（东方电气集团东方电机有限公司 四川德阳 618000）
摘要：望江楼水电站共装设4台单机容量10MW的灯泡贯流式水轮发电机组。该发电机转速高，泡体直径小，设计难点突出。
关键词：望江楼水电站；灯泡贯流式；水轮发电机；贴壁；一次冷却
一、电站情况概述
望江楼水电站位于吉林省集安市境内，是一座以发电为主，可兼顾水产养殖的中型水利水电工程。电站总装机容量40MW，共装机4台，单机容量10MW。电站额定水头8.3m，最大水头11m，最小水头3.5m，加权平均水头9.22m，属于低水头且水头变幅大的水轮发电机组。
二、望江楼水轮发电机设计难点
望江楼水轮发电机为灯泡贯流式，发电机整体浸没在流道内部。鉴于发电机泡体最大外直径仅为4925mm，通风冷却及结构布置难度非常大，定子部分采用贴壁式结构。同时由于结构尺寸紧凑，通风冷却系统的设计较常规灯泡贯流式水轮发电机难度大，组合轴承的检修维护空间更是紧张。上述均是望江楼发电机设计中需要解决的难题。
三、电磁方案设计
考虑灯泡贯流式水轮发电机空间狭小，通风冷却困难，电磁方案的调整上需要显著降低电磁负荷，以提高系统安全性。借鉴以往设计经验，结合水轮机流道设计参数，确定电磁方案，基本参数见下表：
表1 水轮发电机电磁参数：
四、结构设计
1. 总体结构：
发电机采用水平灯泡式布置方式。整个发电机组共设置两个径向轴承，整个轴系为双支点双悬臂结构。水轮机和发电机共用一根轴。正、反推力轴承设置于发电机转子下游侧，与发电机侧径向轴承共用一个油槽。
2. 定子：
定子机座为钢板焊接结构，整圆焊接加工。
定子铁心为贴壁结构，即运行工况下，定子铁心与机座壁之间通过小间隙内的固态介质传递热量，代替了冷却空气的作用。该结构不设置径向通风沟。定子铁心在制造厂内整圆叠装。定子铁心外径φ4775mm，内径φ4320mm，有效长度920mm。定子铁心与机座之间预留1.2mm间隙，以保证运行时，铁心可以自由膨胀，消除热膨胀内应力，避免铁心发生翘曲。
定子铁心通过单鸽尾结构与机座连接，有效传递扭矩。
定子铁心的压紧采用穿心螺杆结构，并设置碟簧，采用预应力方式，保证铁心的有效压紧。
定子绕组采用Y连接方式。定子线棒为多匝圈式结构，下线过程方便快捷。望江楼发电机的定子下线工作在制造厂内完成。发电机定子绕组的中性点在灯泡头内并联，不设置中性点接地装置。主引出线采用载流电缆，由进人筒引出后进入厂房与主变连接。
为了减少定子端部的附加损耗，定子端箍、铁心压指均采用非磁性材料。
图1 定子机座
3. 转子：
转子支架为圆盘式、钢板焊接结构。磁轭为整圆结构，采用优质厚钢板焊接而成。钢板上开设通风孔。支架上游侧设置12块径向布置的筋板，用于转子支架的加强。支架圆盘开有12个通风孔，用于轴向通风。支架中心体直接与水轮机主轴法兰相接。利用4-147销套传递扭矩。在转子支架上游侧设有可拆的多块制动环。转子支架的刚强度及疲劳性能通过有限元计算校核，满足安全稳定运行条件。
图2 转子支架
磁极铁心采用1mm薄钢板叠压而成，通过高强度螺杆压紧为整体。磁极线圈的采用多边形铜排，以增加散热面积，改善散热效果。磁极上设置有纵、横阻尼绕组。
磁极通过高强度螺栓把合在转子支架上。
4. 组合轴承
发电机侧设置一个组合轴承，位于转子下游侧。组合轴承内包括正、反推力轴承以及一套卧式径向轴承。三个轴承位于同一油槽内。
正推轴承用于承载开机以及运行工况下机组轴向的载荷。不同于常规立式机组的设计，灯泡贯流式水轮发电机组在停机状况下，由于水流的作用，会产生一个很大的向上游侧的轴向推力，因此需要设置一套反推轴承。
正、反推力轴承各设置12块瓦，采用支柱螺栓支撑，调节方便。推力瓦为钨金瓦，性能优良。径向轴承采用分块瓦结构，下部设置4块带有高压油孔的工作瓦，上部设置两块辅助瓦。
组合轴承采用高位油箱自重力供油，瓦面进油的润滑方式。润滑系统的冷却，通过设置在低位油箱的外置冷却器完成。推力油槽内不存油。
图3 组合轴承
5. 灯泡头
灯泡头为流道的重要组成部分，因其形状类似白炽灯泡而得名。
