摘要：高轉速水輪發電機在設計和制造技術上都存在很大難度，主要以某水電站80 MW-600 r/min 發電機為例介紹了高轉速水輪發電機的設計和制造特點,對該水輪發電機在定子、主軸、磁軛、磁極、軸承、機架、防振支撐及通風系統等方面的設計、制造及所采用的東芝先進技術進行了說明。為今后類似水輪發電機的設計和制造提供借鑒。
關鍵詞：高轉速水輪發電機；結構設計；電磁設計]
0 前言
該水輪發電機裝于寶興河流域梯級開發的龍頭水庫電站，電站采用引水式開發，地下廠房，工程任務為發電。電站廠址位于雅安地區寶興縣。電站總裝機容量240 MW，裝設3 臺單機容量為80 MW的立軸混流式水輪發電機組。該水輪發電機采用了許多先進的水輪發電機組設計和制造技術。本文將重點介紹該電站發電機設計和制造特點。
1 發電機主要技術數據
型號： SF80- 10/4160
額定容量： 88.89 MVA
額定功率： 80 MW
額定電壓： 13.8 kV
額定電流： 3 718.8 A
額定功率因數： 0.9(滯后)
絕緣等級： F/F ( 定子/ 轉子)
額定轉速： 600 r/min
飛逸轉速： 960 r/min
轉動慣量： ≥650 t·m2
額定勵磁電壓： 220 V
額定勵磁電流： 807 A
通風冷卻系統： 密閉循環、軸向風扇自循環
通風冷卻系統
2 發電機電磁設計
電磁設計主要數據（計算值）如下：
定子鐵心外徑4 160 mm；定子鐵心內徑3 300mm；定子鐵心高度1 902 mm；縱軸同步電抗Xd (標幺值)1.044；縱軸瞬變電抗Xd’（ 標幺值）0.315；縱軸超瞬變電抗Xd”（標幺值）0.187；短路比>1.0。
3 總體結構
發電機為立軸懸式、三相凸極同步發電機，采用密閉循環、軸向風扇自循環通風及空氣冷卻的形式。發電機主要由定子、轉子、上下機架、上下導軸承及推力軸承、制動和頂起系統、滅火系統、空氣冷卻系統、自動化系統等組成。見圖1。
4 結構設計和安裝特點
4.1 定子
定子由定子機座、定子鐵心、定子繞組等組成。定子機座整體結構，鐵心疊裝和繞組下線在工地進行。
發電機定子機座為正12 邊形，機座對邊尺寸為5 300 mm，機座高3 050 mm。機座設頂環、上環、中環及下環（大齒壓板），環間沿圓周布置加強立筋、支撐管和導風板。定子機座內腔及大齒壓板在工廠加工。上齒壓板采用分塊式結構。上、下齒壓板的壓指及通風槽鋼均采用非磁性材料，以減小漏磁損耗。定子機座與基礎板采用徑向銷定位，允許定子機座受熱膨脹時徑向自由移動。
定子鐵心由0.5 mm 厚的50W270 硅鋼片在現場疊壓、分段壓緊而成。定位拉緊螺桿采用特殊的與定位筋合為一體的結構。合適的鴿尾筋數量、適當的定子機座剛性結構，使定子鐵心能與機座同步膨脹而不會變形翹曲。
定子繞組為雙層條式波繞組、2 支路星形連接。繞組絕緣等級為F 級。定子線棒采用槽內360°羅貝爾換位，以降低附加損耗和均衡線棒中股線間的溫差。上、下層線圈端頭采用分3 組對接銀焊的結構。
4.2 轉子
轉子采用單軸結構，由主軸、磁軛和磁極等部件組成。轉子的設計充分考慮該機組高轉速的特點，各零部件的強度及剛度均能得到保證。發電機主軸采用分段鍛造，再焊成一體的結構，材質為20SiMn；其中部與轉子磁軛在工廠熱套成一體；上部與推力頭現場套裝，通過卡環承受軸向負荷，通過軸向鍵傳遞轉矩；主軸下側設滑轉子與下導軸承相配，下部法蘭與水輪機軸相連。
磁軛采用高強度環形厚鋼板疊壓后焊成一體結構，在數控車床上精確加工內圓以及外周T 尾槽。磁軛整體加工完成后在工廠采用小過盈熱套在發電機大軸上，一體運輸。磁軛與主軸通過周向均布的5 組T 型鍵傳遞扭矩，頂轉子時由卡環軸向限位。這種磁軛具有結構簡單，整體性好，安裝方便等優點。磁極由磁極鐵心、阻尼繞組及套于鐵心的磁極線圈組成。
磁極鐵心由1.5 mm 厚的高強度薄鋼板疊壓而成，并用拉緊螺桿壓緊。鐵心設雙T 尾掛裝在磁軛上，可滿足高轉速下高應力的需要。磁極端板采用高強度厚鋼板焊接而成。磁極線圈由兩種寬度不同的半硬紫銅排焊接而成。這種線圈由于表面有凸出的散熱匝，可成倍增加其散熱面積,從而降低線圈的溫升，且線圈的形狀規整。線圈匝間墊以Nomex 絕緣紙，與銅排熱壓成一體。線圈對地絕緣除了極身絕緣外，在極身四周角部設置角絕緣。磁極線圈上部除了設有上絕緣法蘭，還設有不銹鋼滑動法蘭，以適應磁極線圈熱膨脹作用下的滑動，防止匝間絕緣損壞；下部設有下絕緣法蘭和鐵法蘭。同時為了克服線圈在離心力作用下產生的側向分量，在極間設置3 組線圈支撐。詳見圖2。
