CN101291091A - 水轮发电机转子支架电磁内加热式热套工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是水轮发电机转子支架与轴电磁感应内加热套的方式，这种方法加热均匀，便于控制，加热设备可移动，能够重复使用，节能并且效率高。本发明的方法是将电磁线缠绕在特制的耐温材料制作的支架上，然后将支架插入到转子支架的轮毂中，进行电磁感应加热，轮毂达到预定过盈量后，将转子支架套到轴上，并且将转子支架通过拉筋固定到平台上，避免了冷却过程中轮毂下端向上移动。

Description

水轮发电机转子支架电磁内加热式热套工艺

技术领域：

本发明涉及水轮发电机转子支架电磁内加热式热套工艺。

背景技术：

水轮发电机转子支架一般由轮毂和支架两部分组成，水轮机大轴与轮毂由热套的方式形成过盈配合，传统的大型水轮机转子支架热套工艺方法，一般采用耐火砖砌保温棚，用电热板加热的方法对整个转子支架进行加热，加热到温度后进行热套，这种方法缺点是搭砌保温棚工作量大，热套后用保温材料砌的保温棚需要拆除，电热板加热速度慢，耗能巨大。并且在热套冷却后往往产生轮毂下端与轴止口处出现间隙。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能显著减少劳动强度，减少能耗，方便灵活，降低成本的水轮发电机转子支架热套的工艺方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明为一种水轮发电机转子支架与发电机大轴进行过盈配合热套的工艺方法，电磁线缠绕在由层压环氧玻璃布板制作的支架上，将缠有电磁线的支架插入到轮毂中，电磁线外包绝缘布，进行中频感应加热，加热设备为KGPS100静止中频电源，加热频率为8000Hz：

(1)根据最大过盈量计算出热套间隙：转子支架的重量较大，要用吊车吊装，实际的对中心时间较长，因此热套间隙δ0取值应有所考虑，避免卡轴，经验取值为：

L＞3d时， $\mathrm{\δ}0=\frac{d}{900~1000}m$

L≤3d时， $\mathrm{\δ}0=\frac{d}{800~900}m,$ L为轮毂的长度，d为轮毂的直径；

(2)根据热套间隙计算出加热温度：根据图纸轴毂过盈配合的最大过盈量δmax和热套间隙δ0，来计算热套温度t′，公式如下：

式中：t′、t0-热套计算温度℃、环境温度℃；

δmax、δ0-最大过盈量mm、热套间隙mm；

d-配合面的直径mm；β-毂的材料线膨胀系数℃.

(在20～200℃时，钢β＝1.25×10-5℃)

由于热套过程中的散热将导致温度降低，实际热套温度t应取t＝(115％～130％)t′；环境温度t0＝25℃(3)；

(3).热套功率的计算：

加热轮毂所需要的功率数根据公式：

$P=\frac{K_{0}G\mathrm{\ΔTC}}{A_t}$

其中G-轮辐自重(kg)

A-功的热当量，为0.24；

C-轮辐平均热容量，钢材C＝0 12大卡/kg℃；

K0-热损失系数，有良好保温时，取2～25；取2

ΔT-180℃

(4)感应电磁线匝数计算：

功率密度： $P0=\frac{P}{S_0}(\mathrm{kW}/m2)$ ⑥

绕组匝数： $W=v\cos \mathrm{\φ}\sqrt{\frac{22.4\mathrm{L\η}}{\mathrm{dP}\×{10}^{-3}\×\sqrt{\mathrm{\ρ\μr}}}}$ (匝)    (3)

式中：η、d2、L-设备效率(96％)，毂外表面直径(m)，毂高度(m)；

S0、cosφ-毂被绕组覆盖的表面积(m2)，功率因数(0.6)

-毂的相对磁导率；

(5)根据图纸计算出以上参数后，按照计算出的缠绕匝数将电磁线缠绕到绝缘支架上，将支架插入到轮毂中，转子支架外边用防火布罩上，当作保温棚用来保温，调试好中频焊机将功率设定到计算出的功率数，开始加热，并在加热过程中对轮毂直径的热膨胀量进行监控，当热膨胀量达到设计要求的过盈量时，停止加热，拆除保温棚，将转子支架吊起，调水平，然后套到发电机轴上，采用拉筋将转子支架焊到平台上。

