EDL高转速大型卧式水轮发电机设计特点

黄剑奎，刘俊杰，赵志强

（1.浙江富春江水电设备有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙富控股集团股份有限公司，浙江 杭州 311121）

0 前言

谢攀水电站位于老挝南部占巴塞省的波罗高原，电站最高水头689.6 m，采用压力管道引水（一管四机），安装有3台单机148 MVA、额定转速600 r/min的大容量高转速立轴混流式水轮发电机组（EGAT）及1台48 MVA、额定转速500 r/min的大型卧式冲击式水轮发电机组（EDL），两种机型的机组分别于2019年7月及2019年12月顺利投入商业运行。本文重点说明卧式机组EDL发电机的结构特点。

目前国内容量40 MVA以上的高转速大型卧式水轮发电机的业绩并不多，在运行的仅有国外引进的额定容量45 MVA、额定转速600 r/min的以礼河卧式水轮发电机，浙富水电设计制造的EDL发电机对于国产高转速大型卧式发电机而言具有特别重要的意义。

高转速大型卧式发电机由于发电机尺寸大、结构复杂、受重载径向轴承安全承载能力及运输、安装检修等诸多技术问题的制约，该类发电机很容易出现发电机振动偏大、定子铁心松动、轴承烧瓦等问题。EDL发电机的设计针对这些方面的问题，进行了必要的技术开发和验证，最终顺利的解决了困扰高转速大型卧式发电机的诸多技术难题。

1 发电机主要技术参数

额定容量： 48 MVA

额定电压： 13.8 kV

额定电流： 2 008 A

额定频率： 50 Hz

额定转速： 500 r/min

飞逸转速： 915 r/min

励磁方式： 自并激可控硅静止励磁

定子铁心内径： 3 300 mm

定子铁心长度： 1 326 mm

发电机GD2： ≥ 300 t·m2

旋转方向： 非驱动侧看逆时针

2 发电机总体结构

EDL机组为单转轮布置结构，发电机为三相凸极同步发电机，采用了密闭循环自通风的空气冷却方式，卧式径向轴承根据载荷大小采用了大小轴承布置。

发电机主要由定子、转子、驱动侧卧式径向滑动轴承、非驱动侧卧式径向滑动轴承（兼轴向承载）、制动器、空冷器、发电机端板及轴承润滑油供油系统等部件组成，断面图如图1所示。

图1 发电机断面图

3 发电机结构设计特点

国内常规卧式水轮发电机容量一般不超过10 MVA，且额定转速在1 000 r/min及以上，这些发电机结构紧凑，尺寸较小。径向滑动轴承一般采用内冷的自循环结构，发电机和轴承通常在工厂整体组装发运，现场安装相对简单；而EDL这样的大型卧式水轮发电机，由于发电机尺寸比较大，发电机定子、转子、轴承及发电机大轴等均需要在现场组装，其中定子结构的不同决定了现场定转子组装方式的不同；另外，大尺寸的卧式发电机，转子重量也较大，因而导致发电机径向轴承的载荷也比较大，所以需要承载能力大的重载径向轴承来承载，结合机组高转速运行特点，轴承损耗会比较大，采用常规的内冷自循环冷却方式很难满足轴承的安全运行需要，轴承润滑通常需要采用强迫外循环冷却。

表1为发电机容量及转速等参数与EDL发电机比较接近的典型大型卧式发电机。

表1 相近似典型高转速大型卧式水轮发电机参数统计表

3.1 定子

早期大型卧式发电机定子一般为两分瓣结构，即定子机座和铁心均采用两分瓣结构，这种结构的优点是：①定子可以在工厂叠片下线；②转子及大轴现场安装及检修简单方便；③现场安装工期短。缺点是：①定子铁心刚度较弱；②定子振动相比偏大；③定子铁心分瓣合缝处铁心容易损坏，需要采取特殊措施应对。

EDL发电机定子根据合同要求，铁心应采用整体叠片结构，即叠片组装后的定子铁心不允许采用分瓣结构。根据电站运输条件，EDL仅定子机座采用两分瓣现场把合的结构，而定子铁心为整体叠片结构。

（1）定子机座

EDL两分瓣定子机座在现场通过螺栓把合成一体，现场无需焊接，机座组装精度容易保证。为方便叠片，定子组装时机座沿定子中心线方向采用立式放置，由于安装间组装的定子与实际使用的卧式状态不一致，因此定子机座结构上要充分考虑叠片后的翻身起吊及定子机座的刚强度需要。

图2 定子机座

（2）定子铁心

根据合同要求，EDL定子铁心在现场整圆叠装。这种整体结构的定子铁心优点是：①定子铁心无接缝，无需担心接缝处铁心的损坏；②铁心刚度好，运行中的铁心振动小；③铁心圆度容易得到保证，无槽底错位，整体性精度高质量好；④发电机可靠性高。缺点是：①转子安装及检修难度大；②转子穿入或拆离定子需要特殊对策及工器具设计；③厂房设计根据转子安装方式可能需要特殊设计；④现场安装工期长。

EDL定子铁心的定位采用了如图3所示的结构。这种结构在铁心外缘侧是圆形的定位孔，较普通的半开口鸽尾定位槽有更强的抗翘曲和限位能力，能有效防止铁心端部冲片的径向位移。该结构还具有装键定位简单、叠片精度高，且铁心在径向可自由膨胀，能有效解决铁心热变形引起的铁心与机座间热应力问题。

