水轮发电机组斜立筋定子机座受力分析与探讨

2016-07-19 07:40彭雪峰
中国水能及电气化 2016年6期
关键词:水轮发电机组

彭雪峰

(衡阳市水利局水利水电基本建设工程质量监督站, 湖南 衡阳 421001)



水电站技术

水轮发电机组斜立筋定子机座受力分析与探讨

彭雪峰

(衡阳市水利局水利水电基本建设工程质量监督站, 湖南 衡阳421001)

【摘要】随着综合国力不断提高,我国水电事业也在蓬勃发展,大批大型水电站相继建成投产,大量先进的机电技术在水电站建设中普遍应用。其中,斜立筋结构定子机座先后被三峡水电站、彭水水电站、构皮滩水电站、糯扎渡水电站等大型水电站采用。本文针对定子机座的结构,分析了它在机组运行中的受力情况,探索了减少其在运行中振动的措施。

【关键词】水轮发电机组;斜立筋;定子机座;受力分析与探讨

水轮发电机组定子机座支承着铁芯、线棒及上机架。在机组运行时,定子机座在切向方向受到转子的磁拉力,在径向方向受到铁芯受热膨胀的向外挤压力。切向方向的磁拉力基本等于机组转轮所受的水推力,力量相当大。而铁芯的挤压力与运行温度、机座基础的设计等有关。为对抗上述受力,我国传统的定子机座在上下环板、立筋设计有足够厚度的钢板,机座基础则大多采用浮动式结构。而法国某公司设计的定子机座,采用固定式基础和斜立筋结构,利用机座在运行中的弹性变形来抵消外力。如果说传统的定子机座给人的印象是厚重扎实,那么斜立筋定子机座给人们的感觉则是轻盈飘逸。由于大大地降低了制造厂的生产成本,这种结构得到了普遍的采用和推广。

1斜立筋定子机座结构特点

斜立筋定子机座最明显的特点就是机座为斜立筋结构。传统定子机座的立筋按照径向方向分布,而斜立筋定子结构的立筋按照与径向成45°分布。该结构的定子机座在国内首先应用于三峡左岸电站首批发电机组。其特点是:在机组运行、定子铁芯发热膨胀时,定子机座可以通过弹性变形,增大半径来满足铁芯的膨胀量,避免铁芯产生永久变形,从而保证铁芯的圆度。而定子机座斜立筋的周向分量,可以在机组运行时对抗磁拉力产生的扭矩(见图1)。

图1 机座结构对比

2斜立筋定子机座受力分析

水轮发电机组在运行时,定子铁芯、线棒温度升高,铁芯受热膨胀,并通过定位筋径向向外挤压定子机座。由于机座立筋与径向成45°,在同样大小的压力条件下,立筋更容易弯曲产生形变。当然,这种变形在弹性范围内,相当于在铁芯膨胀时,机座对铁芯有一个箍紧作用,从而更好地保护定子。又因为它的弹性,避免了机座对铁芯的刚性挤压,防止对铁芯产生破坏。同时,水轮发电机组在运行时,转子巨大的磁拉力传递给定子时,也要靠定子机座来抵抗拉力。传统定子机座立筋与切线方向成90°,在定子受到磁拉力作用时,更容易产生变形。而斜立筋定子机座结构的斜立筋与定子切线方向成45°,相比传统结构的立筋型式,具有更强的刚性以及更加稳定的结构。通过机座受力分析,斜立筋定子机座结构在径向和切向两种力的作用下,都对保护定子铁芯圆度、防止铁芯损坏、增加定子机座稳定具有更好的作用。

3斜立筋定子机座设计及应用

3.1斜立筋定子机座设计

定子机座整体上是一个圆筒形。由于斜立筋定子机座具有较好的弹性,因此,它的基础是固定的。斜立筋向下延伸,伸出下环板部分作为下支腿,支撑定子的整个重量,利用混凝土基础对下支腿进行强制固定。斜立筋向上延伸,伸出上环板部分作为上支腿,支撑上机架的重量,并受到上机架的固定。上、下支腿都可以向外进行弹性变形,满足机座在运行时的向外膨胀需要。上、下支撑腿在变形时,造成整个机座在轴线方向有一个微量的变化,即机座高度变小。为解决这个问题,在上机架支腿外端处,设计可以上下弹性变形的支撑腿作为补偿。该结构原理见图2。

