巨型水輪發電機組定轉子擋風板結構淺析

朱晨陽，董鐘明，周玉國

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 引言

大型空冷式水輪發電機組擁有1 套完整的密閉循環通風冷卻系統，主要由轉子支架、轉子磁極、轉子磁軛、空冷器擋風板等部件共同組成，可以有效防止轉子與定子運行過程中溫度過高，保證機組的安全穩定運行。

擋風板是發電機通風冷卻系統中的1 個重要部件，其安裝在發電機定轉子上、下方，主要作用是減少定子與轉子空氣間隙處的漏風量，從而增加通風循環系統的密閉性，使發電機產生的熱風基本全部通過空冷器進行冷卻，冷卻后的冷風再次進入轉子磁極、定子鐵心，降低轉子磁極、定子鐵心溫度。倘若擋風板結構設計不當，可能會造成如下安全隱患：通風冷卻無法充分循環、空氣間隙處漏風過大，通風效率低，從而導致定子鐵心、線棒溫度升高；擋風板及其緊固螺栓可能斷裂，若進入定轉子間隙，損壞定轉子，造成機組非正常停機。

2 巨型水輪發電機組擋風板結構簡介

巨型水輪發電機組擋風板一般安裝在上機架、定子、轉子、下機架、基礎等部件上，根據運行方式不同，可將擋風板分為兩種類型，即：旋轉式擋風板和固定式擋風板。根據擋風板與轉子相對安裝位置不同，可將擋風板分為上擋風板和下擋風板。

2.1 旋轉式擋風板

旋轉式擋風板主要由定子圍屏、定子擋風板、轉子擋風板3 部分組成。定子圍屏、定子擋風板均安裝在定子鐵心上下壓指上，轉子擋風板通過螺栓固定安裝在轉子磁極外側。該結構安裝質量要求較高，定轉子擋風板的間隙值、錯牙及螺栓扭矩值均要求嚴格；受轉子磁場和機組振動影響，定子圍屏、定子擋風板易出現裂紋，連接螺栓易出現磨損甚至可能斷裂，斷裂螺栓對定子線棒將造成不同程度的損傷，存在很大的安全隱患。

2.2 固定式擋風板

固定式擋風板分為上下2 個部分，將轉子磁極、定轉子空氣間隙、部分轉子磁軛一起封罩，形成發電機通風通道。擋風板通過吊桿和壓塊螺栓固定，擋風板之間通過組合縫螺栓連接，其重量主要由吊桿和環形工字鋼支撐。該結構將發電機整個轉子磁極、定轉子空氣間隙及部分轉子磁軛封罩住，形成良好的通風通道，具有通風效率高、轉子上方螺栓等金屬不易掉入定轉子間等優點。

3 巨型水輪發電機組定轉子擋風板通風計算

3.1 通風計算簡述

水輪發電機通風冷卻技術不斷發展的根本目的，在于更有效地帶走發電機內因各種損耗產生的熱量，從而控制發電機的溫升，提高發電機的安全性和效率。目前大容量機組都采用全空冷技術。由于空氣在電機內流動的復雜性，以往借助實驗手段校驗計算結果。

通風冷卻的設計目標是保證必需的冷卻風量；風量分配合理，防止過熱；減少損耗，提高效率。全空冷是指定子鐵心、定子繞組、匯流銅環、轉子繞組、轉子鐵心均為空氣冷卻。目前大型水輪發電機基本上都采用無風扇雙路端部回風系統，冷卻空氣在轉子支架、磁軛、磁極旋轉產生的風扇作用下進入轉子支架入口，流經磁軛風隙、磁極極間、氣隙、定子徑向風溝，冷卻氣體攜帶發電機損耗熱經定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經定子線圈端部進入轉子支架，構成密閉自循環通風系統。該系統又可細分為固定擋風板和旋轉擋風板兩種結構，它們的區別主要是在上下兩端空氣密封方式所采用的擋風板固定方式有所不同，本文通過對兩種形式的擋風板進行通風計算對比，比較兩種擋風板通風效率。

3.2 擋風板安裝方案

電機冷卻系統結構及尺寸不變，只改變擋風板的結構形式進行通風計算。

3.3 擋風板通風計算

3.3.1 計算方法及過程

我們根據機組的結構，確定了計算網絡，其中包括轉子支架、磁軛、磁極的壓力元件及風阻元件，定子入口、出口風阻元件，冷卻器等風阻元件。網絡中，在面積不變，損失系數與流體方向無關的情況下，對于等溫不可壓縮流體，壓力/流量方程可寫成：

