三峡水轮发电机及主要技术问题研究

三峡水轮发电机及主要技术问题研究

④彤茹l眷第 2期19 9 7年 6月

东方电气评论DONGFANG DI ANO P N GLUN I I

VO 1 No 2 L1 .

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三峡水轮发电机及主要技术问题研究1/弘哆 16陈锡芳 f- 2 2r/ -。

摘要重点阐述京方电机股份公司多年来对三蛱水轮嚣电机设计方案的研究和论证，并对三蛱水轮发电机主要技术问越怍丁舟折和探讨。

关蕾调

三峡电站水轮发电机设计结{冷却暂一卜—~卜一

1概述举世一目的踌世纪工程——长江三峡水电站经国家正式批准动工建。这座当前世界上最大最先进的水电工程所需的水电设备，向中国电机工业提出丁前所未有的要求。三峡水电站拟装机 2 6台，总容量 1 0 1,建成后年平均发电量将超过 80 k。 820￣ 4亿 Wh水轮发电机组是水电站的心脏。三峡水电站所采用的发电机单机容量为 70 0MW,是中国还未制造过的大型发电机，应具有世界先进水平。因此设计制造兰蛱水轮发电机，是摆在中 国电机制造者面前既光荣又艰巨的任务。 从 5年代开始， o三块电站所需发电机的预研已开始了。中国电机行业有关研究所和工厂

的专家、技术^员以及高等院校的教授们，积极进行可行性论证和各种方案设计，取得了可喜的成果。其中许多阶段性成果都直接应用到具体的发电机设计制造中去。促进了中国电机工业技术水平的提高。 尤其是 1 7年， 90 中国决定在长江兴建葛洲坝水利枢纽，其目的之一就是为三峡工程进行试验和做实战准备。 1 2台机组，通过十多年的实际运行证明，电机的性能优良、发设计先进， 大大地促进了中国电机工业的发展和技术水平的提高，为设计制造三峡水轮发电机提供了实战的经验。.

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2发电机基本参数额定出力/ MW70 0

额定容量/ A MV 额定电压/V k飞轮力矩 G/ m D。N

76 9/7 3. 478 7 5 1或 2 8 O≥ 4 2 O~ 45 O .×1, ×1

功率因数额定频率/ z H纵轴暂态电抗 X' u dp 短路比

0 9/ . 0额定转速/ i . 509 r mn5 O

≤ 03 5≥ 11 ./ 86>9 .

纵轴次暂态电抗 ap≤ O 2/u

发电机效率 q/收稿日期 I 9 70 -7 1 9—21

冷却方式

定子空

冷或水冷，转子空冷。

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第2期

陈锝芳

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3发电机方案设计31电磁设计 .

推荐的电磁方案设计主要数据见表 1。衰 1

考麝发电机增大容量约 7,

32结构设钎 .3 z 1总体结构 ..

考虑到三峡发电机属低速、大容量、高推力负荷的巨型机组，同时结合国内多年运行经验，推荐三峡发电机采用具有上、下两个导轴承的半伞式结构。该结构系稳定性好，安装检修方便，为国内外巨型机组广泛采用。3 2 Z定子 ..

三峡发电机定子铁心外径达 1 0r或 200 m定子铁心长度 340 m或2 0 950 m a 50 m, 0 m 0 9 m如此大的定子无论是设计、制造，还是安装都存在相当的难度根据目前初步分析的数 m,据，考虑到工厂制造能力以及运输条件，三峡发电机定子机座将由两部分组成即上环部分。

,

和机座部分 为了便于运输，机座将分成 8。瓣机座上环和分瓣机座将在厂内焊接成部件然后在工她将上环部分和分瓣机座焊在_起，该种结构已在东电公司设计的李家峡 4 0 0MW机,

组上采用。

定子的另一问题是大直径和长铁心的结构设计。如旱选用空冷方案，定子铁心直径为1 0 r 9 0 m, 5 a长度 3 0 m 0 m, 4给设计、制造带来了难度。为此必须研究防止定子铁心热应力产

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生挠曲的措施，以及解决长铁心沿轴向温升分布不均匀的问题。为了增加定子铁心的刚度，除了采用在工地叠片，下线的方案之外，还将选用镨开 14定子冲片节距的叠片方法。/3 2 3转子 ..

