摘要：本文介紹了東方電機廠水輪發電機的設計制造特點及科研成果。敘述了到本世紀末的發展規劃, 提出了相應的科技措施。
關健詞 水輪發電機 制造特點 展望
1 前言
東方電機廠是我國生產大中型水輪發電機組的骨干企業。三十多年來, 東方電機廠在加強工廠研究開發的基礎上, 吸取國內外的成熟經驗, 不斷創新, 逐漸形成了自己的風格和特色, 產品的技術經濟指標不斷提高。
早在90年代，東方電機廠先后為國內外近百座大中型水電站設計制造了1 9 0 0 OMW: 以上的大中型水電設備。
其中包括當今世界上轉輪直徑最大(D -n. 3 m ) 的葛洲壩1 70 M w 軸流式水輪發電機組; 國內單機容量最大的龍羊峽32 0M W 混流式水輪發電機組, 目前工廠正研制李家峽4 0 M W 水電機組及二灘50 o MW 水電機組。
此外, 工廠還為美國、菲律賓、土耳其、南斯拉夫等國提供了80 OM W 以上的水輪發電機組, 并正為美國、敘利亞等國研制單機容量SM W~ 1 05 MW 的水輪發電機組.東方電機廠制造的部分水輪發電機見圖1~ 2 及表l ~ 2。
下面介紹東方電機廠水輪發電機的一些特點和發展展望。
2 設計和結構特點
2.1 在總體布置方面, 廣泛采用傘式或半傘式結構。
東方電機廠在5 4. 6 r / m in 到1 6 6. 7 r / m i n 的大型水輪發電機中, 80 % 以上都是采用傘式或半傘式結構。
例如丹江1 50 M W, l 00 r /mi n 的傘式發電機和龍羊峽320 M W,125r/min的半傘式結構。漫灣250MW，125r/min的半傘式結構。低速機組, 不設下導軸承, 推力軸承裝配通過中間支撐架, 直接裝在水輪機頂蓋上, 既縮短了安裝高程, 又增加了軸承穩定性。水輪發電機組主軸廣泛采用分段結構, 即所謂“ 無軸” 結構, 一些機組的推力頭與大軸結為一體,軸系在廠內組合找擺度. 實踐證明, 軸系運行是穩定的。
2.2普遍采用雙路密閉自循環空氣冷卻方式
小直徑高速發電機一般用旋漿式風扇作為風壓元件; 在大直徑發電機中推廣應用了無風扇通風系統, 它通過采用增加磁扼環狀風溝, 改進轉子支架上擋風板的結構, 在定子端部附近加裝導風板等措施,利用轉子支臂的鼓風作用, 徑向冷卻定子繞組及鐵芯。
1 9 8 3 年, 我廠和中國科學院電工研究所合作, 研制成功兩臺l 0M W, l 0 0 0r /m ni 的定子繞組氟里昂蒸發冷卻的水輪發電機。通過多年來的實際運行, 機組性能良好, 達到預期效果, 并于1 9 8 6 年9 月正式通過國家鑒定。
為了進一步掌握氟內冷技術在大型水輪發電機上的應用, 我廠又開展了氟內冷50 M W 級中間試驗機組的研制, 并于1 9 90 年研制成功安康排砂洞5 2. 5M W 氟里昂蒸發冷卻水輪發電機, 該機已于1 9 9 1 年投入運行. 目前我廠正與中國科學院電工所合作, 開展更大容量(如3 0 M W 級) 水輪發電機蒸發尸水輪發電機布置圖冷卻的研究工作, 并就新的蒸發冷卻介質( 非氟里昂) 開展了試驗研究工作。
2. 3 廣泛采用焊接結構
定子扒座采用剛性較好的盒型焊接結構。轉子支架為焊接結構, 以前多半采用盒形支臂。
現逐漸發展為圓盤式支架, 磁扼緊固在圓盤式支架上, 這種結構具有重量輕、剛度大、通風好、穩定性好等優點。我廠生產的銅街子1 50 M W 和漫灣2 5 o0M W 機組都采用了此種結構. 由于受到運輸尺寸的限制, 多將支架分成中心體和扇形支臂兩大部分。中心體和扇形支臂在廠內分別組焊和加工, 到工地焊成一體。漫灣25 o M W 機組等的磁扼與支架連結采用既有徑向鍵又有切向鍵的結構。為了使傳遞扭矩可靠在圓周方向還增加多對加強鍵。
2. 4 工地裝壓定子鐵芯和嵌線工藝
