大容量水泵電動機的開發設計蜀山泵站TLKS7500-48

付佩賢

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

引江濟淮工程由長江下游上段引水，向淮河中游地區補水，是一項以城鄉供水、發展江淮航運為主，結合農業灌溉補水和改善巢湖及淮河水生態環境等綜合利用的大型跨流域調水工程，是集供水、航運、生態等效益的一項水資源綜合利用工程。工程由引江濟巢、江淮溝通、江水北送三段組成。蜀山泵站樞紐位于江淮溝通段，樞紐由泵站、船閘組成。

蜀山泵站樞紐工程級別為Ⅰ等大(1)型，樞紐主要建筑物為1級建筑物；設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為300年一遇。

蜀山泵站設計裝機8臺套，水泵為3430HLQ-40型立式全調節導葉式混流泵，配套電動機為TLKS7500-48型立軸懸式三相同步電動機，單機功率7 500 kW，額定電壓10 kV，額定轉速125 r/min。泵站總裝機功率60 000 kW，是引江濟淮工程梯級項目中單機容量和總裝機容量均最大的泵站。

1 電動機主要參數

1 結構形式 立軸懸式

2 電機型號 TLKS7500-48

3 額定功率 7.5 MW

4 額定電壓 10 kV

5 額定電流 501.2 A

6 額定頻率 50 Hz

7 功率因數 0.9

8 額定轉速 125 r/min

9 飛逸轉速 250 r/min

10 轉動慣量 400 t·m-2

11 冷卻方式 IC 81W

12 安裝形式 IM8425

13 推力負荷 232 t

14 勵磁電流 362 A

15 勵磁電壓 187 V

16 相數 3

17 定子接法 Y

18 Ist/In 5.49

19 Mst*0.566

20 Mpi*1.285

21 額定效率 95.84%

22 工作制式 SI

23 絕緣等級 F級

24 溫升等級 B級(考核)

25 防護等級 IP44

26 旋轉方向 俯視順時針

27 冷卻方式 密閉自循環

28 勵磁方式 靜止可控硅

29 起動方式 全壓直接起動

30 工作方式 連續額定運行

2 電動機總體結構優化

根據技術合同要求，本項目電動機采用外置機架，即上機架高出電機層，外露在安裝間地平面之上。在總體方案正式設計時，針對該項目廠房情況，通過精細化分析計算，確認在不改變廠房接口尺寸的情況下，亦能采用內置機架，即上機架下沉至地平面之下，該優化方案具有如下優點：

2.1 電機感觀質量改善。電機主體和油水管路均封蓋至電機層之下，僅外露頂端的圓形滑環罩，該布置方式在大型立式水電項目上得到了廣泛的應用，具有廠房簡潔、美觀，日常維護工作量小的優點。

2.2 電機運行穩定性提高。電機主體高度由5.4 m調整至4.7 m，電機軸系縮短，降低機組運行時的振動、擺度，延長機組使用壽命。

2.3 顯著的經濟效益。通過優化，提高機組性能的同時，還減少了不必要的材料累加，節約了生產制造成本，具有顯著的經濟效益。

3 電動機結構簡介及設計要點

電動機為立軸懸式結構，設有兩個導軸承。上導軸承在上機架中心體內，與推力軸承合用一個油槽；下導軸承布置在下機架中心體內。電動機主要由定子、轉子、上機架、下機架、油水管路、制動器管路、空氣冷卻器裝置等組成，如圖1所示。

圖1 電機安裝示意

3.1 定子結構設計

定子由鐵心支架、鐵心及線圈等組成。定子鐵心支架采用不分瓣結構，在廠內疊片、嵌線、真空浸漆及裝配試驗等。

鐵心支架由優質鋼板焊接而成，其頂板與承重機架相連，底板與下機架相連。為了加強鐵心支架的強度及固定鐵心，在頂環與底環間設計了3道環板和大量筋板。鐵心支架外壁的6個方孔，是風路循環的重要通道。

定子鐵心所用半導體材料具有導磁性能好，損耗小的優點，交錯地疊制而成。在軸向方向把鐵心分成數段，段間用通風槽板隔開，以形成通風溝，(讓上下兩端的冷風經上、下擋風板進入電機內部冷卻線圈和鐵心，然后經鐵心支架壁上的孔進入空水冷卻器)，鐵心兩端設有壓圈和壓指。通過螺桿將鐵心拉緊。

定子繞組為圈式疊繞組，采用F級絕緣，股線用云母銅線2S2MN70-5F。定子絕緣采用10 kV F級VPI絕緣。定子繞組采用Y形連接，共有六根引出線，主引線和中性點引線各三根，均布置在+Y偏-X 30°方向。電動機采用磁平衡差動保護。

定子裝有測溫元件，用以監視定子繞組和鐵心的溫度。

3.2 轉子結構設計

轉子采用凸極式，轉子由磁極、磁軛、電機軸、風葉等組成。

電動機的轉子及同軸連接的轉動部件，在停機過程中允許反向旋轉，在最大反向轉速(2.0倍額定轉速)下，轉子能安全運行2 min。

磁極由鐵心、線圈、起動繞組和鉚釘組成。磁極鐵心由優質Q235A薄鋼板沖制，并疊壓而成。線圈的材質為TMRD，繞制后，每匝間墊有匝間絕緣。起動繞組由阻尼條與阻尼環組成。

磁軛圈為優質中厚鋼板，與圓盤和鍛制軸套焊接成整體，磁軛與電機軸之間采用過盈配合，它是支撐磁極，傳遞力矩的主要部件。主軸采用優質45#合金鋼鍛制而成，具有足夠的強度和剛度，是連接水泵和電動機的關鍵部件。

