CN104160592A - 涡轮发电机定子铁芯附接技术 - Google Patents

Abstract

一种定子铁芯(105)，包括：面到面堆叠的翼片式叠片(100)，用于形成多个翼片式叠片模块(107)，其中每个翼片式叠片包括从叠片周缘延伸的第一翼片(102)和第二翼片(104)。非翼片式叠片也面到面堆叠，以形成多个非翼片式叠片模块(109)，每个非翼片式叠片缺少翼片。翼片式叠片模块以与非翼片式叠片模块的交替构造面到面堆叠。例如通过将翼片附接至发电机框架的框架支撑环(4)，翼片用于将定子铁芯附接至发电机框架(2)的内侧表面。

Description

涡轮发电机定子铁芯附接技术

技术领域

本发明涉及电力发电机，更具体地涉及用于将定子铁芯附接至发电机框架的方法和装置。

背景技术

发电机定子铁芯是涡轮发电机组的最大单体部件。定子铁芯包括数千个薄钢叠片，叠片水平堆叠并夹紧在一起，以形成设置在发电机框架内的柱形定子铁芯。每个叠片限定中央开口，从而当堆叠时，轴向开口延伸穿过铁芯。叠片由从端部到端部延伸穿过铁芯的多个轴向贯穿螺栓保持在一起。

转子设置在中央开口内，并通过旋转涡轮机械旋转。转子响应于电流，使得旋转在定子绕组中产生电流。定子电流通过传输和分配系统供给到电负载。

在正常运行和瞬态条件期间产生的稳态和瞬态力在定子铁芯上施加相当大的力。这些力也可以扭曲铁芯几何形状，导致叠片振动，并损坏铁芯、转子和/或框架。此外，由这些力引起的机械疲劳可以导致发电机的过早故障。

根据一个现有技术，各个的叠片或多个叠片以圈(donut)的形式接合设置在发电机框架内侧表面上的键棒(keybars)。键棒是延伸一段框架的棒状或杆状构件。每个键棒的面向外侧表面附接至内部框架结构(例如，框架环)。每个键棒的面向内侧表面包括突起，该突起接合叠片(圈)外周上的轴向凹槽。

现有技术图1是插入定子铁芯(即，定子铁芯叠片或圈)之前的现有技术发电机框架2的剖视图。具有燕尾形横截面的键棒6延伸框架2的轴向长度，并经由过渡适配器板5附接至发电机框架支撑环4(见现有技术图2)。支撑环4又焊接到发电机框架2。发电机框架2固定到稳定的支撑件，如发电厂的地板(未示出)。

如图2所示，通过配合互补的凹口使叠片和键棒接合。多个凹口12限定在叠片10的周向表面中。凹口12匹配键棒6的互补轮廓。当多个叠片10水平堆叠时，对准的凹口形成轴向凹槽，其中若干轴向凹槽形成于铁芯圆周之中。为了组装定子铁芯，叠片10滑动到键棒6上。由于键棒6固定到发电机框架2并且框架附接至发电厂地板，所以铁芯及其组成的叠片是稳定的。

由于在操作期间定子铁芯的振动，其中大幅度的振动发生在电力系统瞬态期间，所以键棒6关键是要刚性地固定到叠片10和发电机框架2两者。

现有技术图3和图4示出了用于保持叠片的周向对准以及将定子铁芯附接至发电机框架两者的结构部件。定子铁芯21包括多个水平堆叠的模块组件20，每个模块组件包括多个叠片。每个叠片模块组件20还限定了多个凹槽23(见图4)，通过对准形成在每个叠片周向表面之中的凹口，凹槽23得以形成在其周向表面之中。端板设置在铁芯21的每个端部处；在图3中仅示出一个端板63。

每个叠片限定了中央开口，用于接收定子绕组。因此，每个模块组件20和定子铁芯21还限定了中央开口，用于接收定子绕组。

贯穿螺栓44A和配合的螺母44B(在图3中仅示于铁芯21的一端上)延伸一段铁芯21，并协作以施加向内的轴向夹紧力作用在端板和叠片模块组件20上。

键棒50设置在叠片模块组件20的每个凹槽23内，在键棒和凹槽之间有相对紧配合的间隙。这种紧配合防止模块组件20在圆周方向上的运动。每个键棒50包括带螺纹的螺柱终端部(threaded stud terminal portion)50A，用于接收配合的螺母50B，螺母50B被压在端板63上，以保持模块组件20的圆周对准。键棒50延伸铁芯21的整个轴向长度。

根据本实施例，如图3所示，为了将定子铁芯21附接至发电机框架，第一多个轴向对准的键棒附接组件60设置在两个相邻的键棒50之间并附接至这两个相邻的键棒50。第二多个轴向对准的键棒附接组件(在图3中未示出)与第一多个键棒附接组件设置成约圆周180度。

