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防止发电机定子铁芯翘曲的压紧结构研究

作者:原创论文网 时间:2018-09-28 11:34 加入收藏

摘要

  Abstract:The long-term safe and stable operation of the hydraulic turbine generator unit is affected by whether the stator core is compacted and warped. On the issue of how to prevent the warping deformation of stator core, the authors introduce the traditional lever-type stator compaction structure and the relatively common piercing screw compaction structure at the present stage adopted by Toshiba company. These two kinds of stator core compaction structures are not only suitable for conventional hydrogenerators, but also for generator motors. From the operating results of Toshiba's units, whether it is a lever-type stator core compaction structure or a piercing screw stator core compaction structure, it can meet the needs of the safe and stable operation of the unit.

  Keyword:generator; stator; core; compaction structure;

  1、概述

  定子是发电机的核心部件之一, 定子铁芯的压紧与否和铁芯翘曲问题关系到机组长期安全稳定运行。早在20世纪70年代早期, 东芝公司就开始将铁芯翘曲作为铁芯压紧问题中的典型来研究。经过研究, 这些问题都得到了充分的解决并建立了标准的杠杆式铁芯压紧结构。东芝水电设备 (杭州) 有限公司 (简称东芝水电) 在继承东芝公司原有技术的基础上, 结合国内大中型发电机的实际情况, 也研究开发了定子铁芯穿心螺杆压紧结构。

  由于定子机座和铁芯间存在不同的热膨胀量, 热膨胀时将会有压应力作用到铁芯上[1]。如果定子铁芯与机座、机座与基础间都是刚性固定, 过大的压力作用在铁芯上会导致铁芯产生翘曲。为了防止定子铁芯的这种翘曲变形, 东芝公司在水轮发电机和发电电动机上采用了特定结构, 从而达到防止铁芯产生翘曲的目的。

  2、杠杆式定子铁芯压紧结构[2,4,6]

  定子机座采用钢板焊接结构, 为了方便运输而适当分瓣。在现场, 分瓣机座通过螺栓把合或者现场焊接方式组成一个整体。在定子机座内径侧布置适当数量的鸽尾筋和拉紧螺杆来确保定子铁芯在任何正常运行和瞬时工况下都不会产生松动[1]。

  定子铁芯由高导磁率、无时效、机械性能优良的优质冷轧薄硅钢片叠压而成。冲片两面均涂覆绝缘漆以减小涡流损耗。在定子机座内部, 通过交错叠压铁芯冲片以形成一个完整连续的铁芯。通过布置在铁芯外径侧的拉紧螺栓和鸽尾筋, 以及铁芯上下两侧的分块式齿压板, 精确可靠地将定子铁芯固定在机座上 (如图1所示) , 压板、拉紧螺杆、螺杆支撑组成杠杆结构。为了防止齿部松动而出现振动, 压指部必须有足够的压紧力。因此, 压指的头部朝铁芯方向有轻微的倾斜。压板和压指焊接成一体, 与定子机座相互独立。

图1 杠杆式铁芯压紧结构图
图1 杠杆式铁芯压紧结构图

  叠片完成后, 通过均匀拧紧螺母以压紧定子铁芯。并且在12 h后再次拧紧, 如果需要作铁损试验, 则在试验完成后再次拧紧。为防止长期运行后螺母松动, 在最终压紧以后, 螺母必须止动于压板上。东芝公司已经在其所有的水轮发电机和发电电动机上采用了这种方法。而且, 使用了这种方法, 我们的所有机组在长期运行之后都没有出现需要重新拧紧螺母的情况。

  杠杆式结构拉紧螺栓拧紧时产生的压紧力作用于定子铁芯的重心上, 同时, 定子机座上焊接了与鸽尾筋同样数量的加强筋以确保定子机座可以承受相等的反作用力。利用齿压板的足够弹性来实现铁芯的轴向弹性 (如图2所示) 。

图2 杠杆式铁芯压紧受力图
图2 杠杆式铁芯压紧受力图

  杠杆式铁芯压紧结构的鸽尾筋采用螺栓和定位销把合在拉紧螺杆上, 将拉紧螺杆直接与机座焊接成一体, 在工厂内对鸽尾筋安装面进行加工, 保证了装筋的精确度, 将鸽尾筋直接用螺栓在工厂内把合在拉紧螺杆上, 根据现场实际情况对鸽尾筋进行微调或者不做调整后装配定位销, 减少了现场装筋、调整等工作量, 直接缩短了定子安装周期。另外, 由于拉紧螺杆和鸽尾筋与定子铁芯之间无法形成有效的感应电流回路 (如图3所示) , 拉紧螺杆不设置绝缘, 简化了结构, 减少了现场工作量和缩短了定子安装周期, 避免了拉紧螺栓在安装环节发生相关绝缘问题。

图3 杠杆式铁芯压紧结构磁通回路示意图
图3 杠杆式铁芯压紧结构磁通回路示意图

  3、穿心螺杆铁芯压紧结构[3,5]

  定子机座与杠杆式铁芯压紧结构相同, 采用钢板焊接结构, 为了方便运输适当分瓣。在现场, 将分瓣机座通过螺栓把合或者现场焊接方式组成一个整体。在定子机座内径侧布置适当数量的鸽尾筋来确保定子铁芯在任何正常运行和瞬时工况下都不会产生松动[1]。

