乐滩水轮发电机定子穿芯螺杆结构的设计

哈尔滨电站工程有限责任公司 （黑龙江 150040） 哈尔滨动力设备股份有限公司 （黑龙江 150040） 【摘 要】 通过对比传统拉紧螺杆和穿芯螺杆的结构特点，阐述了穿芯螺杆结构在低转速大容量的发电机中的应用优势。 【关键词】 传统拉紧螺杆 穿芯拉紧螺杆 冲片 铁芯装配 一、前言 乐滩水电站位于广西忻城县红水河红渡大桥上游3km外，是红水河规划的第八个梯级电站。电站装设4台轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量为4×150MW，是国家西部大开发战略中的一项重点工程。 乐滩水轮发电机是属于低转速大容量的三相同步发电机，并且其铁心长度较大，如采用传统拉紧螺杆结构，给定子铁心的叠压带来很大的困难，压紧后波浪度满足不了机组所需的要求，而且由于波浪度的增大，压紧度不够等因素，会导致机组运行时铁心振动过大，温升过高等不良反应。 二、技术参数 乐滩水轮发电机为竖轴半伞式密闭自循环空冷三相凸极同步发电机，型号为SF150—96／15640，发电机参数见表。 三、分析设计 为避免产生铁心波浪度大，压紧度不够等现象，结合乐滩水轮发电机的相关技术参数，在结构设计中将铁心的压紧方式采用穿心螺杆结构，以下是传统拉紧螺杆和穿心螺杆结构在乐滩水轮发电机中计算和设计的技术资料对比情况。 1.压紧方式和叠压质量 采用传统拉紧螺杆时的冲片形式（见图1），以及采用传统拉紧螺杆，叠压后的铁心装配图（见图2）。 采用传统结构时，拉紧螺杆分布在铁心外侧。从装配图4上可以看到，拉紧螺杆的中心距铁心重心越近，其叠压效果应该越好，拉紧螺杆在铁心外侧的情况是叠压效果最差的情况，对于铁心短一些的机组，可以用增大螺杆拉应力，加厚压板等来解决；但由于乐滩水轮发电机铁心长度较大，这种结构叠压后会造成铁心波浪度偏大，在运行过程中很快就会产生铁心的松动的现象，而其松动又会破坏冲片表面的绝缘层，从而引起铁心的振动，增加涡流损耗，影响机组寿命，甚至产生更严重的后果。 采用了穿芯螺杆这种新结构时的冲片形式（见图3）和叠压后的铁心装配图（见图4）。 从理论角度讲，当拉紧螺杆的中心和铁心重心重合时，叠压效果是最好的，但由于整体 结构的需要，无法保证叠压效果。采用穿心拉紧螺杆后，穿心螺杆沿圆周均匀分布，作用于冲片中部。穿心螺杆上端设碟型弹簧，使铁心压紧力保持恒定，铁心不松动，铁心叠片间隙更加紧密。保证了铁心装压质量，减小了波浪度。 通过两种结构在装配图上可以看到，穿心拉紧螺杆结构有效的避免了传统拉紧螺杆所产生的弊端，经过严密的计算、设计后，在乐滩水轮发电机中采用了穿心拉紧螺杆这一结构形式。 2．拉紧螺杆应力计算 按力学理论，将铁心的压紧状态进行受力分析，每个力与力臂的关系在受力图里就一目了然了，首先看一下传统螺杆结构的受力图（见图5），根据力矩平衡原理，就可以得出这样的等式 G•L=p₂•L₂ （1） 式中 G——铁心的反作用力（设定为作用在重心上）； L——铁心重心到齿压板顶丝的距离； p₂——传统结构螺杆的拉应力； L₂——传统结构螺杆中心到压板的顶丝的距离。 对于穿心螺杆的受力图（见图6），根据力矩平衡原理，我们同样可以得出另一个等式 G•L=P₁•L₁ （2） 式中 G——铁心的反作用力（设定为作用在重心上）； L——铁心重心到齿压板的顶丝的距离； P₁——穿心拉紧螺杆的拉应力； L₁——穿心拉紧螺杆中心到压板的顶丝的距离。 由式（1）、式（2）可以得出P₁•L₁=P₂•L₂ 由于穿心螺杆结构有效的增加了螺杆到顶丝的距离（也就是拉紧螺杆的力臂），即L₁＞L₂，所以，穿心拉紧螺杆受力P₁就远小于传统结构螺杆受力P₂。也就是说，相同情况下，穿心拉紧螺杆所选择的直径可以远小于传统结构螺杆的直径。 根据乐滩电站水轮发电机的实际情况，在满足拉紧螺杆应力要求的前提下，如选择传统结构螺杆，则螺纹为M42，小径37mm，4台份净重量约32.2t，市场参考价41.2万元；而选择了穿心拉紧螺杆结构，螺纹只需M20，小径18mm，4台份净重量仅为7.3t，市场参考价9.5万元。节约材料成本32万元。 并且，由于穿心拉紧螺杆的使用，使压板上两个受力点更加接近，压板所受转矩大大降低，压板选用的厚度也由采用传统螺杆时所需的80mm（见图2）调整为60mm（见图4），每台发电机198块压板，4台份共节约净重量13.6t，考虑厚度差价，节约材料成本近10万元。可以看出，在现阶段的市场环境下，穿心螺杆结构的使用有效地降低了产品重量和设计成本。 四、总结 目前，乐滩水轮发电机已于2004年年底正式投入运行，2005年年底全部4台机组都将投入运行。根据工地反馈，乐滩水轮发电机振动小，噪声低，定子铁心温升在设计范围之内，深得用户的好评。通过计算、试验及成功经验可以看出，穿心螺杆结构的采用有效的减小了铁心波浪度，避免了铁心振动过大，温升过高等不良反应。目前，在低转速、大容量、铁心长度较大的机组中都采用了这一结构。