三峡发电机转子拟采用无轴结构 (由上靖轴，转子中心体和下端轴组成)为了减轻主轴。重量和降低轴承损耗大轴采用内法兰结构，并与水轮机为一根轴三峡发电机转子支架直径大，通过分析拟采用圊盘式结构。该种结构具有重量轻，轴向刚度大，稳定性好，能传递较大的扭距，与支臂式支架相比，有利于通风和降低风耗之优并点。 圆盘式支架由转子中心体和 1个扇子块组成。 O中心体由上、下圊盘和圆筒焊成一体，下圆盘采用 2SMn锻钢， 0i圆筒为厚锕板卷制而成。根据加工能力及运输条件，中心体和扇形块在工厂加工组焊，到工地再焊成整体。东方电机股份有限公司先后在锕街子 1 0 5MW和漫湾 20

5MW大型机组上采用此种结构的圆盘式支架，经运行性能良好。这为三峡机组设计制造圆

盘式支架提供了成熟经验。三峡发电机属低转速大容量机组，所以锚构尺寸庞大，特别是磁轭轴向长度长，因此如何确保长磁轭的安装质量和方便工地磁轭叠装是研究的主要课题。三峡发电机转子磁轭拟将采用分段磁轭结构。初步设想分 2段，~3采用分段磁轭结构可以使磁轭叠装方便，特别是穿装磁轭拉紧螺杆方便，容易把紧，能确保磁轭叠装质量。3 2 4推力轴承 ..

三峡发电机推力轴承负荷达 5.MN, 39为当今世界上负荷最大的推力轴承，是三峡发电机设计制造的关键问题之一。为了做好三峡推力轴承的设计制造，多年来东方电机股份有限公司着手进行了推力轴承润滑理论和各种支撑结构以及轴瓦材料的研究，报告是在多年研究成果的基础上得出的三峡推力轴承初步设计方案。 近十年来设计人员对三峡推力轴承进行了大量的研究和试验工作，特别对轴瓦支撑结构， 轴瓦瓦面材料，油路循环以及热弹流动压润滑理论等专题进行了研究并得到了初步的成果。根

据多年来的研究成果和分析论证，三峡推力轴承初设外径在 5 0r 0 m左右。 2 a轴瓦平均比压钨金瓦不超过 6 a MP,弹性塑料瓦不超过 7 a MP,轴瓦数在 2￣2块范国内。轴承支捧根据最 2 4近研究的成果采用双托盘弹性支撑结构，即使采用钨金瓦也完全能适应三峡推力轴承的需要。轴瓦瓦面材料的研究，东电公司对弹性金属瓦进行了大量的试验研究，并在 98 .MN级轴承试验台上作了完整的试验。大化 2 .MN级推力轴承单位比压达 58 MP,已安全正常运 94 .5 a行近 3。年另据热弹流分析表明，该类轴承适应性较广，安全裕度大，并可简化轴承结构，对保证推力轴承安全可靠运行起着积极的作用。经分析，轴承油路的循环方式将直接影响轴承的性能，由于轴承直径受到限制，因此轴承油槽容积有限。故三峡推力轴承如果采用内循环方式难以满足安全可靠的要求，可考虑外循环方式。32 5导轴承 ..

三峡发电机单机容量大，电磁负荷高，各种难以顶见的因素多。因此，导轴承的设置不仅从轴系的稳定性出发，还要从整个机组的运行稳定性、可靠性全面考虑，为此建议三峡发电机设置上、下两个导轴承。

4发电机主要技术问题

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陈锅芳

三峡水轮发电机及主要技术

问题研究

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4 1发电机冷却方式 .

