新疆下坂地电站发电机转子结构设计分析

【摘 要】新疆下坂地电站装有3台单机容量50MW水轮发电机组，电站总装机容量为150MW。本文简要的介绍了新疆下坂地电站水轮发电机基本特性以及其新型转子结构设计，现场运行结果表明：转子结构设计及总体布局是合理的，机组各项性能指标均满足合同要求。

【关键词】水轮发电机；转子结构；极距

The Analysis of The Rotor Structure Design for Xinjiang Xiabandi Powerstation

CHEN Yu-ling

（DEC DongFeng Electric Machinery Co.，LTD. LeShan SiChuan，614000，China）

【Abstract】Xinjiang xiabandi powerstation have 3 turbine generator which capability is 50MW. The paper described the characteristic of generator and the structure of the new type rotor design. As a result， the design of structure is reasonable.

【Key words】Turbine generator；Structure of rotor；Pole pitch

1 电站简介

新疆下坂地电站位于新疆喀什地区库尔干河中上游，是我国海拔最高的水利枢纽工程之一，担负着塔里木盆地西南部春季供水，生态补水和发电等综合功能。安装三台单机容量50MW的水轮发电机，总装机容量150MW。

2 发电机主要技术数据

额定功率 50MW

额定容量 57.1MVA

额定电压 10.5Kv

额定电流 3142A

额定频率 50Hz

额定功率因数 0.875（滞后）

额定转速 428.6r/min

飞逸转速 802r/min

定子绕组连接方式 Y

中性点接地方式 消弧线圈柜接地

定子绕组绝缘等级 F级

转子绕组绝缘等级 F级

旋转方向 俯视顺时针

转动惯量 ≥650t・m2

推力轴承负荷 2450kN

励磁方式 静止可控硅励磁系统

冷却方式 密闭自循环空气冷却系统

3 转子结构设计分析

新疆下坂地电站发电机属于典型大容量高转速混流式机组，在国内外均有较大设计难度，该机组不但对转动惯量有较高要求，而且机组转动部件设计更具有挑战性，直接影响着机组的整体性能。

3.1 定子铁芯内径选择分析

定子铁芯内径的选择是发电机方案设计的关键点之一。若铁芯内径偏大，在飞逸转速时，磁极与磁轭的应力难以满足强度要求；若铁芯内径偏小，不但转动惯量无法满足，磁极极间距较小，而且不利于发电机的通风冷却，线圈无法侧向固定也存在较大难度。

同时，定子铁芯外径选择对转子磁轭结构型式也有一定的影响。铁芯外径偏小，磁轭与主轴之间的距离将变小，虽然可采用磁轭整体热套在主轴上的结构，但该结构却不利于采用无风扇结构，影响机组性能。

因此针对下坂地机组采用无风扇结构的要求，综合转动惯量及应力要求，最终确定定子铁芯外径4500mm。

3.2 磁轭冲片叠装方法分析

因为机组采用无风扇径向通风方式，所以转子采用圆盘式支架结构，而磁轭冲片在工地叠装于支架上。磁轭的叠装方式有多种，计算分析如下：

3.2.1 磁轭相错1/2个极距叠法分析

设计过程中合理地选择磁轭叠装方法，将会直接影响磁轭强度和拉紧螺杆受力情况是否满足设计要求。应力增大系数β是用来衡量不同叠片方式对磁轭断面应力的影响。

β=Z/（Z-n）

Z= Z1/ Z2

Z1――每张冲片的极数

Z2――相邻两层冲片错开的极距倍数

n ――单元磁轭任意接缝断面上的冲片的接缝数

磁轭的平均拉应力

σ=β（Fe+Fp）/（2πδNtBmin）

Fe――磁轭的离心力

Fp――磁极的离心力

δ――磁轭冲片的厚度

Nt――磁轭冲片总层数

Bmin――磁轭冲片最小径向宽度

磁轭拉紧螺杆和销钉的平均剪应力：

τ=（1.27Fp―4Ff/π）/[Z2（m1d12+m2d22）]

m1、m1――每极螺杆数和定位销数

d1、d2――每极螺杆和定位销的直径

若按常规叠装，Z1=2，采用层间相错一个极矩，应力增大系β1=2/（2-1）=2。每张冲片切向力由一个极距内螺杆承受：

磁轭的平均拉应力为：σ=5800kgf/cm2

螺杆所受剪应力：τ=262.5kgf/cm2

若采用层间相错1/2个极距的冲片设计，则β2=4/（4-1） =4/3，每张冲片切向力由1/2个极距内螺杆承受：

磁轭的平均拉应力：σ=4351kgf/cm2

螺杆所受剪应力：τ=525kgf/cm2

对比上述两种方式可知，层间相错1/2个极距的冲片设计方式可使磁轭平均拉应力减小33.35%，磁轭拉紧螺杆剪应力增加一倍，对磁轭冲片强度要求明显降低。磁轭冲片选用国产高强度磁轭钢板WDER600，磁轭拉紧螺杆选用冷拉圆钢35CrMo即可满足设计要求。

