水轮发电机结构及工作原理介绍_图文

– 磁极铁芯分实心和叠片两种结构。
– 中、小容量高转速水轮发电机的转子，常采用 实心磁极结构，整体锻造或铸造而成。转速大 于或等于750r／min的小型水轮发电机，常采用 磁极铁芯连同转子的磁轭与主轴整体锻造加工 。
– 磁极固定方式通常采用螺钉、T尾和鸽尾结构。
• 磁轭与转子支架
– 磁轭的作用是构成磁路并固定磁极。 – 转子支架的作用是固定磁轭。 – 对于定子铁芯外径小于325cm的中小容量的
• 中小型水轮发电机轴承的油循环冷却方式一般为内 循环。
• 水轮发电机制动方式 机械制动、电气制动、混合制动
• 水轮发电机制动系统的组成 制动装置（俗称 风闸）、控制原件、管路系统。
• 机械制动的作用 为避免机组停机减速过程后期时间较长，引起推力瓦的磨损。 一般当机组转速降低到额定转速25%~35%，自动投入制动器， 加闸停机。
– 按布置方式分：可分为卧式和立式两种。
• 卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击式水轮机。 • 一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。
– 按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和伞 式两种。
• 推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机，它适 用于转速在100r/min以上。
• 推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机，无上 导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适用于转速 在150r/min以下。
起动试运行的内容和程序 ：
1. 机组起动试运行的工作范围很广，要进行从水工建筑物到 机电设备的全面检查。一般说来包括试验检查和试运行两 大部分，而且以试验检查为主。
2. 起动试运行程序： （1）水轮发电机组试运行前的检查
2. 通过检杳发现尚未完善的工作及工程或设备所存在的缺陷， 及时处理以保证电站能顺利地投产。
3. 在机组起动之前，以及试运行过程中对机电设备进行调整试 验。测定相关的运行参数或特性曲线，具体掌握机组的实际 性能，为今后的长期运行提供技术准备。
4. 电站从试运行结束起转入试生产，施工单位与管理的业主单 位之间，应在起动试运行以后进行交接验收工作。
• 刚性支柱螺钉支承方式的推力轴承
– 刚性抗重螺栓支承方式的推力轴承结构如图：
1—上机架；2—冷却器；3—气窗；4—导轴承装配；5—密封盖；6—卡环； 7—推力头；8—隔油板；9—镜板；10—挡油管；11—主轴；12—轴承座；
13—抗重螺栓；14—托盘；15—推力瓦；16—绝缘垫
– 抗重螺栓
• 推力瓦由头部为球面的抗重螺栓支承，抗重螺栓垂 直拧入装有螺纹套筒的轴承座上。调整抗重螺栓的 高度，可使瓦块保持在同一水平面上，使瓦块受力 均匀。
顶轴
转子
集电环组件
磁极
转子引线
• 主轴
– 主轴的作用是用来传递扭矩，应具有一定的强 度和刚度。
– 主轴一般由35号、40号、45号或20SiMn等钢整 锻而成。
– 小容量水轮发电机一般采用整锻实心轴，也有 的采用无缝钢管作为轴；大、中型容量的发电 机采用整锻空心轴。
• 磁极
– 磁极是提供励磁磁场的磁感应部件，由磁极铁 芯，线圈，上、下托板，极身绝缘，阻尼绕组 及钢垫板等零部件组成。
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水电厂生产简图：
混流式剖面：
水力发电示意 ：
轴流式剖面 贯流式剖面
一、水轮发电机组基本工作原理
上游大坝蓄水具有位能，具有压力的水流经拦污栅、进水口检修闸门、工 作闸门及发电引水钢管进入水轮机蜗壳，初步形成环流，再经座环固定导 叶分流后均匀地进入活动导叶，活动导叶开度的大小调节转轮的水流量， 转轮在水的压力和速度作用下旋转，把水能（动能、势能）转换成机械能 ，转轮出口水流通过尾水管排至下游；水轮机大轴把转轮的转动力矩传给 与水轮机大轴连接的发电机转子，并带动发电机转子转动，当发电机转子 绕组中通以直流电，形成磁场同时由转子旋转而产生旋转磁场。发电机定 子绕组因切割转子的旋转磁场，而在发电机三相定子绕组中产生交变感应 电势。当发电机三相定子绕组输出回路接负载时就产生交变三相电流，此 交变电流产生的磁场在发电机定子、转子形成旋转磁场，并且定子绕组产 生的旋转磁场与发电机转子的旋转磁场同向，同速，当发电机转子磁极对 数p一定时，发电机的转速n与电势的频率f有严格不变的关系，即同步关 系，f=p·n/60；其中f----同步发电机电势的频率(Hz);p----同步发电机 的磁极对数;n----同步发电机转子的转速(r/min)。
– 托盘
• 托盘的作用是减小轴瓦的变形。另外，托盘的轴向 柔度在运行中有一定的均衡负荷作用。
• 其材质应选用能承受较大弯曲应力的高强度材料。
– 绝缘垫
• 通常在轴承座下面或推力头与镜板结合面之间装设 绝缘垫，切断轴电流回路，保护轴瓦工作面，并起 到绝缘和调整轴线的双重作用。