隨著發電機單機容量的增大, 為了消除定子鐵芯合縫間隙, 增加機座、鐵芯的剛度和整體性, 大型水電機組采用了工地裝壓定子鐵芯和嵌線的工藝。如大化l 0 M W、銅街子1 5o MW 和漫灣25 0M w 大型水輪發電機的定子都采用了工地組焊機座和裝壓鐵芯的結構。
2. 5 推力軸承采用厚鏡板、大剛度推力頭和雙層軸瓦結構
一般50 MW 以下機組多采用剛性支承; 大負荷軸承多采用彈性支承。為了均衡瓦間負荷, 在中、低速水輪發電機中推廣應用了平衡塊式推力軸承( 圖3 ) , 其最大推力負荷達3 8 0 0t ; 高速機組多采用彈簧油箱支承( 圖4 )。近年來, 我們在原彈性油箱結構的基礎上, 增加了嵌入式托盤支承, 調整其直徑就可以得到比較合理的軸瓦變形。如葛洲壩1 25 M W 機組及龍羊峽32 OM w 機組都采用了嵌入式托盤支承結構. 另外, 我廠還開展了雙托瓦和小彈簧束支撐的研究、支點位置對可傾瓦推力軸承性能的研。在軸瓦面材料研究方面, 除對傳統鎢金瓦的化學、機械性能及澆鑄工藝進行研究外,還開展了彈性金屬氟塑料瓦的研究, 在工廠1。。0t 推力軸承試驗臺上完成了大化電站l o M W 機組氟塑料瓦的加載試驗, 并已成功地用于大化1 0 MW 機組3 0 0 0t 推力軸承上。推力軸承冷卻采用內循環或外循環油冷卻, 必要時外加泵進行循環。如烏江渡21 oM w、安康2 0 M w、漫灣25 0M w、寶珠寺工75 M W 機組均采用了外加泵循環。在龍羊峽32 OM W 機組上采用了鏡板自身泵外循環冷卻系統.
為了改善軸承冷卻條件, 減小軸承的熱變形, 有的大型發電機還采用了直接水冷瓦結構。此外, 我們還在大型發電機上對銅瓦進行過工業試驗, 取得了一定成果。
2. 6 定子繞組接線方式和繼電保護
為了加強發電機運行期中的故障保護和監測, 解決大容量發電機的引線發熱和布置困難等問題, 我們參考國外經驗, 在廠內試驗和電站工業試驗的基礎上, 在大型發電機中采用了多支路分布中性點的定子繞組接線方式和相適應的繼電保護系統( 圖5)。這種繼電保護系統除了可以對發電機進行差動保護和分相保護外,還可以對同相支路間的故障進行保護, 并對氣隙不均引起的支路間環流過大進行監測。這種接線方式已用于龍羊峽3 20 M W 和漫灣25 oM W 水輪發電機中, 運行證明效果良好。
此外, 工廠還開展了電氣制動的研究工作, ACB19 8 6 年生產出第一套電氣制動柜, 用于銅街子150 M W 機組。
2. 7 定子線棒的絕緣和槽內固定
水輪發電機定子線棒的絕緣采用熱固性環氧粉云母絕緣, 它具有介電強度高、絕緣整體性好、局部放電起始電壓高、絕緣厚度較薄的優點。近年來, 在大型機組推廣采用了F 級環氧粉云母絕緣和新型環氧桐馬粉云母F 級絕緣。k6 V 以上發電機均采用防暈處理, 以降低槽內線棒電位, 改善端部線阻電場分布, 防止產生電灼蝕。值得提出的是, 我廠和昆明高原電器研究所合作, 開展了高原發電機的防暈結構、起暈電壓海拔高度對應關系等研究工作, 成功地解決了高海拔大容量水輪發電機的防暈間題, 已成功用于海拔2 6 0 o m 的龍羊峽32 OM W 水輪發電機中。對于發電機定子線棒的槽內固定間題, 我們通過電站調查分析, 并吸取了國內外的先進經驗, 通過試驗, 對線棒在槽內的固定作了研究和改進。采取了在槽底、層間和楔下用半導體適形材料作墊條。下線時先放入墊條, 然后嵌入線棒, 線棒在壓緊狀態下固化。采用此結構可以使半導體適形墊條與線棒和鐵心粘合在一起, 保持良好的接觸, 從而大大降低了槽電位, 消除電腐蝕。此外, 為了防止槽楔松動, 加強線棒的固定, 定子采用了由斜楔和槽楔組成的雙層結構。雙層斜楔結構首先于1 9 7 9 年9 月應用于葛洲壩17 oM W 機組上, 以后又陸續應用在大化1 0 M w、龍羊峽32 0MW、銅街子1 5 0MW 及漫灣25 oM w 等機組上, 經過多年的實際操作和運行, 證明其效果良好。