其中V=m/pA

根據電機中的風路特點，質量流量與節點壓力的關系可寫成公式：

在通風網絡和每個節點上有若干個元件的網絡支路，可給出每個節點的質量流量的和，建立線性方程用于建立矩陣，進行求解。電機冷卻系統結構及尺寸不變，只改變擋風板的結構形式進行通風計算。

3.3.2 計算結果

計算結果見表1。

表1 兩種擋風板形式通風計算結果

3.3.3 計算結論

電機冷卻系統結構及尺寸不變，只改變擋風板的結構形式進行通風計算，固定式擋風板漏風量較旋轉式擋風板大大減少，降低了機組的通風損耗，固定式擋風板結構在通風計算中通風損耗等方面優于旋轉式擋風板。

4 巨型水輪發電機組固定式擋風板結構優化

4.1 原有固定式擋風板結構分析

固定式擋風板分為上下兩個部分，將轉子磁極、定轉子空氣間隙、部分轉子磁軛一起封罩，形成發電機通風通道。該結構設計具有以下不足：

（1）擋風板塊數多、重量大、聯接螺栓多，拆裝費時費力、工作效率低，檢查維護周期長，給維護檢修工作帶來了很大的不便。

（2）在頻繁的拆裝過程中，擋風板螺栓反復拆裝易出現螺栓損壞、預緊力不足、螺栓遺落在定轉子上等問題，擋風板聯接對位過程中易出現敲擊、翹蹩擋風板的現象，對擋風板造成不同程度的損傷，存在一定的安全隱患。

（3）擋風板整體頻繁拆裝易造成錯孔、拼接困難、定位偏差等問題。

固定式擋風板現有結構拆裝難度大，效率低。需在原有固定式擋風板結構的基礎上重新設計1 種利于檢修及快速拆裝的子母擋風板結構，便于擋風板的拆裝，在定轉子等設備的維護檢查過程中，免去拆除整個擋風板部件，省時省力、提高工作效率、消除螺栓斷裂等安全隱患、保護設備，縮短設備檢查維護周期。

4.2 原有固定式擋風板結構優化

在原有固定式擋風板結構的基礎上分為子母結構，通過支持鋼管、螺桿、槽鋼等固定擋風板，加強擋風板的聯接強度，并且優化擋風板結構，減少擋風板數量，保證實現快速拆裝擋風板，解決拆裝過程中存在安全隱患及相關技術問題，并且降低工作成本和縮短維護檢修工期，給維護檢修工作帶來很大的方便。

子母擋風板結構設計思路如下：固定式擋風板分為兩部分，其中擋風板合縫位置在磁軛外圓第一排拉緊螺桿的位置處，子母擋風板通過合縫螺絲聯接，母檔風板一側通過支持鋼管、壓板固定，另一側通過工字鋼、螺桿、角鋼固定，支持鋼管固定在上機架支臂上；子擋風板通過槽鋼加固，槽鋼兩端分別通過螺絲固定在螺桿和子擋風板上。

圖1 長江流域某電站某機組子母擋風板結構圖

該結構的優點：

（1）拆裝快速：在原有固定式擋風板結構的基礎上分為子母結構，拆裝擋風板只需拆裝子擋風板即可，不用拆裝整個擋風板的部件，實現了擋風板的快速拆裝，節省工期，給維護檢修工作帶來了很大的便利。

（2）優化過程：子母擋風板拆裝過程簡單，優化了整個拆裝過程，有效地消除了擋風板拆裝過程中的損傷、擋風板螺栓反復拆裝易出現螺栓損壞問題、抬放擋風板出現跌落等安全隱患、回裝過程中錯孔和拼接困難等技術問題。

（3）結構穩定：該結構簡單、便于間隙調節、安全穩定、易于拆裝等優勢。

（4）應用空間廣泛：可普遍應用于水輪發電機組設計及改造。

5 總結

本文通過對現有的長江流域電站巨型水輪發電機組典型擋風板的結構、通風計算、優化改造等方面的全面剖析，發現固定式擋風板結構較旋轉式結構漏風量低、通風損耗低，通過匯總梳理典型固定式擋風板結構在機組運行檢修過程中發現的各種問題，積極透過問題尋找應對策略，在原有固定式擋風板結構的基礎上優化了擋風板結構，分為子母結構，減少擋風板數量，保證實現快速拆裝擋風板，解決拆裝過程中存在安全隱患及相關技術問題，并且降低工作成本和縮短維護檢修工期，給維護檢修工作帶來很大的方便。

今后對擋風板的研究可以從通風循環效率，漏風量，結構強度，是否易于檢修拆裝，材質使用是否合理等方面進行分析對比。設計合理的擋風板應首先考慮機組運行時是否存在安全隱患，然后同時具備通風循環效率高、漏風量小、支撐結構強度較大、各連接螺栓不易發生斷裂、易于檢修等 優點。