水輪發(fā)電機組結構與工作原理培訓講義全

..水輪發(fā)電機組結構及工作原理培訓講義目錄TOC\o"1-2"\u第一章水輪發(fā)電機組概述若按供氣方式分,常見的補氣方式有自然補氣和強迫補氣兩種。當下游水位變化不大,且水輪機吸出高度為正值時,采用自然補氣；當下游水位變化幅度較大,且水輪機吸出高度小于－5m時,采用自然空氣補氣有困難,則采用射流泵或壓縮空氣進行強迫補氣。若按補氣位置分,主要有軸心孔補氣、尾水管補氣兩種?！?軸心孔補氣。在空心主軸下端的軸心孔處裝設補氣閥,如圖5-37所示。其工作原理是當尾水管產(chǎn)生真空、軸心孔內(nèi)的大氣作用力加托架3的重量大于彈簧4的彈力時,托架和橡皮球〔或橡膠平板下移,大氣由軸心孔向尾水管進行補氣。反之,托架在彈簧的彈力作用下,使橡皮球〔或橡膠平板封閉軸心孔。圖5-37〔a中因橡皮球長期泡在水中,橡皮易老化變形,以及經(jīng)常動作而被壓扁,使之封水不嚴,適用于小型水輪機；大中型多采用橡膠平板式真空吸力閥,如圖5-37〔b所示?！瞓〔b圖5-37軸心孔補氣閥<a>球形真空吸力閥；<b>平板式真空吸力閥1-墊板；2-橡皮球、橡膠平板；3-托架；4-彈簧；5-主軸中心孔；6-主軸；7-外罩；8-底座〔2尾水管補氣。常見的有十字架〔或三角架補氣和短管補氣兩種型式。如圖5-38〔a所示為十字架補氣,它由橫管和中心體組成,十字橫管一端與中心體相連,另一端焊在尾水管里襯上,以防止空化和振動造成十字脫落。十字橫管和中心體開有若干小孔,橫管的小孔開在〔1/4～1/8D之間的背水側。尾水管里襯外壁裝環(huán)形均氣槽,使補入空氣均勻通入橫管。然后用管道連接至水輪機層或廠房外,在管道末端連接吸力真空閥。當轉輪出口真空度達到一定數(shù)值時,真空閥打開,補入空氣至尾水。對于尺寸較大的水輪機,如果采用十字架補氣,則因橫管較長,受力情況差,易被水流沖掉,此時可采用如圖5-38〔b所示的短管補氣方式,將三〔或四根出氣孔開在下方的短管均勻布置在尾水管進口附近的里襯上,實現(xiàn)尾水管補氣。<a><b>圖5-38尾水管補氣<a>十字架補氣；<b>短管補氣1-中心體；2-橫管；3-均氣槽；4-進氣管2、緊急真空破壞閥當機組甩負荷或事故緊急關閉導水機構時,由于水流的慣性作用,在轉輪室內(nèi),可能突然產(chǎn)生很大的真空。由于真空的存在,下游水位又以一定速度返回真空區(qū),產(chǎn)生很大的沖擊力,以致把轉輪和發(fā)電機轉子頂起,形成抬機現(xiàn)象,甚至有可能使頂蓋破壞。真空破壞閥就是在緊急關閉導葉時,自動補入空氣,破壞轉輪室真空,減少上述有害的沖擊力或抬機現(xiàn)象,起到一定的保護作用。大中型水輪機中,緊急真空破壞閥一般裝在頂蓋或支持蓋內(nèi)。為使補氣均勻,常沿圓周均布2至4個。裝置位置盡可能靠近機組中心,以提高空氣補入速度。對于中小型機組,有時因頂蓋內(nèi)位置狹窄,布置不方便,也可以將閥布置在機坑內(nèi)并用管路引至轉輪室。如圖5-39為自吸式緊急真空破壞閥,它是當轉輪室產(chǎn)生真空時,閥盤1在大氣壓的作用下壓縮彈簧5,自動向轉輪室內(nèi)補入空氣,當真空降低到一定數(shù)值后,閥盤1在彈簧5作用下關閉。彈簧的預緊力可通過調(diào)節(jié)螺母6來調(diào)整。