2. 8 其它
如采用盒型筋、弧形筋等增加機座剛度; 采用高壓油頂起裝置改善推力軸承起動和停機時的工作條件; 采用徑向和切向均可打緊的“T” 形鍵保證各種工況下磁扼和支架之間不產生偏心和相對位移; 采用制動環和磁扼分離結構解決制動環制動時的發熱間題; 制動器采用反向吹氣復位結構杜絕制動器動作后不能自行復位的弊病等。
2. 9 勵磁系統
水輪發電機的勵磁方式在70 年代后期已從同軸直流勵磁系統發展到半導體勵磁系統。根據電站布置和運行方式的要求, 以及勵磁參數的需要, 東方電機廠主要有下列三種勵磁系統:
① 以葛洲壩1 70 M w 機組為代表的交流側串聯和并聯變壓器經過可控硅整流的自復勵系統, 它具有起始電壓上升速度高、起始無超調、頻率特性好、調壓范圍寬、調節方便、運行穩定等優點。
② 機端電壓經并聯變壓器供電的自并勵可控硅勵磁系統。龍羊峽3 2 0MW 機組就是采用這種勵磁系統, 其額定勵磁電壓為4 75 V, 最大直流輸出電流為3 0 0 0A。
這種勵磁系統比較簡單, 響應速度高, 運行可靠。它是目前我廠水輪發電機的典型勵磁方式。③帶同軸交流勵磁機的他勵靜止可控硅勵磁系統。它特別用于需要長距離輸電的大型電站, 可以保證在線路故障時不致失磁。這種勵磁方式1 9 7 2 年首先用于漁子溪4 o M w 水電機組, 1 9 9 0 年又用子安康Zo oMW 機組。近年來, 我們與華中理工大學合作, 開發了勵磁系統輔助設計系統( E R S C A D 系統)。研制成功WL K一1 型微機模擬雙通道勵磁調節裝置, 并于1 9 8 7 年5 月在漁子溪電站投入工業試驗。還與中國科學院等離子所合作, 對發電機轉子過電壓和Z n O 非線性電阻滅磁方式進行研究, 并成功用于葛洲壩1 2 5M W 機、安康Z o oM W 機及萬安l 00M W 機中。
3 科研與開發
產重視科學試驗工作, 是我廠開發新產品、提高產品質量的重要途徑。截止1 9 9 3 年n 月底,我廠設置了電機試驗室、通風冷卻試驗室、振動噪聲實驗重、絕緣試驗研究室、大型電機試驗站、推力軸承試驗臺、測試中心等。三十多年來, 我們和國內有關大學、科研單位合作, 圍繞產品的開發工作, 在水輪發電機基礎理論研究、模型和原型試驗方面進行了大量的工作, 取得了一批科研成果, 其中主要有以下幾個方面:
3. 1 通風和冷卻
水輪發電機的常規冷卻方式是空氣冷卻。對大型發電機, 在廠內進行1 : 10 的通風模型試驗或水模型試驗; 在葛洲壩1 2 0M W丹江1 5 0M W、龔嘴l 00M W、龍羊峽3 2 0M W 等大型機組上進行了通風、冷卻實測, 不斷改進通風結構。為了發展水輪發電機的新型冷卻技術, 東方電機廠和中國科學院電工研究所合作, 開展了蒸發冷卻水輪發電機的理論研究工作, 在廠內進行了定子繞組蒸發冷卻試驗, 1 9 8 3 年首先制成了兩臺`10MW 1000 r / m in 的定子繞組氟里昂內冷水輪發電機, 1991 年又研制成功安康電站52. SMW 定子繞組氟里昂內冷水輪發電機。為我國發展大型氟內冷電機積累了寶貴的經驗。另外, 為了適應我廠“ 八五,’u 九五” 期間研制5 0 MW 大型發電機的需要, 我廠于1 9 90 年開展了“ 水輪發電機通風發熱計算” 的研究課題, 采用熱路法和三維有限元法重新建立定、 轉子溫升計算公式。通過本課題的研究, 重新編制一套適用于大型水槍發電機通風發熱計算的計算程序, 為50 OM W 及以上大型水輪發電機的通風冷卻計算提供可靠的依據.