本发明取得的有益技术效果为：采用传统方法必需根据工件尺寸用耐火砖砌保温棚，用后要拆除，本发明则只需用防火布罩在转子支架外边进行保温，并且绝缘支架用后可以拆分为两块圆盘和16个板条，用时在随时组装上，方便灵活便于保存并可以重复使用，这样可以大大降低成本，减少劳动强度。采用传统方法是用电加热器进行加热，通过热传导加热转子支架，热效率低。采用本方法是利用电磁感应加热，加热均匀，热效率高，加热功率一般为60～70KW，可以节能40％以上。传统方法是在外面挂加热器进行加热，占地面积大，而本发明采用内加热方式，在轮毂内加热大大减小了占地面积。本发明在热套完成后使用拉筋固定转子支架，可以很好的避免冷却过程中转子支架的下端向上移动的问题。因为转子支架轮毂冷却收缩过程中是朝着膨胀终止时的轮毂中心靠拢进行的，就是说轴毂经过加热(或膨胀)、冷却(或收缩)过程后，不受外力情况下它的中心位置“回归”不到原设计的与定位置。轴的过盈量越大，这种的现象越严重。如果不采用拉筋固定的方法，由于转子支架的轮毂是以轮毂轴向的中心为由两侧向中间收缩，完全冷却后轮毂的下端与轴的止口处肯定会出现间隙，这曾是转子支架热套所一直存在的问题。在热套完成后使用拉筋固定转子支架的方法后再未出现过这样的问题。

附图说明：

图1缠有电磁线绝缘支架的俯视图

图2缠有电磁线绝缘支架的侧视图

图3绝缘支架插入到转子支架轮毂中后，电磁线与轮毂的位置示意图

具体实施方式：

本发明为一种水轮发电机转子支架电磁内加热式热套工艺，如图1所示电磁线缠绕在由层压环氧玻璃布板制作的支架上，将缠有电磁线的支架插入到轮毂中，电磁线外包绝缘布，进行中频感应加热，加热设备为KGPS100静止中频电源，加热频率为8000Hz：

(1)根据最大过盈量计算出热套间隙：转子支架的重量较大，要用吊车吊装，实际的对中心时间较长，因此热套间隙δ0取值应有所考虑，避免卡轴，经验取值为：

L＞3d时， $\mathrm{\δ}0=\frac{d}{900~1000}m$

L≤3d时， $\mathrm{\δ}0=\frac{d}{800~900}m,$ L为轮毂的长度，d为轮毂的直径；

(2)根据热套间隙计算出加热温度：根据图纸轴毂过盈配合的最大过盈量δmax和热套间隙δ0，来计算热套温度t′，公式如下：

式中：t′、t0-热套计算温度℃、环境温度℃；

δmax、δ0-最大过盈量mm、热套间隙mm；

d-配合面的直径mm；β-毂的材料线膨胀系数℃.

(在20～200℃时，钢β＝1.25×10-5℃)

由于热套过程中的散热将导致温度降低，实际热套温度t应取t＝(115％～130％)t′；环境温度t0＝25℃(3)；

(3).热套功率的计算：

加热轮毂所需要的功率数根据公式：

$P=\frac{K_0\mathrm{G\ΔTC}}{A_t}$

其中G-轮辐自重(kg)

A-功的热当量，为0.24；

C-轮辐平均热容量，钢材C＝0 12大卡/kg℃；

K0-热损失系数，有良好保温时，取2～25；取2

ΔT-180℃

(4)感应电磁线匝数计算：

功率密度： $P0=\frac{P}{S_0}(\mathrm{kW}/m2)$ ⑥

绕组匝数： $W=v\cos \mathrm{\φ}\sqrt{\frac{22.4\mathrm{L\η}}{\mathrm{dP}\×{10}^{-3}\×\sqrt{\mathrm{\ρ\μr}}}}$ (匝) (3)