由于采用层间相错1/2个极距叠法，在设计时螺孔既要以磁极中心线对称布置，又要以两极之间的中心线对称，为满足上述条件，采用了两种磁轭冲片，其中第二种冲片[图1（b）]的两边端线是第一种冲片[图1（a）]双T尾的中心线。

（a）

（b）

图1 磁轭冲片图

3.2.2 复合冲片叠法分析

因为机组完全采用径向通风、定子端部回风方式，为了增大径向通风量，所以采用复合冲片双向反复叠装方式，将3张磁轭冲片组合成一张厚冲片（如图2）。此种叠装方法可使磁轭冲片接缝处形成的通风沟截面积不变，每个通风沟截面积增大了3倍，减小了风阻，改善了通风效果。同时，磁轭冲片的正、反向叠法还保证了磁轭的整体性，防止机组在运行过程中磁轭冲片可能出现的螺旋形位移，提高了发电机的运行性能。

图2 复合冲片叠法示意图

3.2.3 塔形向心磁极冲片分析

为了改善机组的径向通风效果，提高运行性能，磁极采用塔形向心磁极冲片，不但可增大磁极极间根部距离，而且转子旋转时磁极线圈产生的离心力全部由磁极铁芯的极靴承受，线圈不需要设置侧向固定装置，有利于发电机的通风冷却，增强机组的运行安全可靠性，同时满足机组转动惯量的要求。

4 发电机转子结构特点分析

4.1 总体布置分析

发电机转子由主轴、支架、磁轭和磁极组成，如图3所示。

图3 转子结构图

4.2 转子支架结构分析

转子支架采用了圆盘式转子支架，由轮毂、上、下圆盘、撑板和7个大立筋焊接而成，转子支架与主轴在工地热套为一体。

4.3 磁轭结构分析

转子磁轭由上、下压板、磁轭冲片、制动环组成。磁轭采用WDER600高强度钢板经激光切割而成磁轭冲片叠装而成，冲片两端留有较大的通风沟，另外沿磁轭轴向高度设置6个通风沟，以确保发电机通风冷却风量。在磁轭下端装设分块的、可拆卸的制动环。通过磁轭拉紧螺杆将其固定在磁轭上。同时在制动环与磁轭间设置不同厚度的垫片，用以调整制动环的水平。磁轭与转子支架通过径切向复合键联接固定（如图4）。

在径向键（凸键）与转子支架立筋键槽之间可加垫以确保径向紧量，切向键为两个小键，它可以补偿支架立筋键槽与磁轭之间产生的公差，保证磁轭与转子支架在各种转速下同心，不会产生切向位移。

在磁轭的上、下端设有旋转式挡风板旋转挡风板采用非磁性材料。

图4 磁轭径切向键结构图

4.4 磁极结构分析

磁极由磁极铁芯、磁极线圈和阻尼绕组等组成，如图5所示。磁极冲片由2mm厚的WDEL450钢板冲制叠压而成，采用6根φ36的穿芯拉杆紧固；设置9根φ18的阻尼条，为了适应较高的离心力，将阻尼环设置在磁极压板和磁极冲片之间，既提高了阻尼环的强度，又缩短了磁轭的长度；磁极线圈由矩形直铜排四角焊接而成，设有散热匝，大大的提高了线圈的散热能力，有效的降低了转子温升。磁极采用双T尾，通过磁极键与磁轭固定。

5 结束语

本文分析了发电机转子磁轭冲片叠法，塔形向心磁极、带散热匝的焊接式磁极线圈、旋转挡风板等新结构、新技术，并将其运用于生产制造过程中，首台机组也于2009年成功投运发电，运行结果表明，转子结构设计及总体布局是合理的，机组各项性能指标均满足合同要求。

【参考文献】

[1]白延年，主编.水轮发电机设计与计算[M].北京：石油工业出版社，2007.