图4的横截面图示出了键棒附接组件60和设置成以约圆周180度间隔开的键棒附接组件70。键棒附接组件60和70通过紧固件诸如螺栓或螺钉85附接至键棒50。如图3所示，每个键棒附接组件60/70横跨两个相邻的键棒50之间。

每个键棒附接组件60/70还包括凹槽60A/70A，用于接收弹簧杆86/88。弹簧杆86/88延伸铁芯21的轴向长度，并各自焊接到框架支撑环，如图1所示的支撑环4。弹簧杆86/88通过焊件或紧固件固定到凹槽60A/70A内。这样布置的结构部件将定子铁芯21刚性地附接至发电机框架。

图5是局部透视图，示出与用于将定子铁芯附接至发电机框架的另一种技术相关联的部件。支架90包括凹口部91和基部92。键棒94接收在块93的凹槽内。紧固件96将基部91附接至块93和键棒94。轴向弹簧杆98设置在凹口部91的凹口内，并焊接到发电机铁芯的框架环。在一个实施例中，框架环在其中限定出凹口，用于接收弹簧杆98。

通常情况下，第一组的三个支架90沿着定子铁芯附接于三个轴向对准位置。第二组的三个支架90附接于与第一组的三个凹口支架的位置隔开180度的三个轴向对准位置。

本文中所描述的各种铁芯到框架的附接技术的组合也可以用于保持定子铁芯叠片的对准以及将铁芯固定地附接至发电机框架。

不幸的是，为了适应各种不同的铁芯到框架的附接技术，许多不同的附接硬件部件和焊件是必需的。此外，该技术需要使用多个高强度的工程部件，为配合部件之间提供必要的精度配合，并适当地从定子铁芯传递自重和运行负载(由于稳态和瞬态力两者引起)到发电机框架，然后到发电机地基。

特别涉及图5的实施例，特别是在故障条件下，在支架90经由块93附接至键棒94的区域中力是可观的。施加的力和由这些附接技术产生的负载也难以定量地和准确地分析。另外，耗时的组装过程是必要的，用以组装部件。

根据又一附接技术，多个钢带附接在定子铁芯的周长周围。从定子铁芯表面向外延伸的翼片被焊接到钢带。然后，翼片附接至定子框架中的弹性弹簧，以完成铁芯到框架到地基的附接组装。典型地，翼片被焊接到弹性弹簧。

不利的是，这最后所描述的附接技术还需要许多部件。在铁芯周长周围牵拉钢带然后将它们焊接在适当的位置是困难和费时的。在已完成此步骤之后，翼片被焊接到弹性弹簧，这再次要求显著和相对无瑕疵的焊接。

本领域技术人员认识到，考虑到各种各样的发电机样式、大小和等级，有各种各样的发电机框架结构、定子结构和铁芯附接部件。总是希望利用技术上合理的结构部件将铁芯附接至框架。这些部件在正常运行和故障条件期间必须提供必要的结构刚性(例如，用以限制框架振动)。这些结构部件也必须允许叠片(或包括多个叠片的圈)很容易地紧固至发电机框架。当然也期望减少制造这些结构部件所消耗的时间和成本，并减少所需要的时间和将铁芯附接至框架的工艺复杂性。

附图说明

在以下描述中考虑附图来解释本发明，图示了：

图1示出了现有技术发电机框架。

图2示出了在图1中一般性示出用于将定子铁芯附接至发电机框架的现有技术键棒和相关联部件的细节。

图3示出了现有技术定子铁芯。

图4示出了图3的现有技术定子铁芯模块组件之一。

图5示出了用于将定子铁芯附接至发电机框架的现有技术支架和相关联部件。

图6示出了根据本发明教导形成的定子铁芯叠片。

图7示出了定子铁芯，其包括根据本发明教导的翼片式和非翼片式叠片。

具体实施方式

定子铁芯叠片由电工钢片(electrical steel sheet)冲压。单一的典型叠片包括九段(或九个冲压件)，因此九冲压操作(也称为模压操作(stamping operations))需要形成九段。对于给定大小和形状的定子铁芯，单一的冲压模具用于冲压九段。对于不同尺寸的定子铁芯，附加的模具用于冲压叠片，其中铁芯大小取决于发电机的额定功率和大小。当需要大量相同的冲压件时，这种技术是特别有价值和高效的。

