单位文秘网 2022-02-20 08:14:20 点击: 次
摘 要:我国大型水力发电产品拥有世界领先的技术水平,大型水轮发电机产品对我国乃至对世界范围内水能资源丰富的国家,都具有重要作用。因此,文章主要研究了大型水轮发电机结构方案设计系统问题,阐述了结构方案的设计步骤、过程及注意事项,详尽讨论了结构方案设计系统环节,以期为大型水轮发电机结构的优化设计、提升设计的质量与效率提供有益借鉴。
关键词:水轮发电机;结构方案;设计系统
1 结构方案设计概述
1.1 设计步骤
总体来说,大型水轮发电机设计的基本步骤为:电磁设计-技术设计-施工设计-制造,五大环节与工序。
1.2 设计过程
大型水轮发电机设计的过程可分为技术设计与施工设计两大部分。
技术设计。技术设计主要关注的内容与重点是对水轮发电机新的结构设计方案中某些构件的改进及创新等。面对实际运行的新情况与新问题,需要对传统电机构建进行改造甚至创新。因此,技术设计工程师要对新问题进行分类及特征分析,在了解需要解决问题的实质之后,通过电磁设定确定一些基本参数,然后利用大型水轮发电机计算系统,对所需设计改进的零部件进行结构参数精准计算,解决设计过程中的技术问题。
施工设计。在技术设计结束,确定了零部件结构参数的情况下,要针对系统计算所得的技术参数数据进行刚度、强度的核算校验,并利用检验分析参数设计是否合理。对需要修改的参数,进行迭代修改,直至符合实际要求位置。
1.3 设计结构
大型水轮发电机结构设计可分为四大部分:定子设计、转子设计、轴承设计与机架设计。
1.4 注意事项
在定子设计、转子设计、轴承设计与机架设计过程中,每一设计环节包含众多设计子环节。在具体进行结构设计工作时,要注意对机组结构型式的选择,在选择型式时,可靠性是第一选取原则。具体来说,立式水轮发电机主要有悬式、半伞式、伞式的安装型式,要针对不同大型水轮发电机的特点进行选取。对于容量小、转速高的机组选取悬式结构,可实现机组平稳运行,轴承损耗降低及便于安装与维护等功能;对于容量大、转速相对较慢的机组,一般采用伞式结构型式,实现拆装便捷、减轻载荷量,降低造价成本的功能。
2 结构方案设计系统环节
2.1 定子设计
大型水轮发电机的定子主要由机座、铁芯、线圈、铜环及基础螺杆等构件组成。根据铁芯构件的结构与外部直径的不同,可将大型水轮发电机的定子分为整圆定子、分瓣定子与工地整圆叠装定子等不同定子类型。
2.1.1 具体设计
通常来说,大型水轮发电机结构设计是一个整机反复迭代的过程,要求对每一步设计进行校核与验证,对精准性要求很高。在具体设计过程中,首先要确定机座的具体尺寸数据,同时,要进行定子机座刚度与强度的校验,通过系统测算,要得到整体机座的重心坐标、重心半径及机座的横断面积等数值。最后,通过压力测试模拟,对机座与铁芯的承压、刚度、强度进行压力测试,检验设计是否满足实际使用需求。
2.1.2 注意事项
在定子设计过程中,定子构件中铁芯与机座之间在运行过程中存在温差,铁芯上升的温度比机座要高出很多,铁芯随着温度的升高引发膨胀变形。铁芯随热变形的程度与机座的直径成正相关性,机座直径越大,铁芯随热变形的程度越大。因此,在设计过程中要重视对铁芯随热膨胀问题,要精准计算出热膨胀的作用力数值,热膨胀力在铁芯与机座中在运转过程中产生的切向拉应力及托快焊缝应力等。
2.2 转子设计
转子的设计主要有:转轴、转子支架、磁轭、磁极与集成装置等方面。
2.2.1 转轴设计。转子结构中的轴承分为一根轴与分段轴两种类型。在实际设计过程中,采用较多的是利用一根轴实现大型水轮发电机与水轮两轴承之间的连接。其原因在于一根轴结构简单、施工方便,能够有效降低整机高度,提升整机组的密度。
2.2.2 转子支架是转轴与磁轭之间的连接部件,转子支架的结构类型主要有:与磁共轭圈合体支架、圆盘式支架、整体铸造支架及组合式支架等四种类型。转子支架承载着众多的作用力,比如扭矩、重力矩、转子支架自身的离心作用力及热打键径向配合力等。
2.2.3 转子磁轭。简称为轮缘,是大型发电机组磁路的重要组成部分,构成了固定磁极的结构部件。通常来说,转子磁轭的结构主要包括无支架结构、与支架合体结构、带转子支架结构等三大类型,不同的转子轭结构是根据大型发电机不同的转速、容量及安装工序等不同因素共同确定的。
2.2.4 转子磁极。转子磁极方案设计主要分为磁极T尾部应力计算、励磁绕组强度计算、磁极围带强度计算、阻尼绕阻计算、磁极冲片计算及磁极压板计算等环节。
2.2.5 集电装置。转子集电装置主要由集电环与电刷装置共同组成。集电环固定在转轴,通过电缆实现与励磁绕组连接,电刷装置固定在励磁架内。
3 轴承设计
在具体的轴承设计过程中,主要分为推力轴承与导轴承设计两大类。
3.1 推力轴承设计
在大型水轮发电机的推力轴承设计过程中,对推力轴承的性能指标、质量指标及成本效益指标等都是重点关注方面。在技术环节方面,注重对推力轴承的轴瓦支承周向偏心及负载系数、摩擦阻力系数、循环系数等进行系统计算与校核。
3.2 导轴承设计
在大型顺轮发电机组中,导轴承的主要功能是将载荷机组转动部分径向的不平衡力与电磁不平衡力,将机组的轴承摆动控制在稳定可控范围内。因此,在设计过程中,要对导轴承的位置、数量及其与发电机组容量与转速相匹配的数值进行精确计算,并将其安装在机架中心体的油槽内部。
4 机架设计
机架在大型水轮发电机中主要起到支承作用,可实现对推力轴承、转轴承及其他大型构建的支承作用。根据大型水轮发电机的总体安装为布置的情况,对机架结构类型进行确认。机架结构按照载荷力的高低,可分为可载荷机架与非载荷机架两种类型。按照机架支臂的不同可分为井字型、辐射型及桥型等不同类型。在具体设计过程中,要根据大型水轮发电机组部件的实际安装与构成、对载重的不同要求对机架进行实时的调整与设计。
综上所述,大型水轮发电机结构设计是一项复杂且技术含量很高的系统工程。在具体的设计过程中,要综合考虑设计方案的步骤、流程与环节,同时,针对定子、转子及轴承等重要关键环节要进行科学论证与数据校核,实现结构方案设计系统的分块设计科学具体,系统整体设计合理高效,实现高品质的实际应用性。
参考文献
[1]王亮.大型水轮发电机结构方案设计系统[J].研究探讨,2007(4).
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