三峡发电机选用何种冷却方式是发电机设计、翩造中的重大问题。为了选择好三峡发电机的冷却方式，曾多次进行论证分析，但始终未得出—个统一意见。最近与外商技术交流中， 国外几家厂商对三峡发电机的冷却方式也没有统一意见，各公司根据自己特点各自推荐了三峡发电机的冷却方式。为了进一步对兰峡发电机冷却方式进行研究讨论，为此再次提出分析论证资料，以供参考。

按照长委会对发电机技术参数的要求，无论那种冷却方式都必须满足 x≤O 3和短路 .5比≥11因此从电磁设计的角度来看，内冷发电机的一些优越性受了一定程度的抑制， .。但两种冷却方式在结构尺寸上述是有较大的差异，见表 2衰2

由表 2可见，两种冷却方式在同样电气和机械特性的前提下，铁心长度内冷方式比空冷方式短。尤其对功率因数 0 9 .,电压为 1k 8V,转速为 7rri的内冷方式的发电机，定子铁 5/ n a

心长度 290 m。显然内冷方式不仅能省材料而且给加工制造带来较大的方便。 0m同时较短的铁芯易于使定子铁心轴向温度趋于均匀，另外由于内冷发电机其特殊的散热方式，可维持定子线棒的内部温度在 6℃ 5左右。这无论对减慢绕组绝缘的老化、改善定子综合机械热力性能等方面，都是空冷发电机无法比拟的。从某种意义上说内冷发电机的可靠性应高于空冷发电机，尤其内冷发电机具有较强的增大出力的潜力，对改善三峡水轮发电机在高水头运行工况有利表 3出了国外有代表性的巨型发电机冷却方式的选择可见内冷方式是巨型发电机 .列的主要采用方式，这里古里 I 70 0MWA机组例外的选择了全空冷方式，而采纳这种方式的直接和主要原因是该机组对 G D的要求在内冷方式得不到满足，日故立公司在当时作全面探入的分析后，由用户最后酌定的。但应当指出，三峡发电机直径比古里 I要大，园此机组的 GD z不会存在问题，相反对定子铁心的热膨胀应给予重视。当然，任何事物有其两面性，内冷发电机虽然有较多优点，但与空冷发电机比却存在着结构、工艺和运行维护较复杂诸方面的问 题，如果选用水冷系统还要占用一定的厂房面积，相对来说，空冷发电机在这里就显得比较简单。裹3

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通过多年的反复论证，对三峡发电机来说，两种冷却

方式在技术上都是可行的。但是 19 95年6月在三峡工她三斗坪召开的机电专家会议的纪要上指出：鉴于三蛱电站初步设计阶段机 组的主要参数 (如额定水头，额定出力及机组段尺寸等)已经由上鳜审批，在韧设参数不再

改变的情况下，可以采取增加发电机容量的办法来适当改善水轮机的运行工况”在这种情况。下部分发电机专家认为发电机采用半水冷冷却方式比较合适。所以在提高发电机容量的情况下，建议选用半水冷方式，对发电机增大出力的潜力和冷却的可靠性都是有利的。但最终选

用哪种冷却方式建议由用户和l造厂共同对目前国内外运行的两种方式的大型水电站作一实制地考察，然后通过多方权衡之后决定。 42发电机转逮选择 .关于三峡发电机额定转速曾做过大量的分析研究工作，在过去的分析报告中， 7rm n对 5/ i和 7 .rri 14/ n两种转速进行了分析比较。 a实际上发电机额定转速与额定电压、并联支路数、合理的槽电流、冷却方式是密切相关的。从表 4可见在不同条件下发电机的槽电流数值，以便设计人员进行转速的选择。衰4

由表 4可见仅从电磁参数的搭配关系来看无论那种冷却方式 7rri 5/ n具有最合适的支路 a

数，其两种冷却方式的槽电流都比较理想，相应的技术性能经济指标都合理。因此，电机发额定转速选 7rmi合适， 5/ n如果水轮机额定转速选 7 .rm n时， 1 4/ i其机组综合性能更好的话，7. rl n 14lmi方案也可以接受。此时，如果冷却方式定为全空冷， 7 .rm n方案电压应选则 14//

