一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于立轴式转子发电机组的电磁磁力减载和防抬机系统，包括固定在第一建筑上的多环式电磁磁力减载装置、发电机组主轴上的衔铁、固定在第二土木建筑上的多个调控电磁铁、衔铁下方的多个位移传感器和推力轴承下方的多个压力传感器，其中多环式电磁磁力减载装置和调控电磁铁由铁轭，铁芯和线圈组成。本发明提供一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，可产生双向电磁力，有助于解决正负轴向负荷过大，及不平衡水推力导致的轴承故障，对改善机组的运行条件，防止机组上抬起到积极作用。
【专利说明】
一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置
技术领域
[0001] 本发明涉及立轴式发电机组领域，特别是涉及一种立轴式发电机组多环式电磁磁 力减载与防抬机装置。
【背景技术】
[0002] 在我国电力生产中，水力发电仍占据着重要地位，水电开发项目仍然是我国新能 源发展的重点。与此相关的水轮发电机组设计、生产及其运行是水电研究人员和工程技术 人员研究的核心内容。水轮发电机组作为水能与电能转换的核心设备，其性能的优劣直接 关系到机组乃至整个水电站能否正常的运行。随着我国水力发电的快速发展，水电站的规 模越来越大，机组容量和尺寸进一步增大，转速和材料强度也相应提高，使得运行工况日渐 复杂，对机组的安全与稳定运行提出了更高要求。
[0003] 水轮发电机组作为水电站的核心设备，性能良好、故障率低、使用寿命长是水轮发 电机组实现安全运行的基本要求。在我国，水轮发电机组常常采用立轴式结构。立式水轮发 电机组的转子系统主要包括发电机转子、水轮机转轮和主轴等部件。转子系统的轴向负荷 须有承重装置承担，推力轴承是立式水轮发电机组的重要支承，承担着整个水轮发电机组 转动部件的重力和轴向水推力，并保持机组转轴的长期稳定。由于水轮发电机组单机容量 的逐步提高，使得机组转子系统的轴向负荷日益增大，推力轴承在长期重负荷运行状态下， 常常发生油膜击穿，进而引发轴瓦摩擦发热，甚至烧毁等问题。近年来，国内各大水电站时 有故障发生，葛洲坝、乌江渡和白山等机组曾发生过轴瓦温度偏高甚至烧损等严重故障。
[0004] 由此可见，转子系统的轴向负荷决定着推力轴承运行条件，该部分负荷主要由转 子系统的重力和轴向水推力两部分组成。一般情况下，轴向水推力的方向与转子系统的重 力方向相同，称为正向水推力。然而，在某些情况下(如当机组甩负荷时），常常发生负向（向 上)水推力，如数值要大于机组转子系统的重力，将会使机组转动部分上抬一定高度，此现 象称为水轮机的抬机。抬机是水轮发电机组运行中最严重的故障之一，会造成叶片断裂、测 速探头断裂以及镜板猛烈撞击造成推力轴承的瓦面严重变形等问题。
[0005] 正向和负向水推力及不平衡水推力都会对推力轴承乃至机组的运行带来很大困 扰。随着水电站规模越来越大，机组向着高水头、高参数和大容量的方向发展，运行工况将 越来越复杂，机组的承重问题会更加突出和严峻，传统单一的承重方式已不能满足日益增 加的轴向负荷承重需求，为此本发明设计了立轴式水轮发电机组多环式电磁磁力减载与防 抬机装置，有助于解决正负轴向负荷过大，及不平衡水推力导致的轴承故障，对改善机组的 运行条件，防止机组上抬起到积极作用。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述存在的问题，本发明提供一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载 与防抬机装置，可产生双向电磁力，有助于解决正负轴向负荷过大，及不平衡水推力导致的 轴承故障，对改善机组的运行条件，防止机组上抬起到积极作用，为达此目的，本发明提供 一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，包括多环式电磁磁力减载结构、 防抬机结构、第一固定物和第二固定物，所述多环式电磁磁力减载结构包括电磁铁、动铁心 衔铁和固定装置，所述电磁铁的电磁铁上铁辄的上端面与第一固定物的端面相连，所述电 磁铁包括电磁铁上铁辄、电磁铁励磁线圈和电磁铁内铁心，所述电磁铁整体为圆柱形，立轴 式发电机组的转轴在圆柱形电磁铁铁芯内部，所述转轴与电磁铁上铁辄之间有主轴与铁辄 间的气隙，所述电磁铁上铁辄下方有电磁铁内铁心，所述电磁铁内铁心内有至少3个环形 槽，所述电磁铁励磁线圈安装在环形槽内，所述电磁铁上铁辄和电磁铁内铁心外壁由环氧 浇灌成绝缘层，所述电磁铁下方有相同面积的圆盘型的动铁心衔铁，所述电磁铁与动铁心 衔铁之间有铁辄与衔铁间的气隙，所述动铁心衔铁通过环形的固定装置套装在转轴上，所 述防抬机结构包括调控电磁铁、位移传感器、控制处理器和压力传感器，所述调控电磁铁等 角度均匀布置在动铁心衔铁的下方，所述调控电磁铁与动铁心衔铁之间有位移传感器，所 述调控电磁铁固定在第二固定物上，所述主轴下方有推力轴承，所述推力轴承与主轴下端 面之间有压力传感器，所述控制处理器通过连接线与位移传感器和压力传感器相连。