磁極采用雙T 尾掛裝方式。在磁極鐵心上下兩端T 尾各打入一對短楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，并用壓板鎖定楔形鍵，這種結構磁極鍵拆裝方便。轉子設有縱、橫阻尼繞組。阻尼環采用銷子可靠地固定于磁極端板上，阻尼環連接采用軟連接，并通過非磁性拉緊螺桿可靠地固定在磁軛上，以承受離心力的作用。磁極的上部極間引出線通過內穿式下部引出，并采用與下部極間引出線相同的方式固定在磁軛上，以承受離心力的作用。勵磁引線由銅排制成，通過布置在磁軛上端的勵磁引線及軸內勵磁引線沿發電機大軸接至集電環。
4.3 軸承
推力軸承及上導軸承布置在上機架中心體油槽內，分別承受機組軸向負荷和一部分徑向負荷。推力頭與主軸采用熱套結構，推力頭在現場與鏡板用螺栓連接后，熱套于發電機主軸上。
推力軸承采用東芝典型支撐結構，推力軸瓦由小彈簧簇支撐，這種結構具有性能可靠、瓦間受力均勻、瓦變形小、抗傾覆能力強以及安裝維護方便等優點。推力軸承由9 塊扇形瓦組成。推力軸瓦采用塑料瓦。推力瓦支撐面為面接觸，可有效減小瓦面的機械變形。支撐彈簧和各塑料瓦由工廠加工保證精度，現場不需作推力瓦受力調整。
推力及上導軸承采用鏡板泵自循環外置油冷卻器冷卻的方式，冷卻循環油的油壓由旋轉著的推力頭上的孔產生，油通過油管進入油冷卻器冷卻后，再經油管回到油槽，冷卻推力瓦及上導瓦后再進入鏡板泵循環。此結構無需提供外加動力，維護方便。
上導軸承由為分塊瓦結構，瓦面為巴氏合金。導軸承采用支柱支撐結構，瓦的背面有球面支承柱，該結構在運行時導瓦能靈活偏轉，導瓦支撐的調整具有方便、可靠、準確等優點。推力頭的外周面作為上導軸承瓦的摩擦面。
下導軸承也為分塊瓦結構，瓦面為巴氏合金，支撐結構與上導相同。下導軸承采用內循環潤滑冷卻方式，油槽內設兩個半環高效油冷器。導軸承支撐結構見圖4。
4.4 機架
上機架為負荷機架，采用整體焊接結構。它由中心體和6 條支臂組成。中心體作為推力及上導油槽使用。上機架用銷釘定位，并通過螺栓把合在定子機座上，上機架承受垂直負荷，并經定子機座傳遞至基礎。上機架還承擔因轉動部件的徑向機械不平衡力和徑向電磁不平衡力以及徑向的熱膨脹力，并通過切向防振支撐將徑向力轉為切向力傳遞至基礎。上機架的設計具有足夠的軸向和徑向剛度。
下機架為上下兩圓盤式整體結構。中心體作為下導軸承的油槽使用。制動器放置在上圓盤支臂上。整個下機架通過連接板固定在下機架基礎上。下機架還承擔因轉動部件的徑向機械不平衡力和徑向電磁不平衡力，并通過徑向防振支撐傳遞至基礎。下機架具有足夠的軸向和徑向剛度，并且結構上可以從定子鐵心內徑取出。
4.5 防振支撐
防振支撐的徑向剛度對軸系的穩定性非常重要，上機架防振支撐采用了切向支撐結構，通過有限元分析計算整個上機架系統的徑向剛度。下防振支撐采用支柱式支撐結構，預緊力的調整非常方便。下防振支撐彈性體為彈性板結構，這種結構在滿足徑向剛度要求的同時還具有一定的彈性，能減輕機組的振動。
5 通風及冷卻系統
發電機采用密閉循環，雙路軸向風扇，自通風冷卻方式。
由于本發電機轉子尺寸小，轉子磁極本身產生的風量不能滿足冷卻要求。在磁軛上、下兩端采用了風損小、風壓平穩、噪音小的軸向風扇。
定子機座外裝設6 只空氣冷卻器。空冷器為LTS 薄片脹管式空氣熱交換器，該結構具有風阻低、傳熱效率高、用水量少、清洗方便等優點。當一臺空冷器退出運行時，能滿足發電機額定運行。
6 結束語
該水輪發電機是通過引進東芝在高轉速、大容量機組方面的先進技術及結合國內高轉速機組使用經驗的基礎上完成的。自2006 年12 月首臺機組投運以來，目前3 臺水輪發電機均運行穩定，性能良好，發電機定轉子溫升，振動及擺度均滿足合同要求。為今后類似的高轉速、大容量水輪發電機的設計和制造提供借鑒。
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