求水轮发电机的结构原理？？

【专家解说】：

水轮发电机的结构原理

概 述

西安蓝田恒远水电设备有限公司

v水轮发电机组的型式

？按布置方式分：可分为卧式和立式两种。

X卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击式水轮机。

X一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。

？按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和伞式两种。

X推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机，它适用于转速在100r/min以上。

X推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机，无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适用于转速在150r/min以下。

？按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种。

v水轮发电机的主要作用

将水轮机旋转的机械能最终转换成电能，其结构与性能的好坏对电站的安全、稳定、高效运行起着致关重要的作用。

v水轮发电机组成

主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等部件组成。

水轮发电机定子结构

v水轮发电机定子主要由机座、铁芯和三相绕组线圈等组成。

？铁芯固定在机座上。

？三相绕组线圈嵌装在铁芯的齿槽内。

？发电机定子机座、铁芯和三相绕组统一体统称为发电机的定子，也称为电枢。

v机座

？定子机座一般呈圆形，小容量水轮发电机多数采用铸铁整圆机座，也有采用钢板焊接的箱形结构；容量较大的水轮发电机的机座由钢板制成的壁、环、立筋及合缝板等零件焊接组装而成。

？机座应有足够的刚度，同时还应能适应铁心的热变形。

v铁芯

？定子铁芯是定子的一个重要部件，由扇形冲片、通风槽片、定位筋、齿压板，拉紧螺杆及固定片等零部件装压而成。

？定子铁芯的作用是：作为磁路的主要组成部分，为发电机提供磁阻很小的磁路，以通过发电机所需要的磁通，并用以固定绕组。

v绕组

？三相绕组由绝缘导线绕制而成，均匀地分布于铁芯内圆齿槽中。

？三相绕组接成Y形，它的作用是当转子磁极旋转时，定子绕组切割磁力线而感应出电势。

水轮发电机转子结构

v水轮发电机的转子是转换能量和传递转矩的主要部件，一般由主轴、转子支架、磁轭、磁极等部件组成。

v主轴

？主轴的作用是用来传递扭矩，应具有一定的强度和刚度。

？主轴一般由35号、40号、45号或20SiMn等钢整锻而成。

？小容量水轮发电机一般采用整锻实心轴，也有的采用无缝钢管作为轴；大、中型容量的发电机采用整锻空心轴。

v磁极

？磁极是提供励磁磁场的磁感应部件，由磁极铁芯，线圈，上、下托板，极身绝缘，阻尼绕组及钢垫板等零部件组成。

？磁极铁芯分实心和叠片两种结构。

？中、小容量高转速水轮发电机的转子，常采用实心磁极结构，整体锻造或铸造而成。转速大于或等于750r／min的小型水轮发电机，常采用磁极铁芯连同转子的磁轭与主轴整体锻造加工。