[0007] 本发明的进一步改进，所述立轴式发电机组为水轮立轴式发电机组，本发明主要 适用于水轮发电设备。
[0008] 本发明的进一步改进，所述第一固定物和第二固定物的固定物为土木建筑或固定 支架，本发明固定物可以为土木建筑或固定支架。
[0009] 本发明的进一步改进，所述动铁心衔铁为内厚外薄的圆盘型的动铁心衔铁，因为 衔铁受力较大，通过接触面传递给主轴，做成斜的起到加固的作用。
[0010]本发明的进一步改进，所述电磁铁的电磁力采用可调式，采用可调磁力，可根据轴 向水推力的大小通过调节励磁电流的大小来调节产生的电磁力。
[0011] 本发明的进一步改进，所述调控电磁铁采用单环结构，本发明调控电磁铁主要采 用单环结构。
[0012] 本发明一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，当激励线圈通以 直流电流时，多环式电磁磁力减载装置会对衔铁产生电磁吸力，给衔铁一向上的力，由于衔 铁与主轴相连，向上的电磁力通过衔铁传递给主轴，从而可抵消大部分轴向负荷，减少施加 在推力轴承上的力，从而改善推力轴承在重负荷下的运行状态，减少了因向下的轴向负荷 过大所导致的推力轴承故障，如油膜击穿，推力瓦变形，机械老化等。同时利用位移传感器 和压力传感器对衔铁位移和推力轴承所受压力进行检测，当机组甩负荷或轴向负荷减少到 转动部分重力的30%以下时，减载电磁铁断电，调控电磁铁通电，吸引衔铁，并给衔铁一向 下的力，并传递给主轴，使施加在推力轴承上的负荷始终维持在30%左右，可防止机组转动 部分上抬。
[0013] 本装置的作用是用多环式电磁磁力减载装置提供向上的力，可根据轴向负荷变化 情况动态调整电磁减载力，该电磁减载力通过衔铁传递给主轴，可抵消转动系统的重力，减 少施加在水轮发电机组推力轴承上的轴向负荷，用来解决水轮发电机轴向负载过大引起的 油膜击穿，机械老化等问题;调控电磁铁提供向下的电磁力，抵消机组在甩负荷过程中出现 的向上水推力，用来解决转动部分上抬造成的电机转子部件损坏和撞击造成的机械损坏等 问题。同时调控电磁铁可保证机组转动部分平衡，解决机组在动态推力作用下的不平衡问 题。通过多环式电磁磁力减载装置和调控电磁铁共同作用对水轮发电机组转动部分进行磁 力减载和防抬机作用。
【附图说明】
[0014] 图1为本专利立轴式水轮发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置结构示意 图。
[0015] 图2为本专利位移传感器布置示意图。
[0016]图3为本专利立轴式水轮发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机控制处理原理 图。
[0017] 图4为本专利六环结构电磁磁力减载装置的磁通密度分布图。
[0018] 图示说明；
[0019] 1、主轴与铁辄间的气隙；2、电磁铁上铁辄;3、电磁铁励磁线圈；4、铁辄与衔铁间的 气隙；5、动铁心衔铁;6、电磁铁内铁心;7、绝缘层;8、第一固定物;9、主轴；10、调控电磁铁； 11、位移传感器；12、第二固定物；13、控制处理器;14、推力轴承；15、压力传感器;16、固定装 置。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述：
[0021] 本发明提供一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，可产生双向 电磁力，有助于解决正负轴向负荷过大，及不平衡水推力导致的轴承故障，对改善机组的运 行条件，防止机组上抬起到积极作用。
