巨型水轮发电机的结构特点分析

程湛

摘 要：巨型水轮发电机技术推出之后便在很多大型水电工程中得到应用，水轮机的运行状态对水利工程的使用性能具有直接影响，而巨型水轮发电机中的相关部件和结构设计是保证水轮机运行稳定的关键内容，为此，我们有必要针对巨型水轮发电机的结构特点展开研究。本文就以典型的立轴半伞式密闭自循环全空冷三相凸极同步巨型水轮发电机为例，探讨其结构特点，对水轮发电机结构中的关键系统的组成内容进行阐述，旨在为后续的巨型水轮发电机的设计工作提供参考建议。

关键词：巨型水轮发电机；结构特点；设计

中图分类号：TV734 文献标志码：A

我国的巨型水轮发电机技术最早是1998年从国外引进的一类水电工程应用技术，在持续应用和发展过程中，不断研究技术中的关键设计理念和结构特征，在2003年便具备独立完成巨型水轮发电机的设计工作，并且将设计的巨型设备成功应用到三峡工程中，在一段时间内成为世界上规格最大和负荷最大的水轮发电机。还在短时间内完成了多个水电工程的巨型水轮发电机的设计工作，在投入使用后表现出明显的应用效果。可见，我国的巨型水轮发电机已经在短时间内完成从引进外来先进技术，掌握技术和创新技术的整个发展过程。在实际应用过程中可以发现，水轮发电机的结构设计水平与投入使用之后水轮发电机的运行安全密切相关，为此，我们需要不断更新技术，完善结构设计，保证水轮发电机的安全稳定运行。

1 发电机总体结构

立轴半伞式密闭自循环全空冷三相凸极同步发电机的结构元件有定子、转子、上机架、上导轴承、下机架、推力轴承、下导轴承、空气冷却器、埋入基础、制动系统、灭火系统、盖板、油水管路和辅助接线等，为了研究巨型水轮发电机的结构特点，我们针对立轴半伞式密闭自循环全空冷三相凸极同步发电机中的重点结构部件的组成进行分别探讨：

1.1 定子

巨型水轮发电机中定子装置的主要作用是利用定子铁心、绕组和机座共同构成的旋转磁场为水轮发电机提供旋转动力，再配合其他部件完成电能输送，为此，定子在水轮机发电机中承担着不可替代的作用，是水轮发电机的主要动力来源。在定子结构中的机座主要是由大量的环板、垂直方向的斜立筋、筋板和外壁共同焊接而成的钢板结构。由于定子机座为焊接结构，均为预制元件在现场组装并且焊接，机座中的斜立筋起到对抗铁心热膨胀的作用，而环板是一般的大齿压板。同时，斜立筋的上下两端均起到固定作用，分别与机组的基础元件连接，上端连接上机架，为了确保连接稳固性均采用销钉或者螺栓加固。

定子铁心装置是由冷轧而成的硅钢片叠成，只有利用穿心螺杆将叠片压实，为了保证定子铁心的使用性能，在压紧过程中需要在铁心的中间部位设置绝缘材料，同时在压紧操作中使用的紧螺帽下方垫上弹簧垫圈。将定子铁心的两端叠片使用胶水黏结成一个整体，这样可以尽量减少运行过程中由于机械振动所产生的磨损现象，对定子的使用性能和强度具有积极作用，而齿压片选用的则是无磁性的钢材料，避免定子运行过程中对旋转磁场造成干扰，最后应用定位筋将铁心固定在机座上。定子装置的主要结构如图1所示。

1.2 转子

转子装置属于旋转的主要构件，是指由轴承支撑的旋转体。转子结构中的主要部件有顶轴、转子支架、主轴、磁轭、磁极和集电装置等。其中的顶轴一般选用锻钢材质，为了保证转子结构的有效运行，多采用螺栓将顶轴和支架进行连接，并且应用销钉和止口进行定位和加固，顶轴上部安装与实际设计相符的集电环。锻钢20SiMn因具备较强的可锻造性、良好的焊接性能和便于加工的特点，可以同时作为主轴和顶轴的首选材料。