？磁极固定方式通常采用螺钉、T尾和鸽尾结构。

v磁轭与转子支架

？磁轭的作用是构成磁路并固定磁极。

？转子支架的作用是固定磁轭。

？对于定子铁芯外径小于325cm的中小容量的水轮发电机，磁轭可用铸钢或整圆的厚钢板制造，不需要专门的转子支架。

？对于定子铁芯外径较大的水轮发电机，磁轭通过转子支架和主轴连成一体。

？磁轭的外缘加工有T尾、鹇尾槽或螺孔，用以固定磁极。

机架

v机架是立轴水轮发电机安置推力轴承、导轴承、制动器及水轮机受油器的支撑部件，是水轮发电机较为重要的结构件。

v机架由中心体和支臂组成，一般采用钢板焊接结构，中心体为圆盘形式，支臂大多为工字梁形式。

v机架按其所处的位置分为上、下机架，按承载性质分为负荷机架和非负荷机架。

推力轴承

v推力轴承的组成和作用

？推力轴承是应用液体润滑承载原理的机械结构部件，主要由轴承座及支承、轴瓦、镜板、推力头、油槽及冷却装置等部件组成。

？其主要作用是承受立轴水轮发电机组转动部分全部重量及水推力等负荷，并将这些负荷传给负荷机架。

v推力轴承的分类

？推力轴承支承结构方式主要有弹性垫支承式、刚性抗重螺栓支承式、弹性油箱支承和平衡块支承式四种。

？弹性垫支承式只用于小容量的立轴发电机；弹性油箱支承和平衡块支承式用于大中型发电机；中小型水轮发电机的推力轴承一般采用刚性抗重螺栓支承方式。

v刚性支柱螺钉支承方式的推力轴承

？刚性抗重螺栓支承方式的推力轴承结构如图：

？抗重螺栓

X推力瓦由头部为球面的抗重螺栓支承，抗重螺栓垂直拧入装有螺纹套筒的轴承座上。调整抗重螺栓的高度，可使瓦块保持在同一水平面上，使瓦块受力均匀。

？推力瓦

X推力瓦是推力轴承中的关键部件，它是整个机组转动部分和固定部分的摩擦面，并且承受整个机组转动部分的重量和轴向水推力。

X推力瓦一般做成扇形块，中小型水轮发电机推力轴承的推力瓦数多为6块～8块。

X常用的推力瓦有巴式合金推力瓦和弹性金属氟塑料瓦两种。

？镜板

X镜板是将推力负荷传递到推力瓦上的部件，技术要求高。

X要求镜板保证其平面度和水平度，一般为0.02mm／m。

X镜板多采用45号锻钢，应有足够的刚度。

？推力头

X推力头是承受并传递机组轴向负荷及扭矩的部件。多数用平键和卡环固定在主轴上，也有采用热套方法固定于主轴上的。

X推力头应有足够的刚度和强度，以承受机组轴向推力产生的弯矩作用，不致产生有害的变形和损坏。

？托盘

X托盘的作用是减小轴瓦的变形。另外，托盘的轴向柔度在运行中有一定的均衡负荷作用。

X其材质应选用能承受较大弯曲应力的高强度材料。

？绝缘垫

X通常在轴承座下面或推力头与镜板结合面之间装设绝缘垫，切断轴电流回路，保护轴瓦工作面，并起到绝缘和调整轴线的双重作用。

？油的循环冷却

X轴承的油循环冷却方式有内循环和外循环两种。

X中小型水轮发电机轴承的油循环冷却方式一般为内循环。

v弹性垫支承氏的推力轴承

？轴承瓦由弹性垫支承。依靠垫的弹性变形吸收瓦的不均匀负荷，并使瓦倾斜形成动压承载油楔。

v导轴承

？导轴承是用来承受水轮发电机组转动部分的径向机械不平衡力和电磁不平衡力，并约束轴线径向位移和防止轴的摆动，使机组轴线在规定数值范围内旋转的结构。

发电机制动系统

v水轮发电机制动方式

机械制动、电气制动、混合制动

v水轮发电机制动系统的组成

制动装置（俗称风闸）、控制原件、管路系统。

v机械制动的作用

为避免机组停机减速过程后期时间较长，引起推力瓦的磨损。一般当机组转速降低到额定转速25%~35%，自动投入制动器，加闸停机。

对没有配备高压油顶起装置的机组，当经历较长时间的停机之后，再次启动前，用油泵将压力油打入制动器顶起转子，使推力瓦重新建立油膜，为推力瓦创造良好的工作条件。

机组检修期间，进行重量转移。

v制动器的类型

单向制动器、双向气压复位式。

通风系统

v通风系统

机组运行时，发电机绕组以及铁芯将产生大量的热量，为了使绕组和铁芯的温度不至于过高而引起绕组绝缘损坏，发电机必须设置通风冷却装置。

v一个良好通风系统应具备的基本要求

水轮发电机运行实际产生的风量应达到设计值并略有余量。

各部位（特别是定子的有效段）的冷却风量应合理分配，各部位温度分布均匀。