目前采用的真空破壞閥中,彈簧的預緊力應考慮真空在0.005～0.01MPa時即能打開,當頂蓋下面真空值超過0.025～0.03MPa時閥門全開。圖5-39自吸式緊急真空破壞閥圖5-39自吸式緊急真空破壞閥1-閥盤；2-閥座；3-閥桿；4-軸承；5-彈簧；6-調(diào)整螺母第六章水輪發(fā)電機的基本結構水輪發(fā)電機的主要作用是將水輪機的旋轉機械能最終轉換成電能,其結構與性能的好壞對電站的安全、穩(wěn)定、高效運行起著至關重要的作用。水輪發(fā)電機主要由定子、轉子、機架、推力軸承、導軸承、冷卻器、制動器等部件組成。一、水輪發(fā)電機的定子與轉子定子與轉子是水輪發(fā)電機的主體部件,水輪發(fā)電機就是依靠定子繞組切割轉子旋轉磁場而發(fā)電的。1、水輪發(fā)電機定子結構水輪發(fā)電機定子主要由機座、鐵芯、三相繞組等組成,如圖6-1所示。鐵芯固定在機座上,三相繞組嵌裝在鐵芯的齒槽內(nèi)。發(fā)電機定子機座、鐵芯和三相繞組統(tǒng)一體統(tǒng)稱為發(fā)電機定子,也稱為電樞。圖6-1立軸水輪發(fā)電機定子結構⑴機座定子機座一般呈圓形,小容量水輪發(fā)電機多數(shù)采用鑄鐵整圓機座,也有采用鋼板焊接的箱形結構；容量較大的水輪發(fā)電機的機座由鋼板制成的壁、環(huán)、立筋、合縫板等零件焊接組裝而成。立軸機組的機座要承受軸向荷重、定子自重及電磁扭矩并傳遞給基礎。頂環(huán)與上機架相連,下環(huán)與基礎板間有騎縫銷,承受短路切向剪力。機座應有足夠的剛度,同時還應能適應鐵芯的熱變形。⑵鐵芯定子鐵芯是定子的一個重要部件,由扇形沖片、通風槽片、定位筋、齒壓板、拉緊螺桿、固定片等零部件裝壓而成。其中扇形沖片為最主要的部件,由0.5㎜厚的硅鋼片沖壓而成。為了減小渦流損耗,硅鋼片之間用絕緣漆絕緣。國產(chǎn)硅鋼片有熱軋和冷軋兩類,其中冷軋的硅鋼片損耗較低。發(fā)電機扇形沖片宜采用低損耗、無時效、優(yōu)質(zhì)冷軋薄硅鋼片。定子鐵芯的作用是：作為磁路的主要組成部分,為發(fā)電機提供磁阻很小的磁路,能通過發(fā)電機所需要的磁通,并用以固定繞組。發(fā)電機運行時,定子鐵芯會受到機械力、熱應力及電磁力的綜合作用。⑶繞組三相繞組由絕緣導線繞制而成,均勻地分布于鐵芯內(nèi)圓齒槽中。三相繞組接成Y形,它的作用是當轉子磁極旋轉時,定子繞組切割磁力線而感應出電勢。2、水輪發(fā)電機的轉子結構水輪發(fā)電機的轉子是轉換能量和傳遞轉矩的主要部件,一般由主軸、轉子支架、磁軛、磁極等部件組成,如圖6-2所示。圖6-2立軸水輪發(fā)電機轉子結構⑴主軸主軸的作用是用來傳遞扭矩,應具有一定的強度和剛度。主軸一般由35號、40號、45號、20SiMn等鋼整鍛而成。小容量水輪發(fā)電機一般采用整鍛實心軸,也有的采用無縫鋼管作為軸；大中型容量的發(fā)電機采用整鍛空心軸。⑵磁極磁極是提供勵磁磁場的磁感應部件,由磁極鐵芯、線圈、上下托板、極身絕緣、阻尼繞組、鋼墊板等零部件組成。磁極鐵芯分實心和疊片兩種結構。中、小容量高轉速水輪發(fā)電機的轉子,為滿足機械強度的要求和改善發(fā)電機的特性,常采用實心磁極結構,整體鍛造或鑄造而成。對于轉速大于或等于750r/min的小型水輪發(fā)電機,常采用磁極鐵芯連同轉子的磁軛與主軸整體鍛造加工。疊片磁極鐵芯由沖片、磁極壓板、拉緊螺桿〔或鉚釘?shù)攘慵M成。