大型异步水轮发电机转子绕组端部固定方法.docx
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大型异步水轮发电机转子绕组端部固定方法
大型异步水轮发电机转子绕组端部固定方法
摘要抽水蓄能电厂变速机组正成为技术先进、优化效率的水轮机模式，且在泵
模型功率控制方面有广泛应用范围，也是制造水力部件的最佳策略。
转子绕组的设计与传统三相定子绕组的设计相似。
这就是说，由双层线棒型绕
组组成，线棒设计成可换位的罗贝尔线棒，以使铜的损耗最小；线棒绝缘根据试验
电压规定，以转子绕组内的静止电压作为参考。
与标准的定子绕组高电压相比，主要问题在于绕组端部的设计。
设计要求必须
保持电势分层的间隙及长度，必须足以耐受飞逸速度下的离心力，并提供相应的通
风设备。
过去，安德里兹水电提供一种由热压在外起保护作用的非磁性钢环、在内的支
撑环，以及绕组线棒之间设计的非常特殊的垫片组成的支撑系统。
相对于机械损害
来说，这种复杂的系统能够满足所需支撑、适合的冷却及高电压绝缘保护。
在叠片
式转子体和转子绕组之间，也有最小的相对位移。
关键问题是环的锻造及机械加工
过程对材料规格、尺寸和精度都有严格要求。
在之前的出版物中，谢勒提出了有关
电动机-发电机的设计，包括环的支撑环（护环？
）结构说明的某些观点与面临的困
难。
为避免该难题，以及热压解决方案制造过程产生的昂贵费用，安德列兹水电开
发了一种采用许多U形螺栓来支撑线棒的系统。
为提供与前述提及的热压环相同的
函数，进行了大量调查。
这些分析包括采用CFD软件对详细的负载周期、热应力综合故障和详细的通风
计算所进行的机械仿真。
关键词异步变速发电机发电电动机线圈端部转子绕组固定
U形螺栓热压
1机械设计
尽管相比同步机组，变速抽水蓄能机组要起停周期较少，但其设计仍必须规定精确的离心负载和温度负载周期。
结果，高压力绝缘内的交变剪切应力和拉伸应力需最小化，以避免过度疲劳。
轴向长度上的不同径向变化产生剪切应力和弯曲应力的离心负载。
为了使端部区域内罗贝尔线棒的弯曲应力最小化，需要一个预应力系统。
通过如下阐述的两种基本设计方案，可达到这种预应力要求。
“热压支撑环设计”方案包括钢环的热收缩，而“L形螺栓设计”则包括支撑环内螺栓所固定的线棒。
以前，在德国戈尔丁抽水蓄能计划里，成功应用了该解决方案，几年后证明这个方案是全面而可靠的。
1.1热压支撑环设计
要想得到很大尺寸的热压支撑环，其解决办法与用于水轮机的那种支撑环相似，主要不同在于内环的应用。
由于离心负载与转子磁轭相似，所以环的特性可选择这样一种方法，即增大内环。
包含于机械系统的这一部件如图1所示。
（注：
图1不完整，仅为参照，请用英文原文中图片予以替换）
图1热压支撑环绕组端部支撑系统的部件－－轴侧投影
叠片式转子体（6）内，绕组上层（4）线棒和下层（3）线棒在绕组端部槽内固定，这些线棒放置在内
（2）外
（1）环之间。
尤其特别的是，成型铜线（5）用铜焊接在线棒上层绕组和与下层绕组之间。
线棒特殊的矩形截面间由带径向压力的铝制成，该径向力通过热套装配产生。
线棒径向尺寸比铝截面稍小，以致由于压收缩力的作用，线棒不会有压力。
鉴于这种高尺寸精度的安装要求，线棒不仅必须在转子槽内，而且必须在端部绕组内得以校准。
（图2无法插入，请代为插入）
（图中注释：
1.外环2.内环3.下层线棒4.上层线棒5.线棒接头6.叠片式转子）
图2热压支撑环绕组端部支撑系统的部件－－截面投影
1.2U形螺栓设计
采用U形螺栓设计方案的说明如图3所示。
在端部绕组区，罗贝尔线棒
（1）与由U形螺栓（3）支撑的叠片式转子体
（2）是隔开的。
这些螺栓连接在支撑环（4）上，轴向密封（5）安装于每两个环之间，与两个环焊接在一起。
上层线棒和下层线棒通过钎焊的铜片用电连接。
特殊的复合绝缘罩（8）用以确保径向支撑。
这些绝缘罩固定在某个位置连接到一个由双环结构（6）组成的槽内。
绝缘罩的填充材料采用无取向玻璃纤维来加强。
（注：
图3不完整，仅为参照，请用英文原文中图片予以替换）
图3采用U形螺栓的绕组端部支撑系统部件
如图4所示，U形螺栓以这样的方式预拉紧，其加压接触可保持飞逸转速。
为此，U形螺栓（5）内的端部螺帽（9）必须采用相连的特殊水力拉伸设备。
为防止螺帽松动，固定板（7）用于固定每两个螺帽中属于两个不同的U形螺栓的一端，以便单个U形螺栓的两端从对方获得电绝缘。
这就要求避免U形螺栓内的循环电流，该循环电流可能导致过热或预应力损耗。
起停周期内，静止状态的长脚螺栓的预应力会产生相对不变的拉伸力。
（注：
图4不完整，仅为参照，请用英文原文中图片予以替换）
图4U形螺栓的装配