3. 2 電機電磁設計和運行參數的研究
根據開發大型發電機的需要, 我們和有關高等院校、研究所等一道, 對一些電機基本理論開展了研究工作, 如發電機端部磁場和發熱、導線換位理論、繞組理論及分析技術、電磁噪聲、靜止半導體勵磁、微機勵磁系統、新型繼電保護方式等. 許多研究成果已用于生產上. 例如, 我們開展了“ 水輪發電機電磁計算” 的研究, 重點對現有的凸極同步電機電磁設計程序進行改造,利用有限元法重新計算兩類不同形狀極靴( 不同心圓柱極靴和三段圓弧極靴) 的主極磁場和電樞電抗磁場的基波和三次諧波系數, 重新編制了一套大型水輪發電機電磁計算程序, 可用于我廠今后開發5 0 MW 及以上水輪發電機的電磁計算。
另外, 我們還開展了“ 水輪發電機定子線棒新換位” 的研究, 經過理論分析, 提出了適用于水輪發電機定子線棒的兩種新的換位方式( 槽部36 0 °換位加空換位, 以及小于3 6 0° 的換位),并在龍羊峽32 0 MW 機組上進行了試驗驗證。在繞組理論研究方面, 提出了一種適用于水輪發電機的新型定子波繞組接線方式。
3. 3 結構件動態特性的計算與測試
隨著發電機單機容量的增大, 結構件的動力學特性越來越引起重視。我廠對機座力學特性問題進行了理論分析和試驗研究工作。對繞組次諧波引起的振動和機座抵抗力進行了分析研究, 相應地調整其剛度; 對大型結構件的強度、剛度、應力等進行理論分析和電站實測工作。并開展了大部件的結構優化工作, 取得了明顯成績。
3. 4 軸承研究和試驗
在水輪發電機推力軸承方面, 對推力軸承支承結構、推力軸承冷卻油循環系統、高壓油頂起裝置、軸瓦材料、軸承動態潤滑理論等開展了廣泛的理論分析及科學試驗工作。開發了多種形式的推力軸承, 其最大推力負荷達38 0 0t , 單位壓力達5. 7M Pa, P V 值達8 9 0。工廠開展了有關軸瓦材料、推力軸承潤滑、發熱、冷卻等理論研究工作。工廠還與上海材料所合作, 研制成功大化電站30 0 t 推力軸承用金屬彈性氟塑料推力瓦, 其單位壓力可達12 M P a 。
此外, 我廠自行設計, 建成了中國首臺I O o ot 級推力軸承試驗臺, 配有微機控制自動數據采集處理裝置, 可在廠內對不同結構的多種推力軸承進行加載試驗, 測量其穩態及瞬態下的性能參數, 如油膜厚度、溫度場、壓力場、轉速、加載噸位等, 從而為大型軸承的研制和可靠運行奠定了基礎。
3. 5 變級發電電動機研究
近年來, 我廠與華中理工大學合作, 開展了“ 變級抽水蓄能同步水輪發電電動機” 的研究。對變級情況下的電磁設計特點以及各種諧波的分析、波形系數、電樞反應系數和各種參數的計算都進行了研究, 并編制了計算程序. 經過多年來的研究, 目前已經基本掌握了變級發電電動機的電磁設計與計算方法, 并對國內40 M W 抽水蓄能機組的變級發電電動機作了電磁設計和論證。
3. 6 工藝研究
為了了解大型水輪發電機的一系列工藝問題, 工廠設有工藝研究室, 對制造工藝進行了廣泛的研究。如大型水輪發電機定子在工地拼焊機座和鐵芯疊片的研究、大型部件加工和測量的研究、定子線圈并頭采用銅焊的研究、定子線棒全模壓工藝的研究、推力軸承支承件( 彈性油箱) 加工的研究, 以及計算機輔助制造(C A M )和計算機輔助工藝管理(C A P P ) 的研究等。
