摘要：高转速水轮发电机在设计和制造技术上都存在很大难度，主要以某水电站80 MW-600 r/min 发电机为例介绍了高转速水轮发电机的设计和制造特点,对该水轮发电机在定子、主轴、磁轭、磁极、轴承、机架、防振支撑及通风系统等方面的设计、制造及所采用的东芝先进技术进行了说明。为今后类似水轮发电机的设计和制造提供借鉴。

关键词：高转速水轮发电机；结构设计；电磁设计]

0 前言

     该水轮发电机装于宝兴河流域梯级开发的龙头水库电站，电站采用引水式开发，地下厂房，工程任务为发电。电站厂址位于雅安地区宝兴县。电站总装机容量240 MW，装设3 台单机容量为80 MW的立轴混流式水轮发电机组。该水轮发电机采用了许多先进的水轮发电机组设计和制造技术。本文将重点介绍该电站发电机设计和制造特点。

1 发电机主要技术数据

型号： SF80- 10/4160

额定容量： 88.89 MVA

额定功率： 80 MW

额定电压： 13.8 kV

额定电流： 3 718.8 A

额定功率因数： 0.9(滞后)

绝缘等级： F/F ( 定子/ 转子)

额定转速： 600 r/min

飞逸转速： 960 r/min

转动惯量： ≥650 t·m2

额定励磁电压： 220 V

额定励磁电流： 807 A

通风冷却系统： 密闭循环、轴向风扇自循环

通风冷却系统

2 发电机电磁设计

     电磁设计主要数据（计算值）如下：

     定子铁心外径4 160 mm；定子铁心内径3 300mm；定子铁心高度1 902 mm；纵轴同步电抗Xd (标幺值)1.044；纵轴瞬变电抗Xd’（ 标幺值）0.315；纵轴超瞬变电抗Xd”（标幺值）0.187；短路比>1.0。

3 总体结构

      发电机为立轴悬式、三相凸极同步发电机，采用密闭循环、轴向风扇自循环通风及空气冷却的形式。发电机主要由定子、转子、上下机架、上下导轴承及推力轴承、制动和顶起系统、灭火系统、空气冷却系统、自动化系统等组成。见图1。

4 结构设计和安装特点

4.1 定子

      定子由定子机座、定子铁心、定子绕组等组成。定子机座整体结构，铁心叠装和绕组下线在工地进行。

      发电机定子机座为正12 边形，机座对边尺寸为5 300 mm，机座高3 050 mm。机座设顶环、上环、中环及下环（大齿压板），环间沿圆周布置加强立筋、支撑管和导风板。定子机座内腔及大齿压板在工厂加工。上齿压板采用分块式结构。上、下齿压板的压指及通风槽钢均采用非磁性材料，以减小漏磁损耗。定子机座与基础板采用径向销定位，允许定子机座受热膨胀时径向自由移动。

      定子铁心由0.5 mm 厚的50W270 硅钢片在现场叠压、分段压紧而成。定位拉紧螺杆采用特殊的与定位筋合为一体的结构。合适的鸽尾筋数量、适当的定子机座刚性结构，使定子铁心能与机座同步膨胀而不会变形翘曲。

      定子绕组为双层条式波绕组、2 支路星形连接。绕组绝缘等级为F 级。定子线棒采用槽内360°罗贝尔换位，以降低附加损耗和均衡线棒中股线间的温差。上、下层线圈端头采用分3 组对接银焊的结构。

     4.2 转子

      转子采用单轴结构，由主轴、磁轭和磁极等部件组成。转子的设计充分考虑该机组高转速的特点，各零部件的强度及刚度均能得到保证。发电机主轴采用分段锻造，再焊成一体的结构，材质为20SiMn；其中部与转子磁轭在工厂热套成一体；上部与推力头现场套装，通过卡环承受轴向负荷，通过轴向键传递转矩；主轴下侧设滑转子与下导轴承相配，下部法兰与水轮机轴相连。

     磁轭采用高强度环形厚钢板叠压后焊成一体结构，在数控车床上精确加工内圆以及外周T 尾槽。磁轭整体加工完成后在工厂采用小过盈热套在发电机大轴上，一体运输。磁轭与主轴通过周向均布的5 组T 型键传递扭矩，顶转子时由卡环轴向限位。这种磁轭具有结构简单，整体性好，安装方便等优点。磁极由磁极铁心、阻尼绕组及套于铁心的磁极线圈组成。

      磁极铁心由1.5 mm 厚的高强度薄钢板叠压而成，并用拉紧螺杆压紧。铁心设双T 尾挂装在磁轭上，可满足高转速下高应力的需要。磁极端板采用高强度厚钢板焊接而成。磁极线圈由两种宽度不同的半硬紫铜排焊接而成。这种线圈由于表面有凸出的散热匝，可成倍增加其散热面积,从而降低线圈的温升，且线圈的形状规整。线圈匝间垫以Nomex 绝缘纸，与铜排热压成一体。线圈对地绝缘除了极身绝缘外，在极身四周角部设置角绝缘。磁极线圈上部除了设有上绝缘法兰，还设有不锈钢滑动法兰，以适应磁极线圈热膨胀作用下的滑动，防止匝间绝缘损坏；下部设有下绝缘法兰和铁法兰。同时为了克服线圈在离心力作用下产生的侧向分量，在极间设置3 组线圈支撑。详见图2。

