油池底板之间均设有绝缘垫扳，镜板为45#锻钢，经探伤合格后精加工而成。
油冷却器采用了双金属挤片管，具有较高的换热效率，呈两个半圆布置在油池底部。在中部设有分油板，将冷热油隔开形成有效油路。顶部没有挡油板，平抑油池内油的涌浪。为了解决高速机油池甩油和油雾溢出的问题，参考国内外的一些比较先进、成功的结构，对油池的各密封结构作了大量的改进。
4.4 下机架
下机架为辐射型组焊结构，油池内设有下导轴承和油冷却器。下导轴承其尺寸与上导相同，可互换使用，油冷却器靠也为双金属挤片式环形冷却器，由两瓣组成。
下机架同样通过有限元受力分析，能够承受顶转子时转动部分的所有重量l 800kN。在不吊出定子的情况下。下机架能够很方便的通过定子内径整体吊出。
4.5 通风冷却系统
本机冷却方式由密闭循环空气冷却，双面进风。电机产生的总风量约为43m³，热风温度为61.7℃，冷风温度≤40℃，冷却水进水温度≤28℃，冷却水压力为O，4MPa。整个通风冷却系统由上风洞盖板、下风洞盖板，上下挡风板和空气冷却器等组战。内部热空气通过定子铁芯通风沟和定子线圈端部进空气冷却器，经空气冷却器冷却后的冷空气分上、下两路经上下挡风板由上下端轴流式风扇加压进入发电机内部对其进行冷却。
本机设有l2个空气冷却器，均匀布置于定子机座外圆。冷却器采用翅片式结构，根据业主要求，冷却管材料为白铜管，散热片为铝片，总换热容量为1200KW，能满足N+1方式运行的要求。
4.6 水灭火系统
在发电机定子线圈的上下端部装有灭火环管，每个环管上均匀布置了24个水喷雾头，当机组内部发生火警时，由装设于机组内部的感温感烟信号装置，将火灾信号传输至电站火灾报警监控系统，操作雨淋阀向机组内部进行喷淋灭火。本机灭火水压为0.4—0.6MPa。
4.7 制动系统
在每个下机架支腿上装设有一个制动器，供发电机停机制动及顶转子用，制动器为单缸双活塞型式，油气分离，气压复位。设有机械锁定，制动块为无石棉摩阻材料，无污染。每个制动器均带有粉尘收集装置，以避免粉尘进入机组内部。
5 结束语
重庆城口巴山水电站的发电机设计，通过对电磁参数的合理选取、对机组强度的计算和校验，优化了结构设计。特别是采用了新型的非磁性材20Mn23A1，高强度磁极磁轭钢板WDER550、WBER600，并在上、下机架中采用新型的密封结构，提高了机组性能，降低了材料消耗，从而使本机不仅在性能上而且在经济指标方面达到了设计的先进水平，为今后中大型水轮发电机的设计打下了良好的基础。
参考文献：
[1]《水轮发电机设计与计算》白延年主编，机械工业出版社
[2]《大型电机的发热与冷却》丁舜年主编，科学出版社
论文作者:邹振江,程烈蓉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/4
标签：定子论文; 机架论文; 机座论文; 磁极论文; 转子论文; 冷却器论文; 轴承论文; 《基层建设》2017年第25期论文;