大型水輪發電機關鍵技術問題研究

周旭明

摘 要：隨著社會經濟水平不斷的提升，在很大的程度上推進了電力行業的發展，對于電力來講其最關鍵的來源就是依賴于火力及水利。本文分析了大型水輪發電機的定子及轉子等相關方面，并提出了實用性技術提升策略。

關鍵詞：大型水輪發電機；定子鐵芯；推力軸承

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A

中國有著豐富的水資源，是水電行業發展的基礎。隨著諸多大型水利工程的建成，有效的推進了我國水電發展，對應的水電機組不斷的朝向大型及超大型發展。根據國內水利發電工程學會相關統計資料顯示，到2020年，國內的700MW水輪發電機數目將會超出150臺。大型水輪發電機具備非正常停機損失大、定轉子額定電壓較高以及發電機定子繞組的中性點引出方法極多等自身特點。

一、大型水輪發電機技術問題分析

如圖1所示，定子鐵芯受力簡示圖。

1 定子鐵芯熱膨脹

隨著國際科學技術的不斷發展，對應技術較為先進的國家，水輪發電機單機容量逐漸擴大，其對應定子鐵芯的直徑也是持續增加，由最初的幾米持續發展至十幾米，或者說還有超過20m的。相對直徑在成倍的提高，緊接著其鐵芯溫升所產生的對應徑向尺寸的膨脹量是在飛速提升，鐵芯以及機座之間的溫差所出現的徑向尺寸過量也隨之提升。水輪發電機定子鐵芯，其鐵芯的溫度升至為50℃時，那么鐵芯徑向膨脹就會達到11mm，鐵芯以及機座溫差是20℃時，那么其鐵芯以及機座的半徑方向過盈量就大概會是2mm，進而促使定子鐵芯因為其受到了機座徑向壓力而存在極大的切向應力。

2 定子鐵芯壓緊質量

在實際運作過程中，大型水輪發電機盡管其機座能夠自由伸縮膨脹，對應的鐵芯軸向單位相關面積壓力會大幅度下降，對應的定子鐵芯就會出現翹曲的情況。要是其機座并不是全部膨脹，其對應的單位壓力面積承受壓力會保持在10kgf/cmZ之下，這時其對應定子鐵芯也還是會極有可能存在翹曲情況。

3 定子鐵芯分瓣

定子鐵芯的結構是分瓣狀的，關于定子鐵芯的裝配，應重視其鐵芯合縫位置會受到分布不均勻以及很難預測的對應擠壓力，該擠壓力對定子鐵芯會造成不良的影響，這樣就在很大的程度上加劇了翹曲情況的出現。導致定子鐵芯在受到相關的力之后出現形變以及振動、損壞等。

4 轉子支架剛度及圓盤形結構

水輪發電機轉子對應支架的結構形式一般是根據其發電機容量以及轉速和尺寸、運輸條件等相關條件來合理選定。通常在中型及小型或者是高速水輪發電機上利用較為簡單的圓盤式或者是無支架轉子結構。對于大型水輪發電機來講，其因為會受到相關運輸條件的制約，一般會利用中心體以及支臂裝配組合形成支臂式的轉子支臂。關于其對應容量以及尺寸非常大的水輪發電機，近年來，國內通常使用的發電站裝配以及拼焊，大多都是多層圓盤式轉子支架。

二、大型水輪發電機關鍵技術改善

1 水輪機模型轉輪水力設計

水輪機的最關鍵部件就是轉輪，其相關性能直接關系著對應發電機運作經濟性以及安全性、穩定性。關于水輪機模型轉輪水力性能設計，國內外的研究差距很大，很多有關項目對應轉輪是使用國外引進的相關技術，其自開發轉輪效率大約是95%，國外所引進的轉輪效率能夠達到94%以上。國內很多較大型工程有效的引進了三維粘性流體數據庫為其最主要的基礎，再合理運用其對應實驗技術以及相關模型制造水平的不斷提升，國內在很短的時間內關于模型轉輪水力設計，跟上了世界的先進水平。

2 大型水輪發電機推力軸承技術

大型發電機最關鍵的構成部分就是推力軸承，其對應的設計以及制造技術是不是最優化會直接關聯到水輪發電機的安全可靠運作。想要合理的對其進行優化，就應該注重其結構以及性能參數，以便于有效提升運作的可靠性。有關企業對其投入了大量的人力物力進行全方位的分析研究。自主開發水輪發電機推力軸承的熱彈性流體動力的潤滑性能相關計算分析軟件，構建了三萬噸的對應推力軸承試驗臺，該實驗是現今世界上相關運作中最大推力軸承試驗臺。相關的實驗室研究結果也在很多較大的水電站對應推力軸承運作實測過程中展開了一定程度的對比，以便于有效健全和提升推力軸承設計以及制作技術和測試技術。這些相關的工作也為水輪發電機的推力軸承設計以及制作工藝積累了相當的經驗。