小容量水輪發(fā)電機的沖片面積小、鐵芯短,多采用鉚釘緊固結構。磁極上裝有勵磁線圈,勵磁線圈多由扁銅線繞成并包有絕緣材料。線圈繞好后經(jīng)浸膠熱壓處理,使其成為一個堅固的整體。磁極上還裝有阻尼繞組,可以減小運行時轉子振蕩的幅值。磁極固定方式,通常采用螺釘、T尾和鴿尾結構。⑶磁軛與轉子支架磁軛的作用是構成磁路并固定磁極。轉子支架的作用是固定磁軛。對于定子鐵芯外徑小于3250㎜的中小容量的水輪發(fā)電機,磁軛可用鑄鋼或整圓的厚鋼板制造,不需要轉門的轉子支架,如圖6-2所示。磁軛通過鍵、熱套等方式與主軸連成一個整體。對于定子鐵芯外徑較大的水輪發(fā)電機,磁軛通過轉子支架和主軸連成一體,這種結構的磁軛由扇形沖片交錯疊成并用拉緊螺桿緊固。磁軛外緣加工有T尾、燕尾槽或螺釘,用以固定磁極。二、水輪發(fā)電機的主要附屬部件要保證水輪發(fā)電機組安全可靠地工作,其附屬部件工作性能的好壞也起著至關重要的作用。1、機架機架是立軸水輪發(fā)電機安裝推力軸承、導軸承、制動器及水輪機受油器的支撐部件,是水輪發(fā)電機較為重要的結構件。機架由中心體和支臂組成,一般采用鋼板焊接結構,中心體為圓盤形式,支臂大多為工字梁形式。機架按照其所處的位置分為上機架和下機架,按照承載性質(zhì)分為負荷機架和非負荷機架,安置推力軸承的機架稱為負荷機架。對懸式水輪發(fā)電機來說,上機架為負荷機架,下機架為非負荷機架；對傘式水輪發(fā)電機來說,上機架為非負荷機架,下機架為負荷機架。中小型立軸水輪發(fā)電機一般為懸式機組,推力軸承位于上機架內(nèi),如圖6-3所示。圖6-3上機架及推力軸承結構1-上機架；2-冷卻器；3-氣窗；4-導軸承裝配；5-密封蓋；6-卡環(huán)；7-推力頭；8-隔油板；9-鏡板；10-擋油管；11-主軸；12-軸承座；13-抗重螺栓；14-托盤；15-推力瓦；16-絕緣墊負荷機架要承受機組轉動部分的全部重量、水輪機軸向水推力、機架和軸承的自重、導軸承傳遞的徑向力及作用在機架上的其他負荷。非負荷機架主要用來安置導軸承,要承受的徑向力有轉子徑機械不平衡力和因定子、轉子氣隙不均勻而產(chǎn)生的單邊磁拉力,要承受的軸向負荷有導軸承及油槽自重、制動器傳遞的力或上蓋板及轉漿式水輪機的受油器。2、推力軸承⑴推力軸承的組成和作用推力軸承是應用液體潤滑承載原理的機械結構部件,主要有軸承座及支承、軸瓦、鏡板、推力頭、油槽、冷卻裝置等部件組成。其主要作用是承受立軸水輪發(fā)電機組轉動部分全部重量及水推力等負荷,并將這些負荷傳給負荷機架。⑵推力軸承的分類推力軸承支承結構方式主要有彈性墊支承式、鋼性抗重螺栓支承式、彈性油箱支承和平衡塊支承式四種。其中彈性墊支承式只用于小容量的立軸發(fā)電機；彈性油箱支承和平衡塊支承式用于大中型發(fā)電機。中小型水輪發(fā)電機的推力軸承一般采用剛性抗重螺栓支承方式,下面主要介紹剛性抗重螺栓支承方式的推力軸承。⑶剛性抗重螺栓支承方式的推力軸承剛性抗重螺栓支承方式的推力軸承結構如圖6-3所示,支承體為剛性抗重螺栓。①抗重螺栓：推力瓦由頭部為球面的抗重螺栓支承,抗重螺栓垂直擰入裝有螺紋套筒的軸承座上,調(diào)整抗重螺栓的高度,可使瓦塊保持在同一水平面上,使瓦塊受力均勻。對軸承進行安裝調(diào)整后,用鎖片緊固抗重螺栓,以防運行時松動?？怪芈菟ㄒ瞬捎?0Cr合金結構鋼,頭部應經(jīng)熱處理,硬度達到HRC40～50,尾部采用二級精度的二級細牙螺紋,中部的六角形尺寸應符合標準規(guī)定。