  定子铁芯由高导磁率、无时效、机械性能优良的优质冷轧薄硅钢片叠压而成。冲片两面均涂覆绝缘漆以减小涡流损耗。在定子机座内部, 通过交错叠压铁芯冲片以形成一个完整连续的铁芯。通过布置在铁芯外径侧的双鸽尾筋, 以及铁芯上侧的分块式齿压板和下侧的大齿压板, 精确可靠地将定子铁芯固定在机座上 (如图4所示) 。为了防止齿部松动而出现振动, 压指部必须有足够的压紧力。因此, 压指的头部朝铁芯方向有轻微的倾斜。上压板和压指焊接成一体, 与定子机座相互独立。

图4 穿心螺杆压紧结构图
图4 穿心螺杆压紧结构图

  穿心螺杆压紧结构拉紧螺栓拧紧时产生的压紧力作用于定子铁芯上, 通过鸽尾筋和下端大齿压板传递到定子机座和基础上。利用碟形弹簧的弹性来实现对铁芯的轴向弹性作用力 (如图5所示) 。

图5 穿心螺杆压紧受力图
图5 穿心螺杆压紧受力图

  穿心螺杆铁芯压紧结构的双鸽尾筋通过托板与机座焊接定位, 拉紧螺杆穿过定子铁芯对铁芯进行压紧, 将双鸽尾筋在现场根据实际情况进行调整后, 把定位筋托块焊接在定子机座环板上, 需要留有一定的现场装筋时间, 安装周期较长。另外, 由于拉紧螺杆和鸽尾筋与定子铁芯之间能形成有效的感应电流回路 (如图6 (a) 所示) , 拉紧螺杆需要设置绝缘, 东芝水电采用的分段全长绝缘套管进行拉紧螺杆绝缘, 在叠片过程中就将分段的绝缘套管和绝缘帽放置在螺栓孔中, 对拉紧螺杆进行整长绝缘, 以避免拉紧螺栓在安装、运行中发生相关绝缘问题 (如图6 (b) 所示) 。

图6 穿心螺杆压紧结构磁通回路示意图
图6 穿心螺杆压紧结构磁通回路示意图

  4、防止铁芯翘曲的措施

  1) 减少定子铁芯的热应力的措施:

  (1) 如果发电机铁芯直径较大的话, 定子铁芯轭部磁密就应选取较低的磁密以降低温升。

  (2) 对铁芯冲片采用高导磁率硅钢片以减少定子铁芯的损耗。

  通过采用足够数量的5~6 mm厚的通风槽钢来增加铁芯的径向通风面积从而提高通风冷却效果。

  (3) 采用无磁性的压指以降低定子铁芯端部的温升。

  2) 增大定子铁芯的抗翘曲强度:

  (1) 适当增大铁芯轭部的径向宽度, 增大铁芯的刚性。

  (2) 在定子铁芯的外径侧设置了足够数量的鸽尾键, 使其间距满足抗翘曲强度要求。

  (3) 设计合理的铁芯压紧面压 (1.5 MPa) , 确保长期运行后, 铁芯压紧具有足够的残余面压, 避免因面压不够而引起的铁芯翘曲变形。

  3) 防止定子铁芯翘曲的定子机座和基础之间的连接结构:

  采用松螺栓连接结构, 并在定子机座与基础板间的滑动面上涂二硫化钼做润滑剂, 铁芯与机座间无间隙, 从而允许机座与基础板间作自由同心径向移动 (如图7所示) 。同时机座与基础板间设置足够数量的径向键或销, 以承受突然短路时产生的切向扭矩。

图7 铁芯热膨胀后与机座径向位移示意图
图7 铁芯热膨胀后与机座径向位移示意图

  为了使定子机座在不平衡磁拉力作用下不产生过大的变形并保持其同心度, 在定子机座内部设置了足够的挡块。以上措施应用于发电机上后, 定子铁芯就不再产生有害的翘曲变形。

  5、两种铁芯压紧结构的部分业绩

  对于东芝公司来说, 杠杆式铁芯压紧结构是其标准结构, 无论是发电机还是发电电动机采用的都是这种铁芯压紧结构, 有着丰富的运行业绩和经验。东芝水电在继承东芝公司传统结构的同时, 着眼于中国国内技术和市场, 研究开发了穿心螺杆铁芯压紧结构, 两种铁芯压紧结构都有大量运行业绩, 列举部分业绩如表1。

表1 两种铁芯压紧结构的部分运行业绩表
表1 两种铁芯压紧结构的部分运行业绩表

  6、结语

  从业绩可以看出, 两种定子铁芯压紧结构不仅适用于常规水轮发电机, 也可以适用于发电电动机。从东芝水电各机组运行结果来看, 无论是杠杆式定子铁芯压紧结构还是穿心螺杆定子铁芯压紧结构都能满足机组安全稳定运行的需要。业主可以根据现场安装和运行维护需要进行选择。

  参考文献
  [1]白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京:机械工业出版社, 1982.
  [2]黄小红, 吴金水, 小野田勉.清远抽水蓄能电站发电电动机设计特点[J].水电与抽水蓄能, 2016, 2 (5) :45-50.
  [3]张福芹, 李铁军.凯乐塔电站水轮发电机设计[J].水电站机电技术, 2016, 39 (7) :1-4.
  [4]李铁军.江边电站高转速水轮发电机总体方案设计[C]//第21次中国水电设备学术讨论会论文集.北京:中国水利水电出版社, 2017:322-326.
  [5]郑觉平.安谷水电站190 MW水轮发电机整体结构设计[C]//第20次中国水电设备学术讨论会论文集.北京:中国水利水电出版社, 2015:284-288.
  [6]汪小芳, 黄道锦.深溪沟水电站大容量轴流式水轮发电机设计[J].四川水力发电, 2011, 30 (S2) :138-140.

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