环形基础在高转速水轮发电机中的应用

 黄小红1，小野田勉2

  （1．东芝水电设备（杭州）有限公司，杭州310020;2．株式会社东芝，横滨230-0045）

[摘要]  作为下机架和定子的共用基础-环形基础，既承受传到下机架上的作用力，也承受传到定子上的作用力，其中，不平衡磁拉力作为内应力可以一部分相互抵消，整体刚性好，对轴系稳定有着很好的作用，同时也作为下部风路的回路，优化了混凝土结构，适用于高转速机组。

[关键词]  环形基础；轴系稳定；高速机组

[中图分类号]TM355 [文章编号]1000-3983(2016)03-0013-02

 0  引言

  对于立轴水轮发电机，通常发电机的定子通过定子基础板固定在混凝土基础上，下机架通过下机架基础板固定在混凝土基础上，并且基础板多采用分块式的结构形式。东芝在高转速机组上，尤其是抽水蓄能机组上大量采用了定子与下机架基础一体化的环形基础结构。本文将重点介绍东芝环形基础在高转速机组上的有关应用。

1环形基础的应用

1.1环形基础应用背景

  在东芝设计的日本九州电力公司的大平2号机组上环形基础得到首次应用。大平2号机是265MVA、400r/min的抽水蓄能机组，如图1所示。在上世纪70年代，东芝开始进入大容量、高转速机组的发展时代，传统的自带转子风扇通风系统已不能满足通风的需要，从而外置式的电动风扇强迫通风系统得到应用。另外，由于转速比较高，水轮机机坑径与定子铁心内径差相对比较小。这样既作为下部风路的回路，也作为对混凝土结构的优化，定子与下机架基础一体化的环形基础结构就形成并成功地在大平2号机组上得到首次应用。

 之后大容量、高转速的抽水蓄能机组中也多采用这种环形基础结构。

 对于高转速水轮发电机机组，由于水轮机机坑径与定子铁心内径差往往存在相对比较小的倾向，因此，定子与下机架基础一体化的环形基础结构在高转速机组中也得到大量的应用。

1.2环形基础的特点

  定子与下机架基础一体化的环形基础具有以下特点：

 (1)混凝土基础形状简单

 对于分块式基础结构，为了形成风道，通常需要在各分块定子基础混凝土之间开设专门的风道。而采用环形基础结构后，混凝土基础的结构相对简单，在环形基础的壁板上直接开孔就可以形成多个必要的风道。另外，将定子基础和下机架基础两个分开的基础合为一个共用的基础，基础的结构得到了进一步优化。

 (2)定子和下机架基础一体化，便于安装

 定子和下机架基础一体化，共用一个基础，现场定中心和调水平的工作大大减少。对于有工场试验要求的机组优势就更加明显。

(3)基础上的径向作用力减小

  从图2可以看出，定子基础处的径向作用力Pf1大小为

  其中Pf为定转子不平衡磁拉力或半数磁极短路引起的径向力。

  而定子基础处的作用力Pf1的方向与下机架基础处的作用力Pf2的方向是相反的。由于环形基础是定子基础和下机架基础合为—体的结构，因此，这两个方向相反的作用在基础上的力可以抵消Pf2，基础上作用力的大小为Pf1与Pf2之差。相对定子基础和下机架基础分别布置的结构，基础上的作用力会大幅减小。

 (4)相对分块式的基础，刚性更好

 在轴系稳定性计算时，导轴承处的综合径向刚性k i由油膜处的径向刚性k o i、轴承支架的径向刚性k s、基础的径向刚性k F综合确定，如式(3)所示，

  对于不设防振支撑，机架为支臂式的分块式基础，基础的径向刚性KF如式(4)所示，

  采用分块式基础时，单个基础的径向刚性是以基础板对应投影到基础上的面积来考虑的。以200MVA容量级的发电机来说，单个基础的径向刚性通常为200t/mm左右。当采用环形基础时，整周的基础上埋设有高强度的基础底板，这种情况下基础的径向刚性非常大，以至于导轴承处的径向综合刚性计算时可忽略基础的径向刚性因素的影响。从式(3)可知，基础径向刚性无限大时，可以忽略基础对于刚性的影响，从而，导轴承处的综合径向刚性会更好，轴系更稳定。

 (4)制作成本高

 环形基础多方面的优点得到广大业主的一致好评。但由于环形基础结构外形尺寸大，增加了本体的总重，在中、低转速的机组上很少应用。

1.3东芝公司采用环形基础的业绩

  从大平电站以后，抽水蓄能机组上多采用了环形基础结构，表1是东芝公司采用环形基础结构的部分典型业绩，除了带*的有峰和Bogong电站，其余均为抽水蓄能电站。

1.4我公司采用环形基础的业绩

  近年来，我公司也陆续引进了东芝的环形基础设计理念，在高转速机组四川溪古电站（92.2MVA，500r/min）设计时首次采用了该结构。我公司采用环形基础的业绩如表2。

2结束语

  本文通过我公司和东芝公司对于环形基础在高速机上获得成功应用的介绍，为水轮机坑径与定子铁心内径差比较小的高转速机的基础设计提供一种思路，为今后水轮发电机在高转速机组的基础设计提供借鉴。