式中：η、d2、L-设备效率(96％)，毂外表面直径(m)，毂高度(m)；

S0、cosφ-毂被绕组覆盖的表面积(m2)，功率因数(0.6)

-毂的相对磁导率；

(5)根据图纸计算出以上参数后，按照计算出的缠绕匝数将电磁线缠绕到绝缘支架上，将支架插入到轮毂中，转子支架外边用防火布罩上，当作保温棚用来保温，调试好中频焊机将功率设定到计算出的功率数，开始加热，并在加热过程中对轮毂直径的热膨胀量进行监控，当热膨胀量达到设计要求的过盈量时，停止加热，拆除保温棚，将转子支架吊起，调水平，然后套到发电机轴上，采用拉筋将转子支架焊到平台上。

如图1、图3所示，采用电磁感应加热，将电磁线缠绕到绝缘支架外然后将绝缘支架插入到转子支架的轮毂1中，进行电磁感应内加热，热套后，将转子支架用拉筋固定在平台上，防止转子支架2在冷却过程中下端向上移动。

下面是以周宁水轮发电机转子支架热套为例进行的计算过程：

周宁转子支架轮毂的尺寸为：高度L＝2260mm  内径d＝805mm

L≤3d， ${\mathrm{\δ}}_0=\frac{d}{800~900}m,$ 最大过盈δmax＝0.460mm由图纸给出。热套间隙

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{d}{800}=\frac{805}{800}=1.00625$

2.加热温度的计算：

根据图纸轴毂过盈配合的最大过盈量δmax和热套间隙δ₀，来计算热套温度t′，代入以下公式：

式中：t′、t0-热套计算温度℃、环境温度℃；

δmax、δ₀-最大过盈量mm、热套间隙mm；

d-配合面的直径mm；β-毂的材料线膨胀系数℃.

(在20～200℃时，钢β＝1.25×10-5℃)

由于热套过程中的散热将导致温度降低，实际热套温度t应取t＝(115％～130％)t′；环境温度t0＝25℃，确定热套温度如下：

t′≈171℃实际热套温度取值：t＝120％t′＝1.2×171≈205℃

3.热套功率的计算：

加热轮毂所需要的功率数根据公式：

$P=\frac{K_0\mathrm{G\ΔTC}}{A_t}$

其中G-轮辐自重(kg)，为22400kg；

A-功的热当量，为0.24；

C-轮辐平均热容量，钢材C＝0 12大卡/kg℃；

K0-热损失系数，有良好保温时，取2～25；取2

ΔT-180℃

代入式中得P＝22.4KW

4.感应电磁线匝数计算：

功率密度： $P0=\frac{P}{S_0}(\mathrm{kW}/m2)$

绕组匝数： $W=v\cos \mathrm{\φ}\sqrt{\frac{22.4\mathrm{L\η}}{\mathrm{dP}\×{10}^{-3}\×\sqrt{\mathrm{\ρ\μr}}}}$ (匝)

式中：η、d2、L-设备效率(96％)，毂外表面直径(m)，毂高度(m)；

S0、cosφ-毂被绕组覆盖的表面积(m2)，功率因数(0.6)

-毂的相对磁导率.5.7

周宁转子支架的热套采用中频电源、输入中频电压260伏，绕组匝数计算如下：

S0＝πdL

代入数据得：S0＝5.71m2

取cosφ＝0.6，V＝260 V，P＝22.4kW， $\sqrt{\mathrm{\ρ\μr}}=5.7.$ 代入计算

得出

W＝107匝，并计算得电流强度 $I=\frac{P\×{10}^3}{V\×\cos \mathrm{\φ}}=143A,$

选电流密度J＝3A/mm2

导线截面积F＝47.3mm2，选用50mm2铜芯裸绞线，

匝数为107匝.