（注释：
1.支撑块2.转子线棒3.垫片4.间隔带5.U形螺栓6.支撑环
7.螺帽固定板8.非传导片9.螺帽）
离心负载下的绕组端部的机械状况采用有限元法进行仔细研究，明显地，优化预应力用于每个螺栓序列上。
图5表明了如FEM的计算结果，在零转速状况及飞逸转速下绘制的端部图形，以及飞逸转速下径向位移涂色断面的稳定数据。
结果表明，在轴向长度上，端部变化几乎是恒定不变的，接近2.5mm，最大弯曲偏差仅限于0.5mm。
额定转速下，径向弯曲甚至更低。
图5FEM计算结果显示由于离心负载导致的径向变化
（从左到右依次注释为：
绝缘罩上层线棒）
支撑环下层线棒
U形螺栓叠片式转子
隔板
1.3螺栓损坏试验情况
尽管螺栓设计成能够承受庞大的循环负载，还是研究了单只U形线棒一端损坏的情况。
图6表明了飞逸转速下，由于离心力作用，一受损U形螺栓的绕组端部模型的径向变形部分。
该图阐明，在损坏螺栓的位置，转子线棒变形仅为0.1mm，比其他位置的变形大。
图6由于离心力和飞逸转速的作用一螺栓损坏的绕组端部变形情况
图7表明了飞逸转速下螺栓的拉伸应力分布情况。
线棒左边曲线为所有未受损螺栓的调节状况，周向的力是恒定不变的；线棒右边曲线为损环螺栓滑环边的试验情况，周向上的螺栓负载分布不再稳定。
相邻螺栓须带额外负载，同时，在相邻周向位置，U形螺栓须携带较高拉伸强度。
一份关于周围损坏的U形螺栓拉伸应力的详细评估显示，最大负载U形螺栓其负载仅为3%，，高于受控状态下的最大负载螺栓。
（小王你好，无法插入图7，请代为插入）
图7FEM计算结果显示飞逸转速下螺栓内的拉伸强度
左边：
所有螺栓的拉伸强度右边：
一个U形螺栓的受损情况
另一个分析验证是，假如U形螺栓的一端受损，另一端能够承受整个U形螺栓的离心负载，这样，在原位即能安全支撑。
2通风设计
2.1热压支撑环设计
如图8所示，空气通过径向风扇泵入绕组端部。
绕组端部的气流是分隔开的，一部分压入位于线棒间的空心铝型材，型材加强筋内可以看到图2所示截面B-B显著增加的传热面。
空气流经轴向截面，通过线棒连接并与转子分离。
进入定子外壳通过调节绕过孔洞前部，其他部分的气流旨在冷却定子绕组端部及压板。
2.2U形螺栓设计
支撑环间的垫片置于轴-径向平面之间。
该模型沿周向有48个垫片。
与径向风扇相似，这些垫片造成径向压力升高。
这样，冷空气首先通过环之间的垫片被泵入，其后通过系列下层线棒和上层线棒被泵入，然后，气流流经定子绕组端部，该情况如图8所示。
因此，环之间气流范围的大小控制大量气流、温度及损耗，该有效流程区域能够通过采用支撑环中心的简单结构的绝缘罩来控制。
（无法整体插入图8，请代为插入）
图8左：
热压通风气流，中：
U形螺栓通风系统方案、支撑环设计方案；
右：
U形螺栓通风及各气流通路
两种解决方案的大量CFD分析得以执行，图8右表明了关于U形螺栓选项通风路线的大致结果，气流在CFD模型入口处开始进入，由微粒ID着色。
3绝缘设计
电压为几千伏的大型双馈异步发电机转子绕组已设计出来，特别要注意的是由频率转换器所引起的电压峰值。
3.1热压支撑环设计
同样地，端部绕组区域要求外层电晕防护一般只用于转子槽部，电势分层确保从铝型材端部到线棒绝缘端部的电势继续升高。
图9红色区域表明分段层位置，为确保绕组端部内线棒装配紧凑，需要足够的热传递，线棒必须在该区域进行几何校正。
（该图插入后似与原图有差别，不吻合，请代为重新插入）
图9电势分层
3.2U形螺栓设计
与U形螺栓设计相似，由于金属螺栓的存在，在端部绕组区须提供外层电晕防护。
与热压支撑环形成对照的是，在绕组端部，线棒无须进行几何校准，电势分层从靠近线棒连接点钎焊处线棒绝缘端部的最后一个U形螺栓的位置得以应用，如图10所示。
图10电势分层
4结论
异步水轮发电机转子端部绕组两个支撑系统的及固定如下表所示。
设计比较
热压支撑环设计
U形螺栓设计
－
环的复杂加工，少有供给者
＋
部件简单，容易制造
－
艰难的热压过程
＋
容易安装
＋
快速安装
－
组装耗时
－
限制直径
＋
不限制直径
＋
一些部件
－
大量部件
＋
线棒上的非径向压力
－
线棒上的径向压力
－
较小的气流过流面
＋
由于较大过流面形成的较高气流
－
通过铝型材的线棒间接冷却
＋
由于直接传送的线棒的良好冷却
大直径发电机的替换方案已得到开发，该发电机的热压支撑环难以制造。
然而，对于小直径发电机来说，方案证实热压支撑环的设计仍具吸引力。
对每项工程来说，两种设计都必须仔细权衡设计时相对于彼此的安全性，采购及制造费用应便于选择最优解决办法。
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