水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)與工作原理培訓(xùn)講義全

..水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及工作原理培訓(xùn)講義目錄TOC\o"1-2"\u第一章水輪發(fā)電機(jī)組概述若按供氣方式分,常見的補(bǔ)氣方式有自然補(bǔ)氣和強(qiáng)迫補(bǔ)氣兩種。當(dāng)下游水位變化不大,且水輪機(jī)吸出高度為正值時(shí),采用自然補(bǔ)氣；當(dāng)下游水位變化幅度較大,且水輪機(jī)吸出高度小于－5m時(shí),采用自然空氣補(bǔ)氣有困難,則采用射流泵或壓縮空氣進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣。若按補(bǔ)氣位置分,主要有軸心孔補(bǔ)氣、尾水管補(bǔ)氣兩種?！?軸心孔補(bǔ)氣。在空心主軸下端的軸心孔處裝設(shè)補(bǔ)氣閥,如圖5-37所示。其工作原理是當(dāng)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(shí),托架和橡皮球〔或橡膠平板下移,大氣由軸心孔向尾水管進(jìn)行補(bǔ)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(zhǎng)期泡在水中,橡皮易老化變形,以及經(jīng)常動(dòng)作而被壓扁,使之封水不嚴(yán),適用于小型水輪機(jī)；大中型多采用橡膠平板式真空吸力閥,如圖5-37〔b所示。〔b〔b圖5-37軸心孔補(bǔ)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(bǔ)氣。常見的有十字架〔或三角架補(bǔ)氣和短管補(bǔ)氣兩種型式。如圖5-38〔a所示為十字架補(bǔ)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(dòng)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(cè)。尾水管里襯外壁裝環(huán)形均氣槽,使補(bǔ)入空氣均勻通入橫管。然后用管道連接至水輪機(jī)層或廠房外,在管道末端連接吸力真空閥。當(dāng)轉(zhuǎn)輪出口真空度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),真空閥打開,補(bǔ)入空氣至尾水。對(duì)于尺寸較大的水輪機(jī),如果采用十字架補(bǔ)氣,則因橫管較長(zhǎng),受力情況差,易被水流沖掉,此時(shí)可采用如圖5-38〔b所示的短管補(bǔ)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(jìn)口附近的里襯上,實(shí)現(xiàn)尾水管補(bǔ)氣。<a><b>圖5-38尾水管補(bǔ)氣<a>十字架補(bǔ)氣；<b>短管補(bǔ)氣1-中心體；2-橫管；3-均氣槽；4-進(jìn)氣管2、緊急真空破壞閥當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷或事故緊急關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí),由于水流的慣性作用,在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頂起,形成抬機(jī)現(xiàn)象,甚至有可能使頂蓋破壞。真空破壞閥就是在緊急關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí),自動(dòng)補(bǔ)入空氣,破壞轉(zhuǎn)輪室真空,減少上述有害的沖擊力或抬機(jī)現(xiàn)象,起到一定的保護(hù)作用。大中型水輪機(jī)中,緊急真空破壞閥一般裝在頂蓋或支持蓋內(nèi)。為使補(bǔ)氣均勻,常沿圓周均布2至4個(gè)。裝置位置盡可能靠近機(jī)組中心,以提高空氣補(bǔ)入速度。對(duì)于中小型機(jī)組,有時(shí)因頂蓋內(nèi)位置狹窄,布置不方便,也可以將閥布置在機(jī)坑內(nèi)并用管路引至轉(zhuǎn)輪室。如圖5-39為自吸式緊急真空破壞閥,它是當(dāng)轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生真空時(shí),閥盤1在大氣壓的作用下壓縮彈簧5,自動(dòng)向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)補(bǔ)入空氣,當(dāng)真空降低到一定數(shù)值后,閥盤1在彈簧5作用下關(guān)閉。彈簧的預(yù)緊力可通過(guò)調(diào)節(jié)螺母6來(lái)調(diào)整。目前采用的真空破壞閥中,彈簧的預(yù)緊力應(yīng)考慮真空在0.005～0.01MPa時(shí)即能打開,當(dāng)頂蓋下面真空值超過(guò)0.025～0.03MPa時(shí)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(jī)的基本結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)的主要作用是將水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能最終轉(zhuǎn)換成電能,其結(jié)構(gòu)與性能的好壞對(duì)電站的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。水輪發(fā)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承、冷卻器、制動(dòng)器等部件組成。一、水輪發(fā)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子定子與轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機(jī)的主體部件,水輪發(fā)電機(jī)就是依靠定子繞組切割轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而發(fā)電的。1、水輪發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)定子主要由機(jī)座、鐵芯、三相繞組等組成,如圖6-1所示。