图3 定子铁心定位结构

另外，从图3可以看出，这种压紧螺杆穿过铁心轭部，由于这种穿心螺杆穿过的是弱磁场区，也就没有了受磁场影响而发热的顾虑，且拉紧螺杆无需绝缘处理，减少了电站的维护工作量，提高了发电机运行的可靠性。

3.2 转子

转子由大轴、磁轭及磁极等组成。

（1）转子磁轭

转子磁轭采用中厚板焊接一体结构，各磁轭钢板均为整圆环形切割板，磁轭精加工后在工厂与大轴热套并整体运输。与常规立轴式发电机的差异是，卧式发电机采用这种热套磁轭的关键是磁轭热套紧量的确定及精确计算，磁轭和大轴间需要足够的紧量防止运行中磁轭的松动，从而提高发电机的可靠性。这种磁轭相比叠片磁轭具有刚度大、整体性好、现场安装简单方便等优点。

图4 磁轭

（2）磁极

根据转子的强度计算，磁极铁心采用双“T”尾固定结构，这种结构具有承载能力大及加工安装简单等优点。

磁极线圈采用了表面有凸出散热匝的结构,可成倍增加其散热面积,从而降低线圈的温升。

为了防止磁极线圈离心力导致的线圈变形而引起的磁极线圈甩出的重大事故，磁极线圈极间设置了支撑，EDL发电机的磁极线圈采用了轴向风阻小、支撑结构简单可靠的抱箍支柱式支撑结构。

图5 磁极

由于受整体定子结构的影响，大型卧式发电机的转子安装、检修时穿入或拆离定子是难度比较大的一个作业，每个步骤均需要有周全的对策，大轴的起吊位置及支撑点的设置均应确保转子在安装或检修时的每个步骤能安全顺利推进。

3.3 驱动侧和非驱动侧径向滑动轴承

EDL两径向轴承均采用两分瓣结构的圆筒形径向瓦，径向瓦和轴承座间采用球面铰接连接，这种结构能充分适应卧式发电机大轴产生的挠度需要，轴承安装调整简单，径向瓦沿轴向方向受力均匀，轴承运行可靠性高。

图6 径向滑动轴承

EDL机组由于采用单冲击式转轮布置，所以驱动侧径向轴承的载荷会比非驱动侧轴承大很多。EDL驱动侧径向轴承最大载荷为170 t。另外，运行中转轮受到的轴向水推力由非驱动侧径向轴承兼顾承受。

由于EDL的转轮采用的是两喷嘴结构，因此不同工况下作用在转轮上的水推力大小及方向都是不一样的，导致两径向轴承受到的径向载荷大小和方向也不一样，轴承及轴承支撑或基础的结构充分考虑了这个载荷大小及方向的变化。

由于轴承损耗较大，径向轴承润滑油的冷却采用了强迫外循环冷却方式。

3.4 其他

（1）制动

大型冲击式卧式机组的常用制动方式有水轮机反向喷嘴制动、发电机电制动、机械碟刹制动及联合制动等。

由于合同规定EDL机组的制动只能采用机械制动器的碟刹制动方式，导致EDL的总停机时间达到了28 min（其中机械制动时间只有1.2 min），这么长的停机时间给轴承供油等辅机系统的设计带来很大的难题和比较高的成本代价。

（2）轴承润滑油循环冷却

前面提到，EDL径向轴承润滑油的冷却及供油需要采用强迫外循环的冷却方式，由于冷却循环油量非常大，选择的油泵功率也比较大，又因为轴承的径向轴瓦和大轴间无法储油，因此润滑油的连续供油是轴承安全运行的必要条件，如何确保轴承润滑油在整个停机时间内连续供油，是轴承供油系统设计需要详细考虑的。谢攀电站由于外方设计的厂房无法布置高位重力油箱，也无法满足大轴驱动油泵对回油箱高程位置布置的要求，要确保供油系统在断电及油泵故障的条件下，机组停机期间能连续给轴承供油，EDL发电机引入了压力供油系统和直流电动油泵供油系统，同时还进一步把为电站黑启动配置的柴油发电机纳入备用电源。

针对上述（1）、（2）的说明，为了提高机组运行的可靠性及尽可能减小轴承运行的风险，特提出如下建议：

大型卧式水轮发电机的制动方式需要电站设计单位进一步优化，多种制动方式的组合配置可以适当降低机组的运行维护成本，并有效缩短机组停机时间，降低机组停机阶段轴承的运行风险；同时，设计单位在厂房设计时应尽量满足主机厂家对重要辅机系统布置的需求。

（3）机组的动平衡配重

大型卧式水轮发电机组的轴承支撑，尤其带支撑支架的轴承，因卧式径向轴承支撑的水平刚度比较弱，因此，机组的动平衡配重对减小机组的振动非常重要，现场需对机组进行精确配重。

EDL机组经精准配重之后，轴承振动非常小，完全满足并优于相关规范对振动的要求。

非驱动侧轴承：水平28.37 μm，垂直4.93 μm。

驱动侧轴承： 水平 8.37 μm，垂直2.96 μm。

4 结论

EDL水轮发电机组是浙富首次设计制造的40 MW以上的高转速大型卧式水轮发电机组，其业绩在国内名列前茅，研发人员从机组的轴系、定子、转子、轴承等部件的结构设计及安装维护等诸多方面进行了全面的技术攻关。

通过对发电机结构的优化、创新，EDL机组的设计、制造及安装得以顺利推进，并按期顺利投入商业运行。机组投产后，发电机运行稳定，各性能参数、温度及振动等指标均满足设计规范及合同要求，其设计经验可以为更多高转速大型卧式水轮发电机组的设计提供借鉴。