[0022] 本发明一种水轮发电机组转子部分多环式电磁磁力减载与防抬机装置，包括电磁 铁上铁辄2、电磁铁励磁线圈3、动铁心衔铁5、电磁铁内铁心6、固定上铁辄的第一土木建筑 或支架、调控电磁铁10、位移传感器11、固定调控电磁铁的第二土木建筑、控制处理器13、压 力传感器15以及衔铁与主轴9的固定装置16。其中电磁铁上铁辄2固定于土木建筑或固定支 架上，主轴9置于圆柱形电磁铁铁芯内部，中间有一定的气隙，减载电磁铁采用多环结构，将 多组励磁绕组放置在电磁铁芯之间的空腔内，并以环氧浇灌成绝缘层7,其下置相同面积内 厚外薄的圆盘型衔铁，将其固定在主轴9上，衔铁可通过螺栓等固定装置16固定在水轮发电 机组主轴9上。通电后多环式电磁磁力减载装置对衔铁产生向上的吸力，当衔铁随主轴旋转 时，主轴得到向上的拉力。整个减载系统如图1所示。
[0023] 本发明调控电磁铁10均匀布置在衔铁5的下方，如图2所示，衔铁下方布置位移传 感器11检测衔铁位移的变化，推力轴承14上布置压力传感器15转动部分轴向负荷的变化， 调控电磁铁通电后，会对衔铁产生向下的吸力，通过控制处理器13对传感器数据的处理，调 节调控电磁铁的励磁电流，使主轴得到向下的电磁力，防止转动部分上抬。整个防抬机系统 如图1和图3所示。
[0024]本发明应用实施例如下：
[0025]以中国安康水电站转子系统的支承方式为例，其采用推力轴承，额定推力总负荷 为1600t，水轮机型号为HL-220-LT-550,主轴直径1.9m，转轮直径5.5111，额定转速107.1以 min，平均水头76.2m，为了使机组保持稳定运行，本装置仅减载其轴向推力总负荷的50 %~ 8 5 %。以六环结构为例分析其电磁减载力，设定槽数沿径向的总长度L = 1.7 m，施加的激励 电流I = 2A，线圈总阻数~=5000,设定衔铁和铁辄厚度hi = h2 = 0.24m，固定窗口高度h2 = 0.2m，气隙厚度为0.005m，设每个布线槽宽度相同为0.085m，每个齿宽为0.170m，则所有齿 的面积为13.832m 2。气隙处的磁通密度分布如图4所示，平均工作气隙处得磁通密度为 0.999T，电磁力为8.398 X 106N，可减载额定推力总负荷的54%。相同条件下，将电流调解到 4A，电磁力增大为1.303 X107N，可减载额定推力总负荷的83%，由此可得多环式电磁磁力 减载装置能够大幅减轻了水轮发电机组转子部分及水推力对推力轴承的轴向压力，并且通 过调节激励电流应对轴向负荷动态变化情况。
[0026]防抬机分析仍以水轮机HL220-LJ-550为例，选取6个圆盘型直流电磁铁，该圆盘电 磁铁的中心轴线在以r。为半径的圆周轨迹上，均匀分布在衔铁的下方，具体位置如图2所 示，其中Ra = cU/2为衔铁半径。每个调控电磁铁提供的电磁力约为0~20kN。
[0027] 设定δχ〇为调控气隙，本文选取3mm; dci为内环直径30cm; dC2为外环内直径50cm; dC3 为外环内直径60cm;hci为铁辄高度4cm;hC2为线圈窗口高度6cm。由安培环路定律，气隙磁通 密度为：
[0029]由Maxwell公式得到静态时该电磁铁吸力为；
[0031]其中So为气隙磁场面积。假设给电磁线圈施加磁动势NI = 4000安匝数，由（1)式得 B = 0.63T，通过式(2)可得FET,i~22kN，i = l，2,. . .，6,满足调控需求。
[0032]结合减载装置的设计目标（即减载总轴向负荷的80%左右），为了保证机组的稳定 性和适应不同水头和工况的变化，需要对推力轴承的实际承载力进行监测。选取6个压力传 感器安装在推力轴承上，每一个传感器的具体安装位置与调控电磁铁相对应，同时在电磁 铁的中心位置安装位移传感器用来检测衔铁受力情况，具体如图2所示。
[0033]调控电磁铁起到防止机组上抬作用，需根据推力轴承上的压力变化，选取偏置电 流，以达到防止上抬(或减载)作用，根据衔铁位移信号，检测推力轴承的受力不平衡程度， 其控制原理如图3所示，其中D/A为数字/模拟转换，A/D为模拟/数字转换。控制原理为:偏置 电流值是取决于压力变化和装置工作的状态，如防止上抬或减载，压力信号和位移信号传 输到控制器，根据设定的判断条件和控制算法，控制器决定输出偏置电流I(P)的值和控制 电流i。的大小。若衔铁处于平衡位置心〇时，受到不平衡水冲击，出现扰动使衔铁偏离平衡位 置(如图3所示，设偏移位移为δ χ)时，本发明装置使衔铁回到平衡位置，可对调控电磁铁装 置加一个控制电流i。使得励磁线圈2产生的磁场强度增强，励磁线圈1产生的磁场强度减 弱，从而使衔铁在电磁力的作用下回到平衡位置，具体工作过程如下:位移传感器和压力传 感器检测到该偏离信号后经过位移和压力信号转换电路，通过控制器处理后得到位移偏置 信号，控制器经过一定的控制算法处理得到控制量，然后将控制量输送给功率放大器，由功 率放大器驱动电磁铁实现对衔铁平衡位置的控制。
