张拴虎
（天津市天发重型水电设备制造有限公司天津 300400）
摘要浪详电站装有2台水轮发电机组，单机容量为15MW，电站总装机容量为30MW。本文论述了浪详水轮发电机的基本特性、结构设计及通风系统等。
关键词：水轮发电机结构设计通风冷却
1 引言
浪详水电站座落于位于珠江流域柳江水系一级支流龙江的上游（贵州境内称为河）上，电站为引水式，共装机2台，单机容量15000kW。电站在电网中担任基、峰荷运行，也可脱网单独运行。2发电机主要技术数据
型号SF15-28/5500
额定功率/容量15MW/18.75MVA
额定功率因数 0.80(滞后)
gammaproteobacteria额定电压10.5KV
额定电流1030.9A
额定频率50 Hz
额定转速214.3r/min
飞逸转速410r/min
短路比 1.01
额定励磁电压156V
励磁电流855A
额定效率 96.8％
缘等级
F级
铁心绝缘等级 F
转动惯量1000t.m2
推力轴承负荷175t
励磁方式静止可控硅励磁
冷却系统密闭自循环径向端部回
风空气冷却系统
3发电机总体结构
3.1总体布置
发电机为三相凸极同步发电机，机组整体结构采用立轴三导悬式结构。发电机设上、下两导轴承（水 轮机设有水导），推力轴承位于转子上面上机架中心体上（见图1），采用空气冷却。发电机主要部件包括：定子、转子、推力轴承、上导轴承和上机架、下导轴承和下机架、空气冷却系统、机械制动及系统、灭火系统等。 采用立轴三导悬式结构的优点是：机组的径向机械稳定性较好，轴承损耗较小，维护检修方便。
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图1浪详电站水轮发电机总装图发电机定子机座下端经12个基础板与混凝土基础固定，上端连接上机架。从定子铁心内径可整体吊出发电机下机架及水轮机顶盖。可在不吊出转子、不拆除上机架的条件下，拆卸和挂装磁极，检查定子线圈端部或更换定子线圈。
转子是轴系和通风系统的组成部分。轴系由发电机转子本体、发电机大轴、水轮机大轴及转轮组成。转子支架、磁轭和磁极构成径向通风回路的压力源。
上机架为负荷机架，中心体上部为推力轴承，内部为上导轴承。上机架通过6个支臂与定子机座连接。
下机架内有下导轴承，4个支臂下端通过基础板与混凝土基础固定。支臂兼做制动器的基础。3.2定子
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滴胶卡制作定子装配由定子机座、定子铁心、定子绕组、端箍、测温装置和绝缘件、固定件等组成。为便于运输，定子分成2瓣，运到工地后组成整圆、叠压铁芯并进行下线。
机座为十二边形，采用钢板焊接结构，机座共有四个环，机座环间采用盒形筋, 既提高了机座的刚度，又可减小机座的径向尺寸。机座最大外径为6.5米。高为1.31米。定子机座具有足够的刚度和强度，它承受上机架传递的推力负荷及转子传递的电磁扭矩，具有适应定子铁心热膨胀并防止铁心翘曲的能力。机座连同铁心及线圈安放在可调整的基础板上。每个基础板与机座下环间设有B25X150的销钉以承受短路切向剪力，并用2个M30螺栓固紧。基础板埋入混凝土机坑内，并可用楔子板调整高度以确保定子正确的垂直和水平位置。基础板可承受发电机定子、上机架及其他附件的全部重量、发电机运行时的短路扭矩以及地震力、半数磁极短路造成的单边磁拉力。
定子铁心采用冷轧无取向高导磁硅钢片冲制的扇形片叠成，冲片两侧有F级绝缘漆，以降低涡流损耗。
定子铁心与定位筋之间采用加临时垫片的措施，使定子铁心与定位筋之间保留一定的间隙，以适应铁心的热变形。定子铁心外径为Φ5500mm，内径为Φ4880mm，高为580mm，共计264个槽。在定子铁心高度方向分为13段，通风沟高6mm。定子铁心下端采用小齿压板结构，叠片时分段压紧，采用冷压及加热压紧的工艺，以确保铁心装压质量。通风槽钢由轧制无磁性材料制成，具有减小铁损和提高机械性能的作用。铁心两端采用无磁性高强度合金钢压指，以减小因端部磁场引起的附加损耗而导致的端部发热。
