秘鲁Quitaracsa电站高转速大容量发电机设计特点

黄剑奎，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

Quitaracsa水电站（以下简称Q电站）位于秘鲁Santa河的主要支流Quitaracsa河流最后1/3的河段上，电站为地下厂房，安装2台单机额定出力为56MW、额定转速为720r/min的高转速立轴冲击式水轮发电机组，于2015年11月顺利投入商业运行。

该电站发电机是浙富公司当期设计制造的难度最大的高转速大容量常规水轮发电机。

目前国内高转速大容量常规发电机的业绩并不多，但随着我国西藏等高海拔和高水头水力资源的进一步开发，更多大容量的高转速发电机将要面世，提前进行该方面的技术研究和技术储备是各制造厂家的当务之急。

高转速大容量发电机由于受结构设计、材料强度和制造难度的制约，该类发电机很容易出现上下机架振动偏大、轴摆度超差、转动部件强度不足及轴承温度和定转子温度过高等而导致的发电机重大问题。Q电站发电机的设计充分吸取了国内外高转速大容量发电机这些方面的经验，主要从本文中总结的发电机结构上的几大技术难点等方面进行攻关，并对核心部件的刚强度及模态、轴系、通风及温度等进行了全面的有限元分析，最终比较好的解决了困扰高转速大容量发电机的这些技术难题。

1 发电机主要技术参数

发电机型号：SF56-10/3570

额定容量：66MVA

额定电压：13.8kV

额定电流：2756A

额定频率：60Hz

额定转速：720r/min

飞逸转速：1330r/min（最大）

励磁方式：自并激可控硅静止励磁

定子铁心内径：2750mm

定子铁心长度：2080mm

发电机 GD2：≥ 245t·m2

旋转方向：俯视逆时针

2 发电机总体结构

发电机为三相凸极同步发电机，采用了立轴悬式轴承布置、密闭循环自通风的空气冷却方式。

发电机主要由定子、转子、上/下机架、推力轴承、上/下导轴承及径向防振支撑等部件组成，断面图如图1所示。

图1 发电机断面图

3 发电机结构设计的难点及特点

由于Q电站发电机的最大飞逸转速达到了1330r/min，在66MVA这样的容量下，发电机定子铁心内径无法做得太小，优化后的定子铁心内径还是达到了2750mm，因此飞逸转速下转子周速高达191m/s。这样的周速远高于一般的常规水轮发电机，这给发电机的结构设计带来了很大的困难。

Q电站发电机的设计难度，可以用发电机结构设计的难度指数K来说明，即K=SN×nR2×10-6，式中SN为发电机的额定容量（MVA），nR为机组最大飞逸转速（r/min）。K值越大，发电机的设计及制造难度也越大。表1统计了2000年以后国内厂家比较典型的高转速大容量发电机的K值对比，从表1中不难看出，Q电站发电机的结构设计和制造难度还是名列前茅的。

3.1 结构设计难点

（1）发电机轴系

Q电站发电机设计的难点首先是发电机轴系的设计，即机组临界转速需要保证有足够的安全裕度。为了满足合同规定的最大飞逸转速的1.25倍以上的要求，一阶临界转速必须要达到1663r/min以上，这对机组轴系及其轴系支撑的刚度提出了很高的要求，发电机的轴系、转子和上下机架及径向支撑等都需要做特别的结构设计和结构强化。

表1 高转速大容量常规水轮发电机结构难度指数统计表

（2）发电机转子相关

由于转子飞逸时的外周速非常高，磁极和磁轭的离心力非常大，磁极需要采用特殊的固定方式，磁极和磁轭的材料也都要采用非常规水轮发电机使用的高强度材料；针对磁极线圈在高转速时容易出现的变形问题，线圈必须采用可靠的支撑，同时线圈的材质也应根据需要适当提高强度等级。

（3）发电机通风系统

发电机定子铁心高度超过了2m。为了确保轴向风扇通风结构下的定、转子各部位风量的合理分配，需要用专门开发的通风分析软件并结合大量的电站业绩成果进行解析计算，同时进行必要的温度分布计算。其计算结果用于指导发电机风扇和各风路结构的合理设计。

（4）发电机轴承相关

Q电站发电机推力轴承的重心周速非常高，额定转速时的PV值高达950；另外，飞逸转速时轴承重心周速更是达到了60m/s，这样的周速对采用镜板泵结构的推力轴承来说，油槽内壁的结构及油面高度的设计非常重要，设计不当很容易导致镜板泵性能在转速上升过程中失效而导致推力轴承发生烧瓦的事故。