3. 7 水電機組運行監測和事故診斷的研究
工廠和重慶大學等單位合作, 研制成功C D W S一8 9 01 型水電機組運行監測和診斷系統。該系統的監測對象包括大軸擺度, 機組振動, 推力軸承及導軸承溫度、定子溫度、轉子銅溫、定轉子氣隙、發電機功角、軸承油膜厚度及用戶要求的其它監測量。
整個系統由信號轉換裝置、監視顯示裝置、計算機采集系統及多種計算機功能軟件組成。系統能對機組進行跟蹤顯示及超限報警。
4 工廠“ 八五” “ 九五” 期間水輪發電機發展規劃
“ 八五” “ 九五” 期間是中國能源工業高速發展時期, 預計到2 0 0 0 年, 中國水電裝機總容量將達到8 0000M W, “ 八五” “ 九五” 期間水電裝機約4 5 0 0 0M w。水輪發電機的單機容量迅速增大, 品種、規格增多, 工廠面臨新產品研制任務重、周期短等矛盾。為此工廠決定從加強科研工作入手, 努力吸取國內外先進經驗, 在引進國外著名公司先進技術和管理經驗的同時, 加強與國內有關院校、科研單位的合作, 改造試驗研究設備和手段, 加強水輪發電機有關理論研究和應用開發工作, 盡快使工廠的水輪發電機的科技水平和新產品開發躍上一個新臺階, 以適應中國國民經濟迅速發展的需要。
4. 1 興建電機試驗室, 改造電機試驗站.
在“ 八五” 期問, 工廠決定投入巨額資金, 新建一座4 0 0 0m Z 的電機試驗室, 配備先進的測試設備和手段, 開發和應用計算機輔助測試系統, 更深入地開展電機電磁理論、通風冷卻、振動噪聲、力學特性等研究試驗。另外, 工廠還將對原大型電機試驗站進行全面改造, 增加試驗項目, 擴大試驗能力。
4. 2 開發單機容最4 0 一7 0 M W 的大型水輪發電機
①“ 八五” 期間完成李家峽4 0 M W 水輪發電機的研制工作。
②“ 八五” 期間完成二灘電站5 50 M w 水輪發電機的科研、設計任務, “ 九五” 期間完成機組的制造任務。
③繼續抓緊三峽電站70 oM W 級水輪發電機的前期科研工作, “九五” 期間完成機組的設計及工藝準備工作。
4. 3 開發與沖擊式水輪機配套的高速水輪發電機和與高水頭混流式水輪機配套的大容里高速水輪發電機。
4. 4 開發大型抽水蓄能機組
在消化吸收國外抽水蓄能機組設計制造經驗的基礎上, 加強發電電動機的科研工作, 對電磁設計、通風系統、推力軸承、起動方式等進行專題研究, 并繼續進行變級式發電電動機的科研工作。在“ 九五” 期間掌握20 0 一30 0M W 級中高速發電電動機的設計制造技術。
4.5開發大型貫流式水電機組
要在現有設計制造k 和62 50 k 貫流0 0式0水電機組的基礎上w w , 加強科研工作, 解決大型貫流式機組中的密封、冷卻、振動等問題, 在“ 九五” 期間形成生產單機容量20 ~ 4 oM W 貫流式機組的設計制造能力。
4. 6 電機技術理論和分析方法的研究
隨著發電機單機容量的增大, 越來越要求對某些電機技術理論問題進行深入的研究和精確的計算, 如發電機參數計算、繞組理論、諧波磁場、勵磁技術等。對電機參數和性能的計算精度要求也越來越高。解決上述問題應用傳統的電機技術理論和分析方法已不能完全滿足要求, 因此必須根據電路網絡和電磁場理論, 發展和引入新的計算方法, 如有限元法、有限差分法、邊界元積分法等, 采用計算機進行計算, 使計算結果與實測數據接近, 達到工程要求的精度。