风路简单，损耗较低。

结构简单、加工容易、运行稳定。

有时还能满足水电厂厂房结构以及利用发电机的热风供厂房冬季取暖。

v通风元件

压力元件：转子磁极、磁轭、风扇。其中磁极、磁轭是主要的压力元件，在整个通风系统中占80%~90%的作用。

阻力元件：定子。在整个通风系统中，定子风阻占整个风阻的70%

发电机盘车以及轴线调整

v水轮发电机总装及轴线测量调整，是机组安装调整的一个重要环节，机组轴线调整的优劣将直接影响到机组的安全运行及使用寿命。

v机组轴线、机组中心线、机组旋转中心线的概念

机组轴线：贯穿机组主轴的中心线。

机组中心线：机组固定部件的几何中心连线；

对于混流机组而言，发电机定子平均中心和水轮机固定止漏环平均中心的连线；

对于轴流式机组而言，发电机定子平均中心和转轮室中心的连线。

旋转中心：整个机组转动部分围绕着旋转的那根几何中心线，它是一条贯穿推力轴承镜板镜面中心的垂线。

v机组轴系结构

？机组总体结构形式为立轴半伞式结构。

？机组的全部轴向负荷由位于发电机下机架上的推力轴承承担。

？机组的径向负荷由发电机上导轴承、发电机下导轴承及水轮机水导轴承等三部轴承承担。

？轴线是指机组转动部分各部件，从下至上依次分别由转轮、水轮机大轴、发电机主轴、推力头、转子、上端轴、集电环等部件组成。

机组轴系工作内容

轴线测量：检查机组轴线在几个典型部位的摆度，看是否超

出标准。

轴线的处理：根据实际测量的机组轴线状态，是否存在曲折、是否

存在倾斜，曲折和倾斜是单一存在还是同时存在，

做出有关的计算、分析判断，并做出相应的处理。

轴线的调整：将处理合格的轴线通过移轴和调整推力瓦的水平，使

机组的旋转中心和机组中心线重合。

v轴系产生摆度的原因

？轴系产生摆度的原因很多，主要原因为轴线与镜板磨擦面不垂直，或者轴线与旋转中心线发生中心偏移所产生。

？如果镜板磨擦面与整根轴线不垂直，当轴线回转时轴线必然偏离理论回转中心线，而轴线上任意一点测得的锥度圆，就是该点的摆度圆，摆度圆直径Φ即构成该点的摆度。

？如果镜板磨擦面与其附近的一段轴是垂直的，而与下一段轴连接时，由于法兰面与轴线的不垂直而发生轴线曲折，当轴线旋转时，便从折弯处形成锥形摆度圆，从而产生摆度。

？如果整体轴线与镜板磨擦面垂直，而整体轴线偏离理论旋转中心线，轴线旋转时，依然会形成摆度圆，从而形成摆度。

v机组摆度及中心计算方法

？主轴摆度计算方法

X在下导轴承处均匀对称抱8块下导瓦，抱瓦间隙为0.02mm，并在测量面上标出+X、+Y、-X、-Y四个测量点，架设4块百分表。在需要检查摆度的旋转部件上，做出对应的测点，并把各测量断面百分表小指针调整到“5”，读取各点读数。启动高压油减载系统，将转子旋转180°，关闭高压油，读取各测量断面百分表读数。通过计算各测量断面的位移，计算其摆度值。

？机组旋转中心确定

X机组旋转中心的确定，一般以机组转动部分与固定部分的最小间隙处为测量部位，如转轮上下止漏环，挡油圈等部位。机组安装时旋转中心测量部位为转轮下止漏环。同时兼顾转轮上冠间隙。

？机组旋转中心垂直度测量计算

X机组旋转中心垂直度是指机组转动部分在转动过程中，各转动部分旋转中心线的垂直度。

X机组旋转中心垂直度的获得，可以通过测量和计算大轴任意两个断面在0°和180°两个方位下的偏心值来得到。垂直度的调整可以通过调整推力轴承抗重螺栓高差或者调整承重机架水平来调整。

v机组轴系部件安装及摆度检查

？推力头摆度检查调整

？主轴摆度检查调整

？转子销套加工及销套、螺栓安装

？上端轴、集电环及补气阀安装及摆度检查

？轴系摆度整体检查

X轴系摆度全部安装调整完成后，对整体轴系进行摆度检查，计算各部摆度，绘制轴线偏心分布图，提交盘车记录。

v机组中心调整

？机组中心调整主要包括转轮与固定止漏环的间隙调整、轴系与推力轴承挡油圈间隙及定、转子空气间隙的调整。

？轴线中心确定

轴系中心的确定以转轮下止漏环间隙为准，通过盘车确定转轮旋转中心相对底环的偏心位置，将转轮调整到中心，偏差控制在0.10mm范围内。

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