另外，由于轴承的高周速，导致油雾量非常大，因此，防油雾对策也需要特别的应对。

3.2 发电机主要部件的结构特点

3.2.1 定子

组成定子的机座、铁心和线圈为常规结构，因为线棒端部尺寸长而采用了双端箍结构，以减少线棒端部的振动。

（1）定子机座

定子机座为十二边形结构，分2瓣运至工地，螺栓把合。由于不需现场焊接，机座在现场组圆的精度更容易得到保证，同时可以大大缩短安装工期。

图2 定子机座

（2）定子铁心

定子铁心在现场整圆叠装。这种整体结构的定子铁心无接缝，刚度好，运行中的铁心振动小；同时圆度容易得到保证，无槽底错位，整体性质量精度高。

铁心采用0.5mm厚的低损硅钢片叠压制成，为了减少端部漏磁导致的过热，端部铁心的齿部采取了开槽等措施加以应对。

定子铁心的压紧防松采用高强度碟簧结构，使多年运行后铁心漆膜的收缩可得到补偿，铁心仍可保持一定的安全面压，这种结构对高转速大容量发电机来说非常必要，可保证发电机定子铁心长期运行后不松动。

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，较普通的鸽尾定位槽有更强的抗翘曲能力。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。

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）定子线圈

图3 定子铁心定位结构

定子绕组为双层条式波绕组、2支路星形连接。线棒采用了槽内罗贝尔换位及端部分组的连接方式，以降低附加损耗并减小线棒股线间的温差。

定子槽楔采用成对的楔形槽楔+楔下波纹垫条结构，该结构不仅槽楔打紧简单方便，还能借助波纹垫条的预紧弹力，确保机组运行多年后线圈能够保持有足够的压紧力，防止线棒松动。

3.2.2 转子

转子由上端轴、磁轭、下端轴及磁极等组成。为确保轴系刚强度的需要，发电机设计为由上、下端轴和整体锻造磁轭构成的轴系结构，整锻磁轭的结构也被应用于技术难度更大的老挝谢攀发电机（参见表 1）。

（1）转子磁轭

磁轭由高强度合金钢整锻而成，重达46t，该材料屈服强度高达690MPa。为降低应力水平，磁极的固定沟槽采用了45°双鸽尾结构，由于鸽尾槽的加工精度要求非常高，因此加工难度非常大，磁轭是发电机加工难度最大的部件。磁轭结构如图4所示。

图4 磁轭

（2）磁极

磁极铁心由高强度专用冷轧磁极板冲片叠成，铁心设置侧板以减少磁极压板分担的离心力，从而将磁极压板的最大应力降低在一个合理水平，以降低磁极压板材料的采购难度。

另外，由于结构强度的需要，磁极铁心采用了45°双鸽尾固定结构，这种结构具有：①相对60°常规单鸽尾结构，双鸽尾的承载能力大；②相对双“T”尾结构，磁极固定部位的尺寸大大缩短，同等条件下，能有效减小磁轭的应力。这种磁极的固定结构特别适用于高转速大容量的发电机，尤其是需要考虑疲劳设计的正反向旋转的发电电动机。

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，这种结构对通风条件苛刻的发电机来说尤为重要。

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。虽然向心结构的磁极理论上线圈的离心力切向分量很小甚至为零，但依然不能避免磁极线圈变形被甩出的严重事故。Q电站发电机的矩形磁极线圈结合通风方式采用了轴向风阻小、支撑结构简单可靠的抱箍支柱式支撑结构。

图5 磁极

此外，对高转速发电机来说，磁极线圈极间引出线的引出和固定方式设计的可靠与否也是至关重要的，Q电站发电机磁极线圈的上部极间引出线采用了内部引出结构，这种结构的磁极线圈虽然制作工艺复杂，制造难度大，但彻底解决了高转速发电机磁极引出线的应力高及固定困难的问题。

3.2.3 上机架、推力轴承、导轴承

（1）上机架

上机架为负荷机架，用于承担机组转动部件产生的全部轴向和部分径向载荷，由中心体和6条支臂组成，并通过螺栓固定在定子机座上，同时在支臂末端通过防振支撑与机坑内壁的基础相连。

图6 上机架和径向支撑

高转速大容量的悬式发电机上机架的主要问题点在于上机架的轴向和径向刚度上。由于Q电站机组的飞逸转速非常高，通过对轴系及上下机架的FEM解析计算，对上机架及径向防振支撑的结构进行了必要的优化设计，以确保上机架的水平和垂直方向的振频均能有效避开机组的转频，避免上机架发生有危害的剧烈振动。