4. 7 通風冷卻的研究
通風冷卻是發電機的核心問題之一。近半個世紀以來, 發電機單機容量的增大主要是通過改進冷卻方式, 采用新的冷卻介質來達到的。由于空氣冷卻具有結構簡單、維護方便等優點, 水輪發電機長期采用空氣冷卻。但是, 隨著單機容量的增加, 幾何尺寸相應增大, 定子鐵芯的機械穩定性問題逐漸突出。
采用水內冷可以降低線圈和鐵芯的溫升, 降低鐵芯和機座之間溫差, 從而減小它們之間的溫差應力, 避免鐵芯翹曲。因此, 在一定電站安裝和運輸條件下, “ 八五” , “ 九五” 期間要對水輪發電機定子采用水冷進行研究. 同時, 要積極總結我廠發展氟內冷水輪發電機的經驗, 繼續開發更大容量的氟內冷水輪發電機。
4. 8 發電機可靠性的研究
大型發電機的可靠性是使用和制造部門十分關注的重大問題。為了加強發電機制造中可靠性的研究, 要逐步開展以下工作: ① 加強可靠性和可靠評價的理論研究, 進行可靠性數據的收集和整理。② 利用概率論和數理統計方法, 找出發電機重要零部件的失效模式。③ 開展可靠性設計工作。④ 開展可靠性試驗工作, 對發電機重要部件進行真機模擬試驗, 以驗證可靠性設計工作。
4. 9 加強水電機組在運行下的狀態監測和故障診斷研究工作
工廠將和大專院校、水電站合作, 加強這項工作, 改進和研究新的水電機組運行監測和故障診斷系統, 并對系統進行理論研究。要保證機組對工況變化的適應性。輔助設備(如氫、油、水系統) 及所有設備、元件、儀表等除要求運行正常、充分自動化外, 還必須增加定期和不定期的監測, 并實時進行故障診斷、超限報警。
4. 10 加強計算機應用, 推廣C A D /C A M 和優化設計技術
采用電子計算機, 許多電機理論問題可以通過數值計算手段得到圓滿解決。我們要注意吸收、轉化引進的計算機程序, 開發適合工廠特點的電磁、機械、通風、力學等計算機程序; 開展發電機優化設計工作; 在電機試驗中采用計算機進行程控、數據采集、分析計算等。研究開發計算機自動繪圖系統、計算機輔助設計C( A D ) 和計算機輔助制造系統(C A M )。
此外, 為了增加單機容量, 增加生產能力, 保證產品質量, 必須不斷采用新材料、新工藝, 并對工廠進行技術改造, 適當擴大生產面積。增添一些重型、精密、先進的制造設備( 如五座標數控銑攪床、精密數控立車、全位置焊接變位機、全自動沖床、扁繞機、數控包帶機等) . 對現有老設備逐漸用新技術( 如液壓技術、電子技術、光電技術、計算機技術等) 進行技術改造。繼續加強計算機輔助工藝管理C( A P P )、成組技術、工藝設計優化等工作。
5 結束語
隨著中國四化建設的發展, 電力工業建設將出現新的高潮, 中國豐富的水力資源將逐步開發利用。東方電機廠位于中國水能源蘊藏腹地( 中國西南、西北、可供開發水力容量達3. 78 億千瓦, 占全國的7. 7% ), 為我國電力工業部門提供更多更好的水電機組是工廠責無旁貸的任務。展望未來, 任重道遠, 東方電機廠將和國內外廠家、用戶密切合作, 為中國四化建設作出新的貢獻。
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