②推力瓦：推力瓦是推力軸承中的關鍵部件,是整個機組轉動部分和固定部分的摩擦面,并且承受整個機組轉動部分的重量和軸向水推力。推力瓦一般做成扇形塊,中小型水輪發(fā)電機推力軸承的推力瓦數(shù)多為6～8塊。軸承運轉時,要求各軸瓦均勻的承受推力負荷,如果各軸瓦受力不均,將產(chǎn)生較大溫差,造成個別軸瓦溫度增高,瓦面變形磨損增大,影響機組安全運行。常用的推力瓦有巴氏合金推力瓦和彈性金屬氟塑料瓦兩種。③鏡板：鏡板是將推力負荷傳遞到推力瓦上的部件,技術要求高。由于推力軸承運行時油膜厚度只有0.03～0.07㎜,因此要求鏡板有較高的精度和較低的粗糙度。如果鏡板粗糙度高,則軸承摩擦損耗增大。鏡面如有傷痕或銹蝕等缺陷,則可能破壞油膜,甚至造成燒瓦事故。所以,要求鏡板保證其平面度和水平度,一般為0.02㎜/m。推力瓦之間相互高差一般控制在0.02㎜以內(nèi),即要求推力瓦的平面度與鏡板的平面度相近。如果鏡板與推力瓦的平面度不好,其偏差超過了最小油膜厚度,會破壞推力瓦與鏡板之間所建立的油膜,推力軸承就會在半干摩擦或干摩擦狀態(tài)下運行,造成燒瓦事故或瓦面損壞。鏡板多采用45號鍛鋼,應有足夠的剛度。有的鏡板因剛度小,運行時產(chǎn)生周期性的波浪變形,導致推力頭與鏡板結合面的接觸腐蝕,使軸線擺動,軸的擺度增加。④推力頭：推力頭是承受并傳遞機組軸向負荷及扭矩的部件,多數(shù)用平鍵和卡環(huán)固定在主軸上,也有采用熱套方法固定在主軸上的。推力頭與鏡板用螺栓連接,一起隨主軸旋轉。推力頭應有足夠的剛度和強度,以承受機組軸向推力產(chǎn)生的彎矩作用,不致產(chǎn)生有害的變形和損壞。推力頭的材質(zhì)宜采用焊接性能和鑄造性能較好的合金結構鑄鋼ZG20SiMn。⑤托盤：托盤的作用是減小軸瓦的變形。另外,托盤的軸向柔度在運行中有一定的均衡負荷作用。其材質(zhì)應選用能承受較大彎曲應力的高強度材料,如40Cr、30Cr等。⑥絕緣墊：為了防止軸電流對軸瓦和鏡板的腐蝕、對潤滑油的破壞、降低潤滑性能、使軸承溫度升高等,通常在軸承座下面或推力頭與鏡板結合面之間裝設絕緣墊,切斷軸電流回路,保護軸瓦工作面,并起到絕緣和調(diào)整軸線的雙重作用。⑦油的循環(huán)冷卻：軸承的油循環(huán)冷卻方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種,中小型水輪發(fā)電機軸承的油循環(huán)冷卻方式一般為內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)將整個軸承和冷卻器一同裝在一個盛有透平油的油槽里,油不僅起潤滑作用,也起冷卻作用。冷卻器內(nèi)通冷卻水,對油進行冷卻,被冷卻后的油再對軸瓦進行冷卻。油有黏性,可以附著在旋轉件表面,當旋轉件達到一定的轉速時,油會甩出,形成油流,這就是所謂的黏滯泵的作用,可以促使軸承中的油循環(huán)流動。另外,流過冷卻器后的油,溫度降低、體積減小、密度增大而下沉,形成溫差對流,也可以促使油槽中的油循環(huán)流動。油槽中的油借助于推力頭和鏡板旋轉的黏滯泵作用和由冷卻器引起的冷、熱油的對流形成循環(huán)油路,不斷地冷卻軸承潤滑。⑷彈性墊支承式的推力軸承軸承瓦由彈性墊支承,依靠墊的彈性變形吸收瓦的不均