实践证明采用计算得出的工艺参数，效果良好，符合实际工艺要求。

本发明具体实施过程如下：

1.根据扭矩计算过盈量：根据工件尺寸和过盈量计算加热功率，缠绕电磁线的匝数，加热速率，加热时间等参数。2.根据轮毂尺寸设计制作绝缘支架，绝缘支架可以拆装保存，避免了传统方法所搭的加热棚无法移动，占地面积大的缺点3.电磁线外包绝缘布，以防短路4.将缠有电磁线的支架插入到轮毂中5.准备好用吊车及起吊的一切准备6.调试好中频电源，将功率设定到计算量调整好功率参数，由于中频感应加热是通过磁场的感应使得轮毂本体发热，中频电源一般只需要调整到70-90千瓦左右即可，这可降低能耗50％。用耐火布罩在转子支架上进行保温7.开始加热，加热过程中要用成型尺对热膨胀量进行监测8.达到过盈量后停止加热。9.迅速拆除保温棚，将转子支架吊起，对转子支架调水平10.利用吊车将转子支架平稳地套到发电机大轴上11.热套完毕后，用拉筋将转子支架轮毂下端焊到平台上自然冷却。

Claims (2)

1、水轮发电机转子支架电磁内加热式热套工艺，其特征是：电磁线缠绕在由层压环氧玻璃布板制作的支架上，将缠有电磁线的支架插入到轮毂中，电磁线外包绝缘布，进行中频感应加热，加热设备为KGPS100静止中频电源，加热频率为8000Hz：

(1)根据最大过盈量计算出热套间隙：转子支架的重量较大，要用吊车吊装，实际的对中心时间较长，因此热套间隙δ0取值应有所考虑，避免卡轴，经验取值为：

L＞3d时， $\mathrm{\δ}0=\frac{d}{900~1000}m$

L≤3d时， $\mathrm{\δ}0=\frac{d}{800~900}m,$ L为轮毂的长度，d为轮毂的直径；

(2)根据热套间隙计算出加热温度：根据图纸轴毂过盈配合的最大过盈量δmax和热套间隙δ0，来计算热套温度t′，公式如下：

式中：t′、t0-热套计算温度℃、环境温度℃；

δmax、δ0-最大过盈量mm、热套间隙mm；

d-配合面的直径mm；β-毂的材料线膨胀系数℃.

(在20～200℃时，钢β＝1.25×10-5℃)

由于热套过程中的散热将导致温度降低，实际热套温度t应取t＝(115％～130％)t′；环境温度t0＝25℃(3)；

(3).热套功率的计算：

加热轮毂所需要的功率数根据公式：

$P=\frac{K_0\mathrm{G\ΔTC}}{A_t}$

其中G-轮辐自重(kg)

A-功的热当量，为0.24；

C-轮辐平均热容量，钢材C＝012大卡/kg℃；

K0-热损失系数，有良好保温时，取2～25；取2ΔT-180℃

(4)感应电磁线匝数计算：

功率密度： $P0=\frac{P}{S_0}(\mathrm{kW}/m2)$ ⑥

绕组匝数：

式中：η、d2、L-设备效率(96％)，毂外表面直径(m)，毂高度(m)；S0、cosφ-毂被绕组覆盖的表面积(m2)，功率因数(0.6)

-毂的相对磁导率；

(5)根据图纸计算出以上参数后，按照计算出的缠绕匝数将电磁线缠绕到绝缘支架上，将支架插入到轮毂中，转子支架外边用防火布罩上，当作保温棚用来保温，调试好中频焊机将功率设定到计算出的功率数，开始加热，并在加热过程中对轮毂直径的热膨胀量进行监控，当热膨胀量达到设计要求的过盈量时，停止加热，拆除保温棚，将转子支架吊起，调水平，然后套到发电机轴上，采用拉筋将转子支架焊到平台上。

2.根据专利要求1所述的一种水轮发电机转子支架电磁内加热式热套工艺，其特征是：采用电磁感应加热，将电磁线缠绕到绝缘支架外，然后将绝缘支架插入到转子支架的轮毂中，进行电磁感应内加热，热套加热后，将转子支架用拉筋固定在平台上，防止转子支架在冷却过程中下端向上移动。

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