磁軛上下兩端設置有增加風壓的風葉，機組運行時，風葉強迫冷風去冷卻定、轉子線圈和鐵心，風葉是整個風路循環的重要動力源。

在轉軸的非拖動端裝有滑環、刷架，通過靜止可控硅勵磁裝置向磁場繞組提供勵磁電流。

3.3 上機架結構設計

上機架是電動機的負荷機架，它是用來支撐整個機組軸向負荷的部件，它由一個中心體和6條支臂組成，采用鋼板焊接而成。上機架中心體內組合安裝推力軸承和上導軸承，上機架的6條支臂與定子鐵心支架的6塊墊板相連，其連接定位由螺栓和銷釘來保證。

推導組合軸承安裝于上機架中心體內，由推力頭、鏡板、推力瓦、上導瓦、擋油筒、油冷卻器等組成。

推力瓦的摩擦面為復合材料，多塊呈環形布置，采用帶有柔性托盤的剛性支撐，該結構能自動形成油膜和獲取優異的運行狀態。鏡板為鍛鋼件，用螺栓和圓柱銷固定在推力頭上。推力瓦內均裝設有鉑熱電阻測溫裝置，推力瓦溫度優于國家標準。

導軸承裝配由支承座、巴氏合金瓦和瓦支撐件等組成。軸瓦的油膜的大小可通過調節支柱螺釘獲得。導瓦內裝設有鉑熱電阻測溫裝置，以時時監測軸瓦溫度。

推力軸承及導軸承均對地絕緣，以預防軸電流燒壞軸承。

油冷卻器為內置式，由多根冷卻管組成，冷卻水工作壓力為0.2～0.3 MPa，通過合理的內部設計，使得油路循環暢通、冷熱分區明顯，確保軸承溫度得到充分冷卻。

3.4 下機架結構設計

下機架也是由厚鋼板焊接而成的輻射型機架。機架的中心體內裝有下導軸承和油冷卻器。下導軸承由導軸瓦、支柱螺釘、鎖定螺母、鎖定片等組成。下導軸承油膜的大小可通過調節支柱螺釘獲得。導瓦內裝設有鉑熱電阻測溫裝置，以時時監測軸瓦溫度。

油冷卻器也為內置式，由多根冷卻管組成，冷卻水工作壓力為0.2～0.3 MPa，通過合理的內部設計，強迫熱油冷卻后再進入軸瓦。

機組運行時，下機架承受電動機全部重量、水泵轉動部分及水推力軸向重量，軸向負荷超過300 t。為確保機組在各種受力狀態(額定工況、半數磁極短路、三相突然短路、停機后頂轉子和剎車制動等五種工況)下的安全性可靠性，技術人員對下機架進行了三維建模有限元強度分析(見圖2)。分析結果顯示，下機架最大變形值僅0.878 mm，優于規范要求的1.5 mm限值，機架局部最大應力值(三相突然短路時)為186.38 MPa，亦滿足Q345材質的使用應力要求。

圖2 機架三維建模

3.5 通風方式(見圖3)

(1)機組采用雙路、徑向、密閉、自循環空氣冷卻通風系統，屬于我公司成熟結構。

圖3 電機風路方式

(2)該結構具有風路短、風阻小、無循環死風區等優點，能最大限度帶走機組運行時所產生的熱量，有效控制機組溫升。

(3)機組運行過程中，風路按如下路徑循環：冷空氣(來自空冷器)-冷卻轉子磁極-冷卻定子鐵心和線圈-熱空氣進入空氣冷卻器-冷空氣。

3.6 其他

(1)上、下機架裝有多功能液位變送控制器，既可用于實地觀察油位，又可用模擬量和開關量輸出報警。

(2)電機配備測速儀表裝置及傳感器，在滑環上方安裝測速盤，測速元件安裝固定在靜止的電機頂罩上。

(3)電機采用具有恒壓彈簧的刷握，既能保持碳刷在使用中有恒定的壓力，又能方便的更換碳刷。滑環材料采用1Cr18Ni9，其表面粗糙度為1.6。配備碳刷盤、防護罩，防護罩采用卡扣式，方便開啟。

(4)每臺電動機裝設一套空氣操作的機械制動裝置，當電動機轉速下降到30%額定轉速時投入。制動器為單缸雙活塞結構，缸體分為三個腔，三個內腔分別與進氣制動、進氣復位和高壓油管相連，使得油氣分離、衛生美觀；制動器兼作液壓頂車裝置，機組長時間停機后，需在開機之前拆卸、調整、檢修推力軸承時，靠液壓供油頂起水泵電動機轉動部分(含電動機轉子重量及水泵轉動部分重量)并可靠鎖定，在完全頂起或中間任何位置上鎖住轉子。

(5)電動機裝有電加熱器，機組停機后通電保溫，去除潮氣，保持電動機良好的絕緣水平。

(6)電動機的測溫：定子繞組和鐵心分別設置12個測溫元件。每塊推力瓦和上、下導軸瓦各設1個，上下機架油池內各設2個測溫元件。測溫元件采用鉑熱電阻Pt100，以監測電動機各部分的運行溫度，其引線集中于接線盒內。

(7)電動機設置微機勵磁裝置，采用靜止可控硅勵磁。

4 社會效益及經濟效益

引江濟淮工程系列項目，是集供水、航運、生態等效益的一項水資源綜合利用工程項目。其中，蜀山泵站是系列項目中單機容量和總裝機容量最大的泵站。作為國內電動機行業龍頭企業，公司依托自身強大的科技研發能力和先進的裝配制造能力，積極的承擔國有企業在國家經濟發展過程中應盡的責任，具有顯著的社會效益。

作為公司在國內承接單機容量最大的水利項目，蜀山泵站電動機的成功開發，將為公司今后國內市場拓展積累必要的技術儲備。