图2 支撑腿补偿原理注 实线表示非运行定子机座及上机架的状态,虚线表示运行状态。

3.2斜立筋定子机座在水电站中的应用

三峡水电站左岸厂房电站首先采用了这种斜立筋定子机座。在运行中发现,定子机座下部(下环板处)的振动较小,约为0.03mm,但中上部(上环板处)振动偏大,约0.09mm。从结构上分析,下部振动较小是因为混凝土基础对下支腿起到了很好的约束作用。而上部振动偏大,很大程度上是由于上机架对上支腿的约束力不够。基于这种情况,哈尔滨某电机厂在三峡水电站右岸厂房电站中,对上机架进行了改造,使上机架具有更好的刚性,并取得了较好的效果。彭水水电站由于受到运输条件的限制,定子机座在制造时,将斜立筋伸出上环板部分单独加工制造,然后用螺栓、销钉连接;由于工地加工条件的限制,销钉孔(φ40)在工地钻铰质量不好,极大地削弱了销钉的限位作用,连接螺栓在发电机运行时容易松动,使上机架对定子机座上部的约束力减少,定子上部的振动值偏大,约0.1~0.16mm。糯扎渡水电站的运输条件同样受到限制,定子机座的制造改成工地现场拼装、焊接,有效地解决了彭水电站遇到的问题。

4斜立筋定子机座的缺点和机组改进建议

斜立筋定子机座的结构特点是弹性较大、刚性偏小,这决定了它在运行中的振动相对较大。采用这种斜立筋定子机座的水轮发电机,一般都是大容量低转速机组,按照《水轮发电机组安装技术规范》(GB 8564—2003)要求,定子机座的振动应小于0.04mm。目前国内使用这种斜立筋定子机座的大型水电站均不满足这一要求。对机组来说,特别是定子的振动,会破坏定子铁芯、线棒的绝缘,加速设备老化,影响机组的使用寿命。虽然斜立筋定子机座厂家表示在0.12mm下振动,对机组长期稳定运行不会产生安全隐患,但我们仍应正确对待振动超标现象。在此,提出两条建议供同行参考:

a.提高具有斜立筋定子机座的水轮机组安装质量。提高转子磁轭和定子铁芯叠装圆度、同心度、压紧量的质量要求;提高机组定中心时的空气间隙均匀值,使机组运行时,磁拉力更加趋向于均匀。

b.基于定子机座振动偏大的部位集中在中上部,制造厂家在上机架的结构设计中,应加大上机架的刚度,增强上机架对定子上部的约束。

Analysis and discussion on the force of hydroelectric generating set oblique stud stator frame

PENG Xuefeng

(HengyangWaterResourcesBureauWaterConservancyandHydropowerCapitalConstructionEngineeringQualitySupervisionStation,Hengyang421001,China)

Abstract:China hydropower career is booming with the constant improvement of comprehensive national power. A large number of large hydropower stations have been completed and put into operation. A large number of advanced mechanical and electrical technologies are generally applied in hydropower station constructions, wherein oblique stud structure stator frame is successively adopted in some large hydropower stations, such as Three Gorges Hydropower Station, Pengshui Hydropower Station, Goupitan Hydropower Station, Nuozhadu Hydropower Station, etc. In the paper, its force condition in unit operation is analyzed, and the measures of reducing its vibration in operation are explored aiming at the structure of stator frame.

Key words:hydroelectric generating set; oblique stud; stator frame; stress analysis and discussion

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.011

中图分类号:TV734.2+1

文献标识码:A

文章编号:1673-8241(2016)06- 0035- 03

猜你喜欢
水轮发电机组
小型混流式水轮发电机组振动试验的探讨
探析水轮发电机组稳定性的影响因素及其措施
中小型水电站水轮发电机组的自动化改造分析
水轮发电机组状态监测分析系统及其在抽水蓄能电厂的实践研究
水轮发电机组运行与维护要点分析
水利工程水轮发电机组运行异常问题及其处理措施探析
航电枢纽水轮发电机组运行中的主要问题与解决方略
水轮发电机组运行中的振动分析
水轮发电机组的安装质量控制措施探讨