转子结构中的主轴和转子支架需要采用螺栓连接固定才能保证转子的稳定运行，确定转子的最终位置后利用销钉固定，以便于扭矩的传递，为了达到定位准确的目的，还可以采用止口再次定位。由于水轮发电机在投入使用后会处于持续运行的状态，转子在运行过程中不可避免地会受到机械振动的影响，为此，加固转子支架，提升转子运行的稳定性能，对较少磨损具有深远意义。在立轴半伞式密闭自循环全空冷三相凸极同步发电机的转子结构中我们所采用的加固方式为圆盘式斜立筋钢板焊接结构，结构中涵盖中心体和多个外环组件。与定子装置相同，同样是工厂预制之后到现场安装焊接。其中，中心体是由上下法兰、中心圆筒和内外径向垂直筋板等共同组成的钢筋焊接结构，而外环组件是由上下环板和垂直斜筋板等元件共同焊接而成。

磁轭的主要材质为薄钢板，对钢板的强度具有较高要求，一般会设置两段磁轭，并且在每段的两端分别设置压板，利用金螺杆进行拉紧操作，进而形成两个独立的整体。在对磁轭和转子支架进行连接时，需要考虑到来自径向和切向的两个作用力，要求连接结构必须具备承受两个作用力的性能，为此，在这个连接部位需要采用复合键结构进行连接。磁极的主要构件有磁极铁心和磁极线圈，其中铁心是由冲片叠成，并在两端分别设置压板，使用拉紧螺杆进行压紧操作，为了保证磁极的正常工作状态，需要设置设定的铁心绕组。磁极线圈在运行中会产生大量热量，为此，需要选择散热功能较好的铜排材料焊接，为了保证磁极在应力的作用下不产生变形，可以在中间部位设置支撑块，起到抵消线圈应力的作用。

1.3 下机架

下机架为负荷机架，包括中心体和径向支臂，用优质热轧钢板焊接而成。支臂与中心体在厂内进行预装，在工地进行组焊。在中心体的外壁上开有窗口，便于检修推力轴承瓦。下机架的末端与基础连接。下机架不仅承受机组转动部分重量和水推力等组合载荷，同时还承受下导轴承的径向负荷。对于特大型机组，下机架轴向挠度应控制在5mm以内。同时下机架的结构还应考虑运输的限制和更好地传递径向负荷，因此下机架一般设计成辐射型分体结构。

由于巨型機组的推力负荷普遍在2500t以上，其推力轴承损耗大，超过500kW。推导复合轴承的轴承损耗更大。常规的推力轴承内循环润滑冷却方式无论从油槽结构还是循环冷却效果，均无法满足机组的润滑冷却要求。因此，采用外循环冷却方式已成为巨型机组推力轴承冷却的共识。外加泵外循环，主要特点是在润滑油循环回路系统中外加一组互相备用的电动油泵，作为循环动力，其余由冷却器、滤油器、压力表、流量显示器和阀门等元件组成。

结语

我国的巨型水轮发电机技术经过多年的发展已经具备一定的技术水平，并且在不断发展的过程中不断完善和更新技术。巨型水轮发电机在众多水电工程中的成功应用也标志着巨型水轮发电机的良好技术成果。在巨型水轮发电机设计中，结构性能是保证水轮发电机安全稳定运行的关键内容，为此，我们有必要加强对水轮发电机结构性能的研究，通过完善各个结构和元件的使用性能，提升巨型水轮发电机的整体性能，使其具备更好的应用前景。

参考文献

[1]王宇.水轮发电机结构设计与分析[J].防爆电机，2016，51（3）：12-14.

[2]占乐军.龙开口水电站水轮发电机转子结构特点分析[C].中国电机工程学会年会，2014.10.