     磁极采用双T 尾挂装方式。在磁极铁心上下两端T 尾各打入一对短楔形键将磁极楔紧在磁轭上，并用压板锁定楔形键，这种结构磁极键拆装方便。转子设有纵、横阻尼绕组。阻尼环采用销子可靠地固定于磁极端板上，阻尼环连接采用软连接，并通过非磁性拉紧螺杆可靠地固定在磁轭上，以承受离心力的作用。磁极的上部极间引出线通过内穿式下部引出，并采用与下部极间引出线相同的方式固定在磁轭上，以承受离心力的作用。励磁引线由铜排制成，通过布置在磁轭上端的励磁引线及轴内励磁引线沿发电机大轴接至集电环。

4.3 轴承

      推力轴承及上导轴承布置在上机架中心体油槽内，分别承受机组轴向负荷和一部分径向负荷。推力头与主轴采用热套结构，推力头在现场与镜板用螺栓连接后，热套于发电机主轴上。

      推力轴承采用东芝典型支撑结构，推力轴瓦由小弹簧簇支撑，这种结构具有性能可靠、瓦间受力均匀、瓦变形小、抗倾覆能力强以及安装维护方便等优点。推力轴承由9 块扇形瓦组成。推力轴瓦采用塑料瓦。推力瓦支撑面为面接触，可有效减小瓦面的机械变形。支撑弹簧和各塑料瓦由工厂加工保证精度，现场不需作推力瓦受力调整。

      推力及上导轴承采用镜板泵自循环外置油冷却器冷却的方式，冷却循环油的油压由旋转着的推力头上的孔产生，油通过油管进入油冷却器冷却后，再经油管回到油槽，冷却推力瓦及上导瓦后再进入镜板泵循环。此结构无需提供外加动力，维护方便。

      上导轴承由为分块瓦结构，瓦面为巴氏合金。导轴承采用支柱支撑结构，瓦的背面有球面支承柱，该结构在运行时导瓦能灵活偏转，导瓦支撑的调整具有方便、可靠、准确等优点。推力头的外周面作为上导轴承瓦的摩擦面。

      下导轴承也为分块瓦结构，瓦面为巴氏合金，支撑结构与上导相同。下导轴承采用内循环润滑冷却方式，油槽内设两个半环高效油冷器。导轴承支撑结构见图4。

       4.4 机架

      上机架为负荷机架，采用整体焊接结构。它由中心体和6 条支臂组成。中心体作为推力及上导油槽使用。上机架用销钉定位，并通过螺栓把合在定子机座上，上机架承受垂直负荷，并经定子机座传递至基础。上机架还承担因转动部件的径向机械不平衡力和径向电磁不平衡力以及径向的热膨胀力，并通过切向防振支撑将径向力转为切向力传递至基础。上机架的设计具有足够的轴向和径向刚度。

      下机架为上下两圆盘式整体结构。中心体作为下导轴承的油槽使用。制动器放置在上圆盘支臂上。整个下机架通过连接板固定在下机架基础上。下机架还承担因转动部件的径向机械不平衡力和径向电磁不平衡力，并通过径向防振支撑传递至基础。下机架具有足够的轴向和径向刚度，并且结构上可以从定子铁心内径取出。

     4.5 防振支撑

      防振支撑的径向刚度对轴系的稳定性非常重要，上机架防振支撑采用了切向支撑结构，通过有限元分析计算整个上机架系统的径向刚度。下防振支撑采用支柱式支撑结构，预紧力的调整非常方便。下防振支撑弹性体为弹性板结构，这种结构在满足径向刚度要求的同时还具有一定的弹性，能减轻机组的振动。

5 通风及冷却系统

      发电机采用密闭循环，双路轴向风扇，自通风冷却方式。

     由于本发电机转子尺寸小，转子磁极本身产生的风量不能满足冷却要求。在磁轭上、下两端采用了风损小、风压平稳、噪音小的轴向风扇。

      定子机座外装设6 只空气冷却器。空冷器为LTS 薄片胀管式空气热交换器，该结构具有风阻低、传热效率高、用水量少、清洗方便等优点。当一台空冷器退出运行时，能满足发电机额定运行。

6 结束语

     该水轮发电机是通过引进东芝在高转速、大容量机组方面的先进技术及结合国内高转速机组使用经验的基础上完成的。自2006 年12 月首台机组投运以来，目前3 台水轮发电机均运行稳定，性能良好，发电机定转子温升，振动及摆度均满足合同要求。为今后类似的高转速、大容量水轮发电机的设计和制造提供借鉴。