为 2 k槽电流数值才能合适 . 0V,当发电机提高容量后，考虑到合理的槽电疽等因素，其转速的选择只能是 7rm n方案。而 7. rm n 5/ i 14/ i方案只适用于半内冷方式。43颤定电压 .由上面的分析论证中，可清楚的看到凝定电压的选择，与冷却方式及额定转速相关。在

过去的三峡发电机可行性分析论证中，也曾为此做过详细的分析，当时的未知数比较多，但如发电机的额定容量就是一个最大的未知数。而当发电机的额定容量巳确定为单机 70 0MW时， 选择何种电压应该较容易比较出来。当然这不但要考虑电机本身的技术经济指标的合理性， 同时还兼顾到电站有关输变电设备的技术经济可行性。根据三峡电站历次研讨会的要求，考虑国内主变压器及发电机

电气设备的制造水平，发电机的额定电压应不低于 1k兼顾到经济 8V,合理性，电压选定在 1￣2 k由表 4可清楚的肴蓟，把 8 0V。无论耶种冷却方式，在额定转速 7 5 rml,额定电压 1k最合适。若额定转速选定为 7 .rm n/ n 8V 14//,采用空冷方式，则额定电压选择 2k 0V是合理的。如果将发电机的容量增大，发电机额定电流在 2 0A以下， 5 0 0空冷方案槽电流控制在 65 0 0A左右，则发电机无论选择那种冷却方式，其额定电压只能选 2k 0 V。 4 4功率因数 .按照长委会的要求，希望进行 c一09 0 9两种情况的分析研究。∞∞ .或 . 5通过分析认为在

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三峡水轮发电机及主要技术向题研究

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满足相同电气参数和机械性能参数的前提下，功率因数主要涉及到电站本身的经济性。目前初步计算，0 9 .功率因数的发电机总重要比 0 9时重 4~5 .5 %。 45发电机设置最大容量 .为了改善高水头条件下水轮机的稳定性能，希望发电机增设最大容量。通过各种工况的

分析计算，为了确保机组安全可靠运行，不宜仅以提高发电机温升边缘运行的方法提高容量。建议发电机按最大容量进行设计。最大容量增加不超过 1%左右为宜。 O 发电机增大容量后如果额定转速选择 7rrn则发电机的额定电压只能为 2 k研究 5/ i, a 0V。认为采用定子内冷方式对发电机增大出力的潜力有利。增大容量后推力负荷将有所增加，对推力轴承的设计与制造增加了难度。 对机组各主要结构件增大容量后的刚度、强度计算表明，其尺寸和重量均有不同程度增加，电机总重增加 8发左右，对部件的制造、运输、吊装将产生影响，应综合考虑。 4 6推力轴承布置方式 .作为三峡水轮发电机组关键部件之一的推力轴承，是三峡发电机论证分析以来，历次会议的焦点。其中关于推力轴承布置方式是研究的重点。为了合理选择推力轴承的布置方式， 曾作了多冼分析论 j正，通过分析论证，可以归纳以下意见：

()三峡推力轴承无论采用那种布置方式，技术上都是可行的，都是安全可靠的 1 ()采用放置在推力支架上的方式主要是经济上有明显的优点，且加工制造和适输都较 2易解决。雨下机架方式，则在这几个方面都将带来更多的不利；

( )通过综合权衡，认为三峡水轮发电机应优

先推荐采用推力轴承放置在推力支架上 3 .Th e r s H y o-e r t r r eGo ge dr - ne a o s g

a dteSu yo ao eh ia su s n h td nM jrT c nc l s e IC e f n hrXia g tAb ta t s r c Th s ril p i rl d s rb s i atce rma i y e c ie DF EM’ s u y n v rf ain n y r— 8 t d a d e i c t o h d o i o

g n rt r f h e r e ri t nt e at er,n loma e na po c e eao so re T Go g s oe s as a das k s p rah p ei h p y a a da ay i t jrtc ncli u so h e o g sh d og n r tr- n n ls omao eh i s e f reG re y r— e eao s s a s T Kew r Th e r e rj t y od reG g sp oe,Hy r e c i Ge eao,D s n o c do l t c n rtr ei,C n tu t r o l g er g o srci,C oi o n