3 大型水輪發電機轉子接地保護方式

大型水輪發電機組的額定轉子電壓通常是較高的，可以超出500V，在強勵時是最高的，并且還伴隨著非常顯著的交流分量，這時直接性的將其取出的危險性極高，并且其對應電纜更不好選擇。我國的很多較大型水電機組在進行工程設計時大都是利用轉子接地保護和失磁保護，并運用轉子電壓測量對應附件再就地安裝在相關的勵磁體系之內，把較大功率的電阻安置在相關勵磁體系屏柜之內，其對應轉子電阻在分壓之后會長距離的接進發電機的保護屏柜中，這時轉子的接地保護功能就會在發電機的屏柜之內很好的實現。

大型水輪發電機的機組轉子接地保護應該合理的就地安置在對應勵磁體系室內，其失磁保護需要的相關電壓最好是通過變送器之后再接進發電機的保護設備上，這樣能夠合理避免掉其高壓電纜存在長距離引線，在很大程度上簡化了勵磁回路并節約了長距離進行高壓控制的電纜費用。

4 大型水輪發電機定子繞組主絕緣技術

有關公司關于定子繞組的地主絕緣是應用了F級的桐馬環氧玻璃粉云母系統，其電機的主絕緣結構以及防暈結構和對應繞組槽部、端部的相關固定結構與各類絕緣材料，總體上來講均是都實現了國產化，并且國產的相關絕緣材料性能均是達到了國際化水平。線棒是多膠帶連接式包扎以及其外包防暈帶絕緣結構，運用對應加熱橫壓來進行固化，以致其能夠一次成型，其對應線棒的尺寸應該是統一的，且要具備較好的互換性。該F級桐馬環氧玻璃粉云母帶的絕緣運作經驗極為豐富以及對應水電站不同電壓等級的較大型水輪發電機和其相關的出口機組之上。

5 大型水電機組結構剛強度分析技術

經過國內外諸多企業的相關設計，其關鍵器件剛強度性能展開大量有限元分析以及比對，也找出了不同企業對于同一個器件的設計差異。關于其結構拓撲以及幾何形狀和板厚尺寸等展開了系統化的分析，找出其關聯機組器件剛強度的關鍵因素，對部件的設計進行的全方位的深刻認識，形成了一定的結構模式，再運用其對應參數來實現建模，有效達到結構的優化及分析過程自動化。其對應的運用變量分析技術定量分析出對應主參數，并給設計師所需要的相關設計曲線，進而給結構改善及創新提供參考。運用尺寸以及形狀充分結合優化技術，能夠合理的找出板厚的配置以及幾何形狀均是合理化的最優化結構。諸多水電機組結構器件優化設計均采用了相關研究成果，并得到了顯著的效果。

結語

水輪機正常的運作狀態下，其對應的定子鐵芯會承受切向電磁扭矩以及相關軸向重力，還有在水輪機快速運作時其對應定子鐵芯會存在一定程度的發熱，機座以及鐵芯均是不一樣的運作情況，所以在溫度不一樣的狀態下就會存在溫差，對應的高溫鐵芯會出現膨脹以及其座機的制約，座機對于鐵芯具備一個徑向壓力，和相關鐵芯膨脹力剛好是相反的；以及其對應的定子鐵芯會受到轉子所具備的徑向磁拉力，和分瓣定子會被拼為整圓形態以配合其鐵芯共同進行運作。水輪機在運作時其鐵芯會受到一定的熱膨脹，致使總體鐵芯對應縫合面會受到不一樣方向所帶來的擠壓力，這樣會導致鐵芯出現損失的情況。因此，對大型水輪發電機關鍵技術問題進行詳細分析研究是勢在必行的。

參考文獻

[1]王初銘.大型水輪發電機幾個關鍵技術問題的分析[J].大電機技，2013（02）.

[2]陳俊，劉洪，嚴偉，沈全榮.大型水輪發電機組保護若干技術問題探討[J].水電自動化與大壩監，2012（08）.

[3]溫嘉斌，孟大偉，魯長濱.大型水輪發電機通風發熱綜合計算[J].中國電機工程學報，2014（11）.