在针对有效减小径向和轴向振动的对策上，上机架采用了盒形支臂及具有阻尼特性的径向防振支撑，电站的监控数据表明发电机的运行非常稳定，各部位振动均在设计范围内。关于高转速发电机径向防振支撑的重要性和结构的发展动态下文有特别介绍。

（2）推力轴承

推力轴承共有10块扇形瓦，由结构简单的弹性圆盘支承，弹性圆盘与瓦坯呈环型面接触，可有效减少瓦面受力后的机械变形及热变形的叠加。弹性圆盘和各推力瓦由工厂加工保证精度，现场不需作推力瓦受力调整及推力瓦刮瓦。

图7 推力轴承

由于冲击式水轮发电机组的轴向水推力相对推力轴承的总推力负荷来说是非常小的，即启动阶段和运行阶段推力轴承的负荷变化很小，因此，推力轴承在启动阶段的运行条件是很不利于油膜的形成的，故设置了高压油顶起装置，以确保推力轴承开停机阶段的安全可靠运行。

（3）推力头

为了防止发电机轴电流的产生，采用了绝缘式推力头结构，即在推力头部位设置绝缘来切断轴电流回路，这种结构的推力头绝缘由于不受油雾污染，提高了可靠性，属于终身免维护结构。但这样的绝缘结构需要精心的制作和严格的品质管理才能确保产品满足设计要求。另外，设计上针对高转速还充分考虑到了离心力等因素对绝缘紧量的削弱，进行了准确的热紧量分析计算，避免这种削弱导致的推力头内外环的松动。

（4）导轴承

导轴承采用楔形板可调中心支撑结构，瓦的背面有球面支承柱，该结构在运行时能自动产生偏心。

针对冲击式机组的多喷嘴运行工况，导轴承载荷的计算还应考虑喷嘴不对称运行时的最大横向水推力，以确保导轴承的安全可靠运行。

（5）润滑油循环冷却

推力轴承及上导轴承油槽的润滑油采用了镜板泵外循环方式，冷却循环油的油压由镜板径向斜孔产生，镜板泵泵出的润滑油冷却上导轴承后，通过管路压入外置的油冷却器进行冷却，冷油再经管路流回到推力轴承油槽，冷却推力轴承。另外，在油槽内还采取了有效的导油措施，以改善油的循环路径，使推力瓦和上导瓦均能得到充分的冷却。这种油循环由于是自泵方式，不仅提高了可靠性，还因无外加泵而简化了设备及维护；同时油冷器采用外置式也简化了油槽的结构，油冷器的检修维护也变得非常简单方便。

另外，下导轴承则采用了内置的蛇管冷却方式。

3.2.4 上、下机架的防振支撑

对高转速发电机来说，设置导轴承机架的防振支撑非常重要，这是提高上、下导轴承径向支撑刚度的有效措施，尤其是Q电站这种临界转速要求特别高的水轮发电机组。

Q电站发电机采用了我们最新研制的阻尼式径向防振支撑，该支撑所采用的阻尼材料具有高频载荷下刚度大而低频载荷下刚度弱的特点，因此，这种新型的阻尼式径向防振支撑既能有效地承载导轴承的高频载荷（主要为电气和机械的不平衡力及偏嘴运行工况下的水力不平衡力），也能阻尼轴承机架产生的超低频载荷（主要为轴承机架温度升高产生的热膨胀力），换言之，该支撑的应用既能确保轴系所需的高支撑刚度，也降低了径向防振支撑所带来的土建设计难度。

另外，新的支撑结构简单、安装方便，特别适用于结构紧凑的高转速机组，提高了电站检修维护的便利性。随着Q电站的投运，该支撑结构得到了考验，现已推广到更大容量的高转速机组谢攀电站上应用。

4 结论

Q电站水轮发电机是为数不多的设计难度高的机组，不仅在轴系、转子、轴承、通风及上下机架防振等方面需要克服超过设计限界的难题，还需要应对诸如轴承有水飞逸无损运行30min等苛刻的设计条件。

通过对发电机结构的优化、创新及导入新的分析验证手段来提高发电机的可靠性，避免了高转速大容量发电机容易出现的上下机架振动偏大、轴摆度超差、转动部件强度不足及轴承温度和定转子温度过高等问题的发生。2台机组投产后，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高转速、更大容量的水轮发电机设计提供借鉴。