鐵芯固定在機(jī)座上,三相繞組嵌裝在鐵芯的齒槽內(nèi)。發(fā)電機(jī)定子機(jī)座、鐵芯和三相繞組統(tǒng)一體統(tǒng)稱為發(fā)電機(jī)定子,也稱為電樞。圖6-1立軸水輪發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)⑴機(jī)座定子機(jī)座一般呈圓形,小容量水輪發(fā)電機(jī)多數(shù)采用鑄鐵整圓機(jī)座,也有采用鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu)；容量較大的水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)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(jī)組的機(jī)座要承受軸向荷重、定子自重及電磁扭矩并傳遞給基礎(chǔ)。頂環(huán)與上機(jī)架相連,下環(huán)與基礎(chǔ)板間有騎縫銷,承受短路切向剪力。機(jī)座應(yīng)有足夠的剛度,同時(shí)還應(yīng)能適應(yīng)鐵芯的熱變形。⑵鐵芯定子鐵芯是定子的一個(gè)重要部件,由扇形沖片、通風(fēng)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(guó)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(jī)扇形沖片宜采用低損耗、無(wú)時(shí)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(jī)提供磁阻很小的磁路,能通過(guò)發(fā)電機(jī)所需要的磁通,并用以固定繞組。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),定子鐵芯會(huì)受到機(jī)械力、熱應(yīng)力及電磁力的綜合作用。⑶繞組三相繞組由絕緣導(dǎo)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(dāng)轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)時(shí),定子繞組切割磁力線而感應(yīng)出電勢(shì)。2、水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)換能量和傳遞轉(zhuǎn)矩的主要部件,一般由主軸、轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)⑴主軸主軸的作用是用來(lái)傳遞扭矩,應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和剛度。主軸一般由35號(hào)、40號(hào)、45號(hào)、20SiMn等鋼整鍛而成。小容量水輪發(fā)電機(jī)一般采用整鍛實(shí)心軸,也有的采用無(wú)縫鋼管作為軸；大中型容量的發(fā)電機(jī)采用整鍛空心軸。⑵磁極磁極是提供勵(lì)磁磁場(chǎng)的磁感應(yīng)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(shí)心和疊片兩種結(jié)構(gòu)。中、小容量高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子,為滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求和改善發(fā)電機(jī)的特性,常采用實(shí)心磁極結(jié)構(gòu),整體鍛造或鑄造而成。對(duì)于轉(zhuǎn)速大于或等于750r/min的小型水輪發(fā)電機(jī),常采用磁極鐵芯連同轉(zhuǎn)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(jī)的沖片面積小、鐵芯短,多采用鉚釘緊固結(jié)構(gòu)。磁極上裝有勵(lì)磁線圈,勵(lì)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(gè)堅(jiān)固的整體。磁極上還裝有阻尼繞組,可以減小運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子振蕩的幅值。磁極固定方式,通常采用螺釘、T尾和鴿尾結(jié)構(gòu)。⑶磁軛與轉(zhuǎn)子支架磁軛的作用是構(gòu)成磁路并固定磁極。轉(zhuǎn)子支架的作用是固定磁軛。對(duì)于定子鐵芯外徑小于3250㎜的中小容量的水輪發(fā)電機(jī),磁軛可用鑄鋼或整圓的厚鋼板制造,不需要轉(zhuǎn)門的轉(zhuǎn)子支架,如圖6-2所示。磁軛通過(guò)鍵、熱套等方式與主軸連成一個(gè)整體。對(duì)于定子鐵芯外徑較大的水輪發(fā)電機(jī),磁軛通過(guò)轉(zhuǎn)子支架和主軸連成一體,這種結(jié)構(gòu)的磁軛由扇形沖片交錯(cuò)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(jī)的主要附屬部件要保證水輪發(fā)電機(jī)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(guān)重要的作用。1、機(jī)架機(jī)架是立軸水輪發(fā)電機(jī)安裝推力軸承、導(dǎo)軸承、制動(dòng)器及水輪機(jī)受油器的支撐部件,是水輪發(fā)電機(jī)較為重要的結(jié)構(gòu)件。機(jī)架由中心體和支臂組成,一般采用鋼板焊接結(jié)構(gòu),中心體為圓盤形式,支臂大多為工字梁形式。機(jī)架按照其所處的位置分為上機(jī)架和下機(jī)架,按照承載性質(zhì)分為負(fù)荷機(jī)架和非負(fù)荷機(jī)架,安置推力軸承的機(jī)架稱為負(fù)荷機(jī)架。對(duì)懸式水輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō),上機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架,下機(jī)架為非負(fù)荷機(jī)架；對(duì)傘式水輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō),上機(jī)架為非負(fù)荷機(jī)架,下機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架。