今天，大多数的冲压件通过激光切割操作而形成。切割模具不是必需的，因为激光切割工艺通过软件程序控制多轴激光切割器来控制。

本发明教导了具有从叠片周缘延伸的至少两个翼片的铁芯叠片。优选地，两个翼片设置成大约180度的角距离，以优化施加在铁芯上的力到发电机框架的传递。

图6示出了包括单个冲压件或叠片段100A-100H和100J的叠片100。在所示实施例中，叠片100包括九段。其它实施例可以包括更多或更少的冲压件。冲压段100C和100H还包括相应的翼片102和104，用于附接至发电机框架支撑环(图1中的元件4)。通常，翼片102和104夹紧或夹在两个刚性板(例如框架支撑环)之间，并使用常用机械附接硬件诸如螺栓/螺母或铆钉附接至支撑环。

翼片式铁芯模块107(见图7)包括面到面堆叠的多个翼片式叠片(例如叠片100)。非翼片式铁芯模块109包括面到面堆叠的多个非翼片式叠片(即不存在翼片102和104的叠片)。

根据一个实施例，定子铁芯中的每个叠片不包括翼片102或104(或者铁芯中的每个模块不包括翼片式模块107)。相反，如图7所示，定子铁芯105包括与多个非翼片式铁芯模块109交替的多个翼片式铁芯模块107。翼片式模块107中的每个叠片包括两个翼片，如图6的翼片102和104。非翼片式模块109中的叠片没有翼片。如图7所示，交替的翼片式和非翼片式模块可以延伸定子铁芯105的长度。然而，取决于发电机和铁芯的设计和大小，翼片式模块107的数目可以减小到小于图7所示的数目，或者翼片式模块107可以延伸定子铁芯的整个长度。

在一个实施例中，每个翼片式模块107的轴向长度和每个非翼片式模块109大约是三英寸，铁芯大约是250英寸长。在一个实施例中，每个叠片大约是0.018"厚，因此约116个叠片堆叠而形成模块107或109中的一个。翼片式和非翼片式模块的轴向长度可以变化，作为定子铁芯长度的函数或作为其它铁芯参数的函数。

图6和图7两者描绘了凹槽23，用于接收如图3和图4的键棒。在这里，键棒为铁芯的外侧表面提供“鼠笼(squirrel-cage)”构造。通过在外侧表面上收集循环电流从而防止电流积累在一个可以创建接地故障的位置，键棒提供对铁芯的保护。

本发明的教导不再需要键棒附接组件60和70以及图3和图4现有技术描绘所示出的弹簧杆86和88。然而，将翼片102和104以及相关联的翼片式模块107定位在相同的轴向位置--其中键棒附接组件60和70位于现有技术中--可能是可取的。

图6和图7的开口120接收贯穿螺栓(未示出)，用于沿轴向夹紧各个叠片和叠片模块。在另一实施例中，各个叠片和叠片模块结合在全局真空浸渍系统中，其使用环氧树脂来提供这种额外结合。

根据一种用于形成叠片段100C和100H(即包括翼片102和104的叠片段)的技术，翼片式叠片段100由电工钢片材切割；片材被翻转过来，翼片式叠片段100H由剩余的片材材料切割。这种技术减少了由钢片制造叠片段所需的材料量。

当叠片被堆叠以形成图7的模块107和109时，在一个实施例中，使用了半重叠堆叠技术(half-lapped stacking technique)。根据这种堆叠技术，一个叠片两个相邻冲压件之间的配合线(或对接接头)与在上或在下叠片两个相邻冲压件之间的配合线偏移(冲压件的二分之一宽度，从而参考“半重叠”)。例如，参考图7，第一叠片取向有所指示的九个冲压件，对接接头在实线指示的抵接叠片之间。立即在第一叠片后方的第二叠片的冲压件取向有叠片段对接接头，叠片段对接接头与第一叠片的对接接头偏移半周的距离。因此，第二叠片的对接接头以虚线示于图7中。

如本领域技术人员公知的，可以使用其它重叠构造，包括三分之一重叠(其中在连续叠片中叠片段之间的对接接头偏移叠片段约三分之一的宽度)和螺旋重叠(其中，在上叠片中的对接接头与在下或在上叠片中的对接接头稍微偏移，使得对接接头沿着铁芯的轴向长度盘旋在铁芯中心线周围。

本发明的附接系统的优点是很多的。相比现有技术附接系统所必需的，需要更少的部件将定子铁芯附接至发电机框架。例如，需要更少的键棒。事实上，消除所有键棒可以是实际的。根据该技术无焊接是必需的，并且组装时间得以减少。此外，用于将负载从铁芯传递到框架的较短的力路径导致应力减少且潜在的故障点更少。此外，该技术可以很容易地适应于机器人组装工艺，其中机器人被编程以选择所需的叠片段(包括翼片段和无翼片段两者)，以形成单一叠片和叠片所形成的堆叠，从而形成定子铁芯。

可以采用本发明的技术--其中叠片段中的某一些不同于其它段(例如，某些叠片段包括翼片而其它则不包括)--以形成叠片段，其包括气体折流板、内框架、专用的铁芯到框架的附接部件及其它铁芯特征的段。当叠片段堆叠时，根据需要，这些特征完全形成在相邻叠片段之间和相邻各个叠片之间并且是连续的。