– 油的循环冷却
• 轴承的油循环冷却方式有内循环和外循环两种。
• 机架由中心体和支臂组成，一般采用钢板 焊接结构，中心体为圆盘形式，支臂大多 为工字梁形式。
• 机架按其所处的位置分为上、下机架，按 承载性质分为负荷机架和非负荷机架 。
• 推力轴承的组成和作用
– 推力轴承是应用液体润滑承载原理的机械结构部件， 主要由轴承座及支承、轴瓦、镜板、推力头、油槽及 冷却装置等部件组成。
– 推力瓦
• 推力瓦是推力轴承中的关键部件，它是整个机组转 动部分和固定部分的摩擦面，并且承受整个机组转 动部分的重量和轴向水推力。
• 推力瓦一般做成扇形块，中小型水轮发电机推力轴 承的推力瓦数多为6块～8块。
• 常用的推力瓦有巴式合金推力瓦和弹性金属氟塑料 瓦两种。
– 镜板
• 镜板是将推力负荷传递到推力瓦上的部件，技术要 求高。
– 按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种 。
• 水轮发电机的主要作用
将水轮机旋转的机械能最终转换成电能，其结构 与性能的好坏对电站的安全、稳定、高效运行起 着致关重要的作用。
• 水轮发电机组成
主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、 冷却器、制动器等部件组成。
水轮发电机定子结构
• 水轮发电机定子主要由机座、铁芯和三 相绕组线圈等组成。
4）我厂机组额定转速为93.75r/min，请计算有多少对磁极？
1. 混流式
2. 轴流式
低水头轴流式水轮机转轮 高水头轴流式水轮机转轮
3. 其他
斜 流 式 水 轮 机
水泵水轮机转轮
控制环 导叶连杆 活动导叶
导水机构
导叶套筒 顶盖
底环
4. 发电机
机组转子吊装
• 水轮发电机组的型式
1、水能转化为机械能
1）进入水轮机的水能控制P=9.81QHη,根据能量守恒，要改 变P，必须 调节进入水轮机的流量或者改变水头。因为水头调节范围较小（431m— 440m),汛期留有防洪库容，水头调节范围更小（431m—435m)。所以 一般通过调节进入水轮机的流量来改变P。通过改变活动导叶开度这一途 径来调节进水量或切断水流。导叶的操作力来自液压接力器，而液压接力 器则受调速器来控制。 2）水电厂电能生产及送出示意图：天然水流—坝—水库—取水口—压力钢 管—水轮机—发电机—输变电装置—用户 3）流量的调节过程：调节命令（上位机）—机组现地LCU—调速器电气部 分—调速器机械部分—液压接力器—控制环—导叶拐臂—导叶开度改变—改 变进入水轮机的流量。 4）请写出有功功率与水头和流量的关系式。 5）请说出我厂设计防洪水位是多少？ 6）请简要说明进入水轮机流量调节过程？
2、机械能转变为电能
水流驱动水轮机转动带动同轴发电机转动
1）发电机工作基本原理—电磁感应原理，导线切割磁力线将感应电动 势，闭合导线产生交 变电流。在工程上由于电枢绕组庞大，故电厂一 般采用移动磁力线去切割固定不动的电 枢绕组。当定子绕组流过三相交流电流以后产生一个旋转磁极，该磁极的转速称为同步转 速，旋转磁极与转子磁极产生相互作用力，二者之间的角度决定了力的大小(有功负荷大 小）和性质（发电机或电动机）。发电机的转速n与电势的频率f有严格不变的关系，即同 步关系，f=p*n/60。
• 要求镜板保证其平面度和水平度，一般为0.02mm／ m。
• 镜板多采用45号锻钢，应有足够的刚度。
– 推力头
• 推力头是承受并传递机组轴向负荷及扭矩的部件。 多数用平键和卡环固定在主轴上，也有采用热套方 法固定于主轴上的。
• 推力头应有足够的刚度和强度，以承受机组轴向推 力产生的弯矩作用，不致产生有害的变形和损坏。
– 三相绕组由绝缘导线绕制而成，均匀地分布 于铁芯内圆齿槽中。
– 三相绕组接成Y形，它的作用是当转子磁极旋 转时，定子绕组切割磁力线而感应矩的 主要部件，一般由主轴、转子支架、磁轭、 磁极等部件组成。
立轴水轮发电机转子结构
转子支架 磁轭
水轮发电机，磁轭可用铸钢或整圆的厚钢 板制造，不需要专门的转子支架。
– 对于定子铁芯外径较大的水轮发电机，磁 轭通过转子支架和主轴连成一体。
– 磁轭的外缘加工有T尾、鹇尾槽或螺孔，用 以固定磁极。
• 机架是立轴水轮发电机安置推力轴承、导 轴承、制动器及水轮机受油器的支撑部件 ，是水轮发电机较为重要的结构件。
2）发电机调压过程：由电磁感应定律E=L*dφ/dt可知改变等式右侧任意一个参数就可以改变 感应电势E，但一般L不可改变，同步发电机磁力线切割速度不可改变，所以一般通过改变 磁通强度（磁力线密度）来调整电压，要改变磁通强度必先改变励磁电流强度，也就是平 时改变可控硅导通角。
3）电压调整过程：电压调整命令—现地LCU—可控硅导通角—转子电压—转子电流—磁通— 感应电动势改变
对没有配备高压油顶起装置的机组，当经历较长时间的停机之 后，再次启动前，用油泵将压力油打入制动器顶起转子，使推 力瓦重新建立油膜，为推力瓦创造良好的工作条件。
机组检修期间，进行重量转移。
• 通风系统 机组运行时，发电机绕组以及铁芯将产生大量的热量，为了使绕组和铁芯的温 度不至于过高而引起绕组绝缘损坏，发电机必须设置通风冷却装置。