中小型立軸水輪發(fā)電機(jī)一般為懸式機(jī)組,推力軸承位于上機(jī)架內(nèi),如圖6-3所示。圖6-3上機(jī)架及推力軸承結(jié)構(gòu)1-上機(jī)架；2-冷卻器；3-氣窗；4-導(dǎo)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(fù)荷機(jī)架要承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的全部重量、水輪機(jī)軸向水推力、機(jī)架和軸承的自重、導(dǎo)軸承傳遞的徑向力及作用在機(jī)架上的其他負(fù)荷。非負(fù)荷機(jī)架主要用來(lái)安置導(dǎo)軸承,要承受的徑向力有轉(zhuǎn)子徑機(jī)械不平衡力和因定子、轉(zhuǎn)子氣隙不均勻而產(chǎn)生的單邊磁拉力,要承受的軸向負(fù)荷有導(dǎo)軸承及油槽自重、制動(dòng)器傳遞的力或上蓋板及轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)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(yīng)用液體潤(rùn)滑承載原理的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分全部重量及水推力等負(fù)荷,并將這些負(fù)荷傳給負(fù)荷機(jī)架。⑵推力軸承的分類推力軸承支承結(jié)構(gòu)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(jī)；彈性油箱支承和平衡塊支承式用于大中型發(fā)電機(jī)。中小型水輪發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)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(duì)軸承進(jìn)行安裝調(diào)整后,用鎖片緊固抗重螺栓,以防運(yùn)行時(shí)松動(dòng)?？怪芈菟ㄒ瞬捎?0Cr合金結(jié)構(gòu)鋼,頭部應(yīng)經(jīng)熱處理,硬度達(dá)到HRC40～50,尾部采用二級(jí)精度的二級(jí)細(xì)牙螺紋,中部的六角形尺寸應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。②推力瓦：推力瓦是推力軸承中的關(guān)鍵部件,是整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分的摩擦面,并且承受整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)推力軸承的推力瓦數(shù)多為6～8塊。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),要求各軸瓦均勻的承受推力負(fù)荷,如果各軸瓦受力不均,將產(chǎn)生較大溫差,造成個(gè)別軸瓦溫度增高,瓦面變形磨損增大,影響機(jī)組安全運(yùn)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(fù)荷傳遞到推力瓦上的部件,技術(shù)要求高。由于推力軸承運(yùn)行時(shí)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(guò)了最小油膜厚度,會(huì)破壞推力瓦與鏡板之間所建立的油膜,推力軸承就會(huì)在半干摩擦或干摩擦狀態(tài)下運(yùn)行,造成燒瓦事故或瓦面損壞。鏡板多采用45號(hào)鍛鋼,應(yīng)有足夠的剛度。有的鏡板因剛度小,運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生周期性的波浪變形,導(dǎo)致推力頭與鏡板結(jié)合面的接觸腐蝕,使軸線擺動(dòng),軸的擺度增加。④推力頭：推力頭是承受并傳遞機(jī)組軸向負(fù)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(zhuǎn)。推力頭應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度,以承受機(jī)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(jié)構(gòu)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(yùn)行中有一定的均衡負(fù)荷作用。其材質(zhì)應(yīng)選用能承受較大彎曲應(yīng)力的高強(qiáng)度材料,如40Cr、30Cr等。⑥絕緣墊：為了防止軸電流對(duì)軸瓦和鏡板的腐蝕、對(duì)潤(rùn)滑油的破壞、降低潤(rùn)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(jié)合面之間裝設(shè)絕緣墊,切斷軸電流回路,保護(hù)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(jī)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(gè)軸承和冷卻器一同裝在一個(gè)盛有透平油的油槽里,油不僅起潤(rùn)滑作用,也起冷卻作用。冷卻器內(nèi)通冷卻水,對(duì)油進(jìn)行冷卻,被冷卻后的油再對(duì)軸瓦進(jìn)行冷卻。油有黏性,可以附著在旋轉(zhuǎn)件表面,當(dāng)旋轉(zhuǎn)件達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速時(shí),油會(huì)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(dòng)。另外,流過(guò)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(duì)流,也可以促使油槽中的油循環(huán)流動(dòng)。油槽中的油借助于推力頭和鏡板旋轉(zhuǎn)的黏滯泵作用和由冷卻器引起的冷、熱油的對(duì)流形成循環(huán)油路,不斷地冷卻軸承潤(rùn)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