虽然在本文中已经示出和描述了本发明的各实施例，但将显而易见的是，这样的实施例仅以示例的方式提供。多种变化、改变和替换可以做出，而不脱离本文中的本发明。因此，本发明意图仅由所附的权利要求的精神和范围来限制。

Claims (20)

1.一种定子铁芯，包括：

面到面堆叠的翼片式叠片，用于形成多个翼片式叠片模块，每个翼片式叠片包括第一翼片和第二翼片，其中所述第一翼片和第二翼片中的每个从所述叠片的周缘延伸；

面到面堆叠的非翼片式叠片，用于形成多个非翼片式叠片模块，每个非翼片式叠片缺少翼片；

面到面堆叠的翼片式叠片模块，与非翼片式叠片模块交替构造；和

翼片，被构造成用于附接至发电机框架的内侧表面，以将所述定子铁芯固定到所述发电机框架。

2.如权利要求1所述的定子铁芯，其中，每个翼片式叠片包括多个叠片段，其中所述第一翼片从所述多个叠片段中的第一个的周缘延伸，并且所述第二翼片从所述多个叠片段的第二个的周缘延伸。

3.如权利要求2所述的定子铁芯，其中，所述多个叠片段包括九个叠片段。

4.如权利要求1所述的定子铁芯，其中，每个翼片式叠片模块沿轴向长度大约是三英寸，并且每个非翼片式叠片模块沿轴向长度大约是三英寸。

5.如权利要求1所述的定子铁芯，其中，每个非翼片式叠片包括多个叠片段。

6.如权利要求1所述的定子铁芯，还包括附加特征，所述附加特征形成在一个或多个翼片式叠片和非翼片式叠片中，使得当翼片式叠片和非翼片式叠片面到面地堆叠以形成相应的翼片式叠片模块和非翼片式叠片模块时，以及当翼片式叠片模块和非翼片式叠片模块面到面地堆叠以形成所述定子铁芯时，所述附加特征在所述定子铁芯内是连续的。

7.如权利要求6所述的定子铁芯，其中，所述附加特征包括一个或多个气体折流板、内框架和铁芯到框架的附接结构。

8.如权利要求1所述的定子铁芯，其中，以大约180度的角距离隔开所述第一翼片和所述第二翼片。

9.如权利要求1所述的定子铁芯，还包括每个翼片式叠片和非翼片式叠片，用于限定从中穿过的多个开口，每个开口用于接收贯穿螺栓。

10.如权利要求9所述的定子铁芯，还包括设置在所述定子铁芯的相对端部处的第一端板和第二端板，所述贯穿螺栓通过所述第一端板和第二端板中的开口。

11.如权利要求1所述的定子铁芯，还包括每个翼片式叠片和非翼片式叠片，用于在其周向表面上限定至少一个凹槽，每个凹槽用于接收键棒。

12.如权利要求1所述的定子铁芯，其中，一开口限定在每个翼片式叠片和非翼片式叠片中，定子绕组接收到所述开口内。

13.如权利要求1所述的定子铁芯，其中，所述发电机框架的内侧表面包括发电机框架环，所述翼片用于附接至所述框架环。

14.一种位于发电机框架内的定子铁芯，所述定子铁芯包括：

翼片式叠片，每个翼片式叠片至少包括第一翼片和第二翼片，所述第一翼片和第二翼片中的每个从所述叠片的周缘延伸；以及

所述至少第一翼片和第二翼片用于附接至所述发电机框架的内侧表面，以将所述定子铁芯附接至所述发电机框架。

15.如权利要求14所述的定子铁芯，其中，每个翼片式叠片包括多个叠片段，其中所述第一翼片从所述多个叠片段的第一个的周缘延伸，并且所述第二翼片从所述多个叠片段的第二个的周缘延伸。

16.如权利要求14所述的定子铁芯，还包括设置在翼片式叠片之间的非翼片式叠片。

17.如权利要求16所述的定子铁芯，还包括附加特征，所述附加特征形成在一个或多个翼片式叠片和非翼片式叠片中，使得当所述翼片式叠片和非翼片式叠片面到面地堆叠以形成所述定子铁芯时，所述附加特征在所述定子铁芯内是连续的。

18.如权利要求17所述的定子铁芯，其中，所述附加特征包括一个或多个气体折流板、内框架和铁芯到框架的附接结构。

19.如权利要求14所述的定子铁芯，其中，以大约180度的角距离隔开所述第一翼片和所述第二翼片。

20.如权利要求14所述的定子铁芯，其中，所述发电机框架的内侧表面包括发电机框架环，所述翼片用于附接至所述框架环。