[0034]以安康水电站水轮机HL220-LJ-550为例，由减载目标可知，推力轴承仅需承担 20%的轴向总负荷，即压力传感器测的推力轴承上总压力约
。在甩负荷等工 况下，转动部分容易被抬起，如果压力传感器测的推力轴承上的总压力
时，则偏置电流I(P)=〇,其中Pi为i个位移传感器对应的压力传感器读数；
[0036]使得作用在推力轴承上的轴向负荷始终大于等于0.2G，防止转动部分的上抬。对 于抬机现象较为频发的水电站，在甩负荷时，由于机组导叶的关闭时间有限，向上轴向力会 急剧增大，若!￥>6时，转子系统会被抬起
，因此可预先施加向下的电磁力防 止上抬，力的大小根据经验给出，如假设安康水电站曾发生的最严重的抬机事故为15_，计 算可得Fw^8749kN
，其中FET,i是第i个电磁铁的电磁力，偏置电流 设定为；
[0038] 即在机组准备甩负荷的时候对调控电磁铁施加上述偏置电流，然后通过对压力数 据的在线监测，进行后续调节。
[0039] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限 制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范 围。
【主权项】
1. 一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，包括多环式电磁磁力减载 结构、防抬机结构、第一固定物(8)和第二固定物（12)，其特征在于:所述多环式电磁磁力减 载结构包括电磁铁、动铁心衔铁(5)和固定装置（16)，所述电磁铁的电磁铁上铁辄(2)的上 端面与第一固定物(8)的端面相连，所述电磁铁包括电磁铁上铁辄(2)、电磁铁励磁线圈（3) 和电磁铁内铁心(6)，所述电磁铁整体为圆柱形，立轴式发电机组的转轴(9)在圆柱形电磁 铁铁芯内部，所述转轴(9 )与电磁铁上铁辄(2 )之间有主轴与铁辄间的气隙（1 )，所述电磁铁 上铁辄(2 )下方有电磁铁内铁心(6 )，所述电磁铁内铁心(6 )内有至少3个环形槽，所述电磁 铁励磁线圈（3)安装在环形槽内，所述电磁铁上铁辄(2)和电磁铁内铁心(6)外壁由环氧浇 灌成绝缘层(7)，所述电磁铁下方有相同面积的圆盘型的动铁心衔铁(5)，所述电磁铁与动 铁心衔铁（5)之间有铁辄与衔铁间的气隙（4)，所述动铁心衔铁（5)通过环形的固定装置 (16)套装在转轴(9)上，所述防抬机结构包括调控电磁铁（10)、位移传感器（11)、控制处理 器(13)和压力传感器(15)，所述调控电磁铁(10)等角度均匀布置在动铁心衔铁(5)的下方， 所述调控电磁铁（10)与动铁心衔铁(5)之间有位移传感器（11)，所述调控电磁铁（10)固定 在第二固定物（12)上，所述主轴(9)下方有推力轴承（14)，所述推力轴承（14)与主轴(9)下 端面之间有压力传感器（15)，所述控制处理器（13)通过连接线与位移传感器（11)和压力传 感器(15)相连。2. 根据权利要求1所述的一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，其 特征在于:所述立轴式发电机组为水轮立轴式发电机组。3. 根据权利要求1所述的一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，其 特征在于:所述第一固定物(8)和第二固定物(12)的固定物为土木建筑或固定支架。4. 根据权利要求1所述的一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，其 特征在于:所述动铁心衔铁(5)为内厚外薄的圆盘型的动铁心衔铁(5)。5. 根据权利要求1所述的一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，其 特征在于:所述电磁铁的电磁力采用可调式。6. 根据权利要求1所述的一种立轴式发电机组多环式电磁磁力减载与防抬机装置，其 特征在于:所述调控电磁铁(10)采用单环结构。
【文档编号】H02K23/68GK106026596SQ201610563584
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】王庆燕, 曹生让, 刘旭明, 周洪
【申请人】金陵科技学院