灯泡头为钢板焊接结构。上部设置进人筒，用于检修通道。下游侧与定子机座把合。灯泡头内设置有空冷器及相应管路、导风筒、平台等部件。灯泡头的结构由水力流道设计确定。望江楼发电机灯泡头的尺寸非常紧凑，冷却器及平台的布置困难，用于检修的空间狭小。
6. 封水盖板和进人筒
封水盖板和进人筒均是流道的重要组成部分。其与水流接触部分的形状及结构尺寸均由水力设计确定。另外，封水盖板是隔离厂房及流道的重要部件，其耐水压能力非常关键，经过了有限元计算的校核。进人筒同时也是检修人员由厂房进入发电机内部的通道，同时，考虑检修维护的需求，进人筒的空间需要满足空气冷却器吊出的需求。
7. 辅助支撑
发电机浸泡在流道内，受到水流的冲击非常大。为了保证发电机在各种工况下的稳定性，尤其是定转子之间气隙的稳定，在靠近定子机座上游侧的下部设置一个垂直支撑，并设有适当的预紧力，防止冲水后，过大的浮力抬升发电机。同时在水平方向设置有水平支撑，并设有适当的预紧力，防止发电机水平方向的摆动。
8. 通风冷却系统
由于结构空间紧张，灯泡贯流式发电机的通风冷却系统设计普遍困难。望江楼发电机的设计中，由转动部件自身产生的冷却风并不能满足发电机通风冷却的需求，需要外加风压元件。
望江楼发电机采用了密闭强迫自循环通风系统，在定子上游侧设置了4个轴流风机，与空气冷却器串联，达到散热效果。冷却空气经过风机加压，进入转子支架，与转子支架压头联合，进入定转子气隙，最终回到空气冷却器入口，经冷却后进入轴流风机，形成完整的风路。
另外，由于灯泡头结构尺寸太小，其提供的散热面积无法满足发电机热交换的需求，所以整个冷却水系统采用一次冷却方式。技术供水系统提供的冷却水流经冷却器后，直接排入河水。
9. 制动系统
为了保证发电机可以可靠制动，在转子上游侧设置有8个气压复位式制动器。制动瓦为非金属无石棉材料，减少粉尘对大气的污染。
10. 其他辅助系统
10.1 温度监控系统
为了满足发电机温度监控的需求，在关键部件，如定子绕组、定子铁心、轴瓦、管路、油槽等合适位置设置了铂热电阻，用于发电机温度监控及报警。
10.2 集电环碳刷及碳粉收集装置
集电环碳刷用于转子励磁绕组与外部励磁装置的连接，望江楼发电机选用了适用于低转速、大电流的碳刷形式，并选用恒压刷握，可以实现带电插拔。
另外，为了减少碳刷粉尘对发电机及空气的污染，设置有一套碳粉收集装置。与发电机同步运行，保证发电机的清洁高效。
10.3 油雾及制动粉尘收集装置
发电机在运行过程中难免产生油雾，制动过程中的摩擦也难免产生粉尘。这些杂质会对发电机内部产生污染，降低绝缘可靠性，甚至引发事故。望江楼发电机的设计中，针对性的设置了油雾及粉尘的收集装置，确保发电机内部的清洁卫生。
五、结语
望江楼水轮发电机结构尺寸小，空间布置难度大。在整个设计中，充分考虑了运行维护的需求，在保证发电机优秀电磁、冷却、刚强度性能的前提下，优化了产品结构，对小容量贴壁式灯泡贯流式发电机的发展，有着积极的借鉴意义。
参考文献：
[1]陈锡芳. 水轮发电机结构运行监测与运维. 北京：中国水利水电出版社,2008.
[2]沙锡林主编. 贯流式水电站. 北京：中国水利水电出版社,1999
[3]白延年主编. 水轮发电机设计与计算. 北京：机械工业出版社,1982.
[4]许实章主编. 电机学. 北京：机械工业出版社,1981.
作者简介：
周军长（1982-），男，工学学士，高级工程师，2004年毕业于西安交通大学电气工程及自动化专业，现在东方电机有限公司从事水轮发电机设计及智能产品研发工作；
曾玉好（1986-）,男，工学学士，工程师，2009年毕业于重庆大学机械设计制造及自动化专业，现在东方电机有限公司从事水轮发电机设计工作。
论文作者:周军长,曾玉好
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/18
标签：发电机论文; 定子论文; 水轮发电机论文; 转子论文; 灯泡论文; 铁心论文; 结构论文; 《电力设备》2018年第30期论文;