巨型水轮发电机组定转子挡风板结构浅析

朱晨阳，董钟明，周玉国

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川 凉山615400）

1 引言

大型空冷式水轮发电机组拥有1 套完整的密闭循环通风冷却系统，主要由转子支架、转子磁极、转子磁轭、空冷器挡风板等部件共同组成，可以有效防止转子与定子运行过程中温度过高，保证机组的安全稳定运行。

挡风板是发电机通风冷却系统中的1 个重要部件，其安装在发电机定转子上、下方，主要作用是减少定子与转子空气间隙处的漏风量，从而增加通风循环系统的密闭性，使发电机产生的热风基本全部通过空冷器进行冷却，冷却后的冷风再次进入转子磁极、定子铁心，降低转子磁极、定子铁心温度。倘若挡风板结构设计不当，可能会造成如下安全隐患：通风冷却无法充分循环、空气间隙处漏风过大，通风效率低，从而导致定子铁心、线棒温度升高；挡风板及其紧固螺栓可能断裂，若进入定转子间隙，损坏定转子，造成机组非正常停机。

2 巨型水轮发电机组挡风板结构简介

巨型水轮发电机组挡风板一般安装在上机架、定子、转子、下机架、基础等部件上，根据运行方式不同，可将挡风板分为两种类型，即：旋转式挡风板和固定式挡风板。根据挡风板与转子相对安装位置不同，可将挡风板分为上挡风板和下挡风板。

2.1 旋转式挡风板

旋转式挡风板主要由定子围屏、定子挡风板、转子挡风板3 部分组成。定子围屏、定子挡风板均安装在定子铁心上下压指上，转子挡风板通过螺栓固定安装在转子磁极外侧。该结构安装质量要求较高，定转子挡风板的间隙值、错牙及螺栓扭矩值均要求严格；受转子磁场和机组振动影响，定子围屏、定子挡风板易出现裂纹，连接螺栓易出现磨损甚至可能断裂，断裂螺栓对定子线棒将造成不同程度的损伤，存在很大的安全隐患。

2.2 固定式挡风板

固定式挡风板分为上下2 个部分，将转子磁极、定转子空气间隙、部分转子磁轭一起封罩，形成发电机通风通道。挡风板通过吊杆和压块螺栓固定，挡风板之间通过组合缝螺栓连接，其重量主要由吊杆和环形工字钢支撑。该结构将发电机整个转子磁极、定转子空气间隙及部分转子磁轭封罩住，形成良好的通风通道，具有通风效率高、转子上方螺栓等金属不易掉入定转子间等优点。

3 巨型水轮发电机组定转子挡风板通风计算

3.1 通风计算简述

水轮发电机通风冷却技术不断发展的根本目的，在于更有效地带走发电机内因各种损耗产生的热量，从而控制发电机的温升，提高发电机的安全性和效率。目前大容量机组都采用全空冷技术。由于空气在电机内流动的复杂性，以往借助实验手段校验计算结果。

通风冷却的设计目标是保证必需的冷却风量；风量分配合理，防止过热；减少损耗，提高效率。全空冷是指定子铁心、定子绕组、汇流铜环、转子绕组、转子铁心均为空气冷却。目前大型水轮发电机基本上都采用无风扇双路端部回风系统，冷却空气在转子支架、磁轭、磁极旋转产生的风扇作用下进入转子支架入口，流经磁轭风隙、磁极极间、气隙、定子径向风沟，冷却气体携带发电机损耗热经定子铁心背部汇集到冷却器与冷却水热交换散去热量后，重新分上、下两路流经定子线圈端部进入转子支架，构成密闭自循环通风系统。该系统又可细分为固定挡风板和旋转挡风板两种结构，它们的区别主要是在上下两端空气密封方式所采用的挡风板固定方式有所不同，本文通过对两种形式的挡风板进行通风计算对比，比较两种挡风板通风效率。

3.2 挡风板安装方案

电机冷却系统结构及尺寸不变，只改变挡风板的结构形式进行通风计算。

3.3 挡风板通风计算

3.3.1 计算方法及过程

我们根据机组的结构，确定了计算网络，其中包括转子支架、磁轭、磁极的压力元件及风阻元件，定子入口、出口风阻元件，冷却器等风阻元件。网络中，在面积不变，损失系数与流体方向无关的情况下，对于等温不可压缩流体，压力/流量方程可写成：