伸缩杆定子绕组为框型叠绕组，4路并联，每线圈导线为6X（2.36X5）双玻璃丝包扁线组成。线圈的绝缘等级为F级，定子绕组的线圈之间、线圈与铜环引线之间接头均采用银铜焊。线圈的直线部分采用适形固化绝缘材料固定，槽口槽楔固紧。测温装置中的感温元件采用铂热电阻元件，用来监测定子线圈、定子铁心的温度。
3.3 转子
转子由转子支架、磁轭及磁极等组成。发电机全部转动零部件经过严格计算，能安全地承受最大飞逸转速5min而不产生任何变形。发电机转子采用一根轴结构，下端通过法兰与水轮机轴连接。
转子装配平剖视图2所示。
转子支架与转轴采用整体焊接结构，转子支架由上下圆盘、立筋等焊接而成浪详电站转子支架的上下圆盘间共有7个立筋，转子支架与主轴焊为一体后传递扭矩。圆盘式转子支架具有刚度大，传递转矩大及通风损耗小等优点。
转轴由20SiMn锻钢经精加工而成, 转轴全长5.57米，与水轮机轴联接法兰外径为φ0.9米。并在φ0.72米园周上分布有8个φ90毫米的通孔.通过螺栓与水轮机轴法兰连接。
磁轭由低合金高强度结构钢板经冲制成冲片，在工地叠压成整体。为提高磁轭的整体性并使拉紧螺杆受力均匀，采用三层冲片作为一个基本层，按2,1,2锯齿双返回叠片，并按八层作为一个基本循环的叠片方法，叠片后在磁轭部分形成发电机通风冷却系统所需要的风道。磁轭采用高强度拉紧螺杆固紧成一体，与转子支架采用T型键联接而形成浮动磁轭结构，这样就使得取消磁轭定位销钉、予装螺杆、拉刀和热打键成为现实，从而大大缩短安装周期。在发电机转子磁轭的下部，装有可拆卸的制动环，可在不拆磁轭以及不吊转子的情况下进行修理或更换。
磁极铁心由 1.5mm冷轧钢板冲制成的磁极冲片叠压而成，两端为锻钢加工的磁极压板，通过拉杆压紧。磁极线圈用5X48的铜排扁绕而成，有效匝数为35匝，匝间用0.11毫米厚的环氧玻璃坯布以环氧树脂粘合的F级绝缘热压成型。磁极托板为9毫米厚的玻璃布板。转子引线为6X43铜母线。极身绝缘采用U形结构，热压在线圈上。磁极装有交直轴阻尼绕组。磁级采用3个T尾与磁轭固定。
图2 转子装配平剖视图
3.4 推力轴承
推力轴承安装在上机架上，它由旋转部分、支
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撑部分和冷却部分组成，见图3。
旋转部分由镜板、推力头和连接件组成。推力头的材质为铸钢，它与发电机大轴用卡键和轴向键联在
一起。轴向键用以克服轴承的摩擦力矩，卡键用来传递轴承的轴向负荷。镜板材质为高强度锻钢，为精密加工件，镜板与推力头通过螺栓把合在一起。
支撑部分由推力塑料瓦、托盘、支柱螺钉和推力轴承座组成，承担机组全部轴向负荷。推力轴承座用来安装支柱螺钉和推力塑料瓦，固定在上机架上。
冷却部分由冷却器、油槽、挡油管等组成。油槽和挡油管构成储油箱，它储存推力轴承运行时所需的润滑油。机组运行时推力轴承产生的损耗借助于油冷却器的热交换，由冷却水带走。
推力轴承油槽上方设有接触式密封盖，以防油雾扩散。
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图3 推力轴承结构图
推力轴承瓦采用弹性金属塑料瓦。弹性金属塑料瓦在我国水电机组上应用至今已有10余年，在大中型水轮发电机组中得到了广泛的应用。采用塑料瓦具有以下诸多特点：
（1）自润滑性能好，摩擦系数是巴氏合金瓦的十几分之一，只要少量的润滑油就能保证正常运行。同时，降低了摩擦损耗，提高了发电机的效率。
（2）由于摩擦损耗小，使机组瓦温降低。正常瓦温比同工况下的钨金瓦可降低20K。
（3）油冷却器短时间断水情况下，轴承了仍可安全运行，提高了机组运行的可靠性。
（4）瓦面在厂内精加工，在工地不需研刮。