其中V=m/pA

根据电机中的风路特点，质量流量与节点压力的关系可写成公式：

在通风网络和每个节点上有若干个元件的网络支路，可给出每个节点的质量流量的和，建立线性方程用于建立矩阵，进行求解。电机冷却系统结构及尺寸不变，只改变挡风板的结构形式进行通风计算。

3.3.2 计算结果

计算结果见表1。

表1 两种挡风板形式通风计算结果

3.3.3 计算结论

电机冷却系统结构及尺寸不变，只改变挡风板的结构形式进行通风计算，固定式挡风板漏风量较旋转式挡风板大大减少，降低了机组的通风损耗，固定式挡风板结构在通风计算中通风损耗等方面优于旋转式挡风板。

4 巨型水轮发电机组固定式挡风板结构优化

4.1 原有固定式挡风板结构分析

固定式挡风板分为上下两个部分，将转子磁极、定转子空气间隙、部分转子磁轭一起封罩，形成发电机通风通道。该结构设计具有以下不足：

（1）挡风板块数多、重量大、联接螺栓多，拆装费时费力、工作效率低，检查维护周期长，给维护检修工作带来了很大的不便。

（2）在频繁的拆装过程中，挡风板螺栓反复拆装易出现螺栓损坏、预紧力不足、螺栓遗落在定转子上等问题，挡风板联接对位过程中易出现敲击、翘蹩挡风板的现象，对挡风板造成不同程度的损伤，存在一定的安全隐患。

（3）挡风板整体频繁拆装易造成错孔、拼接困难、定位偏差等问题。

固定式挡风板现有结构拆装难度大，效率低。需在原有固定式挡风板结构的基础上重新设计1 种利于检修及快速拆装的子母挡风板结构，便于挡风板的拆装，在定转子等设备的维护检查过程中，免去拆除整个挡风板部件，省时省力、提高工作效率、消除螺栓断裂等安全隐患、保护设备，缩短设备检查维护周期。

4.2 原有固定式挡风板结构优化

在原有固定式挡风板结构的基础上分为子母结构，通过支持钢管、螺杆、槽钢等固定挡风板，加强挡风板的联接强度，并且优化挡风板结构，减少挡风板数量，保证实现快速拆装挡风板，解决拆装过程中存在安全隐患及相关技术问题，并且降低工作成本和缩短维护检修工期，给维护检修工作带来很大的方便。

子母挡风板结构设计思路如下：固定式挡风板分为两部分，其中挡风板合缝位置在磁轭外圆第一排拉紧螺杆的位置处，子母挡风板通过合缝螺丝联接，母档风板一侧通过支持钢管、压板固定，另一侧通过工字钢、螺杆、角钢固定，支持钢管固定在上机架支臂上；子挡风板通过槽钢加固，槽钢两端分别通过螺丝固定在螺杆和子挡风板上。

图1 长江流域某电站某机组子母挡风板结构图

该结构的优点：

（1）拆装快速：在原有固定式挡风板结构的基础上分为子母结构，拆装挡风板只需拆装子挡风板即可，不用拆装整个挡风板的部件，实现了挡风板的快速拆装，节省工期，给维护检修工作带来了很大的便利。

（2）优化过程：子母挡风板拆装过程简单，优化了整个拆装过程，有效地消除了挡风板拆装过程中的损伤、挡风板螺栓反复拆装易出现螺栓损坏问题、抬放挡风板出现跌落等安全隐患、回装过程中错孔和拼接困难等技术问题。

（3）结构稳定：该结构简单、便于间隙调节、安全稳定、易于拆装等优势。

（4）应用空间广泛：可普遍应用于水轮发电机组设计及改造。

5 总结

本文通过对现有的长江流域电站巨型水轮发电机组典型挡风板的结构、通风计算、优化改造等方面的全面剖析，发现固定式挡风板结构较旋转式结构漏风量低、通风损耗低，通过汇总梳理典型固定式挡风板结构在机组运行检修过程中发现的各种问题，积极透过问题寻找应对策略，在原有固定式挡风板结构的基础上优化了挡风板结构，分为子母结构，减少挡风板数量，保证实现快速拆装挡风板，解决拆装过程中存在安全隐患及相关技术问题，并且降低工作成本和缩短维护检修工期，给维护检修工作带来很大的方便。

今后对挡风板的研究可以从通风循环效率，漏风量，结构强度，是否易于检修拆装，材质使用是否合理等方面进行分析对比。设计合理的挡风板应首先考虑机组运行时是否存在安全隐患，然后同时具备通风循环效率高、漏风量小、支撑结构强度较大、各连接螺栓不易发生断裂、易于检修等 优点。