（5）不需要设立高压油顶起装置，简化了运行维护。
（6）对机组“冷态”、“热态” 启动不受限制。
（7）采用塑料瓦后，允许降低制动转速，有利于减小制动瓦的磨损和制动环的发热。在其他事故状态下，可进行惰性停机。
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综上所述，塑料瓦由于瓦面具有自动调节油膜压力分布，降低了油膜压力峰值，因而瓦面相对镜板的变形很小，承载能力得到很大的提高。
采用塑料瓦后，推力轴承运行的可靠性，灵活性都有很大的提高。安装、维护、检修也比钨金瓦简便，基本上消除了烧瓦事故的发生。
3.5 导轴承
浪详发电机设置两个导轴承，上、下导轴承分别安装在上下机架内。两者结构类似，均为内部自循环分块瓦自调式结构。上、下导轴承均有8块在内表面铸有轴承合金的扇形轴瓦。为防止轴电流，在轴承座圈内表面设绝缘层。导瓦支撑采用球面支柱结构。球面支柱由经热处理的合金结构钢制成，球面支柱支撑在导瓦背后，可使导瓦灵活转动。用不锈钢薄垫片调整导瓦与滑转子间隙，使之调整好后保持不变。上下导轴承的油冷却器分别是放置在上下导油槽内。
3.6上下机架
上机架为负荷机架。采用中心体带辐射形支臂的钢板焊接结构，由中心体与6个工字形截面支臂组成。为方便运输，中心体与支臂通过合缝板用高强度合金钢螺栓组合成一体，支臂与中心体在工地组合。
下机架采用钢板焊接组合式结构，由中心体与4个辐射工字型载面支臂焊接成一整体。下机架兼作制动器基础。
3.7其它结构
发电机采用机械制动系统，4个Φ200气压复位制动器位于下机架支臂上，兼作液压顶起装置，制动器设有吸尘装置。发电机中设有感烟型探测器和感温型探测器。灭火装置为水喷雾灭火系统。上、下喷雾环管布置在定子线圈附近，水喷雾头采用不锈钢材料。集电环与刷杆座设置在发电机上机架上方，滑环由抗磨性强的钢板制成。
4通风冷却系统
采用单路、径向、无风扇、定子端部回风的密闭自循环通风系统。
发电机上机架上方及下机架下方分别设置密封盖板，上机架与定子之间的风罩内，以及转子磁轭与下机架之间设置挡风板。发电机转子上方带有旋
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转挡风板、定子机座外圆上均匀布置6个空气冷却器。电机内部的空气在由转子支架、磁轭、磁极等
部件旋转而形成的压力作用下，通过气隙、定子铁心定子线圈的上下两端后经过空气冷却器，再经定子机座上方返回到转子支架，形成循环回路，见图4。
6个空气冷却器布置在定子机座外部，以并联方式连接在两个供排水环管上。为加强装运效果，减小堵塞，冷却器采取提高水压措施，并按反冲洗结构设计。冷却器的容量系按一个冷却器故障退出后、发电机仍能安全满发来选择。为减少漏风量，对旋转部分与静止部分的相邻处进行特殊设计，使其保持最小间隙，使漏风量最小。
图4 通风循环系统
5设计经验总结
通过对浪详发电机的设计，得出以下经验：
（1）采用转子支架与主轴焊为一体并同时加工的技术，省掉转子支架在工地与主轴热套的工序，发电机转子支架切向刚度大大加强，由于转子支架与轴同轴度好，可保证机组在额定和飞逸工况转子无偏心。
（2）另外采用单路、径向、无风扇、定子端部回风的密闭自循环通风系统。此通风方式可以保证通风回路流畅，减少风损，提高效率；定转子轴向温度均匀；消除油雾和制动粉尘对发电机定、转子的污染；维护方便，运行可靠。
参考文献
[1] 陈世坤主编. 电机设计.北京：机械工业出版社，
1982.
[2] 白延年主编.水轮发电机设计与计算.北京：机械工业
出版社，1990.
作者简介
张拴虎 男，1969年生，1994年7月毕业于沈阳工业大学电机专业，现从事水轮发电机设计工作，工程师。
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