水轮发电机集电环的制作方法

本发明涉及发电机技术，尤其是一种水轮发电机集电环。

背景技术：

集电环是水轮发电机组的重要部件之一。机组运行时，集电环随转子旋转，固定不动的碳刷与集电环相接触，向转子传输励磁电流，使发电机产生旋转磁场，向电网输送电能。部分水轮发电机组由于设计制造等原因，发电机集电环安装于推力轴承与上导轴承之间，因结构相对简单，设计安装较为方便等原因而得到广泛应用。但由于安装位置紧凑，直接影响发电机上导轴承等的检修，每次机组大修时必须分瓣拆除集电环方可进行相应的工作。且由于旧集电环采用绝缘螺杆、绝缘套等固定，无法设置定位销，导致定位精度差，分瓣拆除后再次安装很难保证集电环与大轴旋转中心的同轴度要求。因此，常用手段是采用在集电环室设计支架来安装车削刀架，对集电环进行现场车削以保证集电环安装后的同轴度。然而车削工作费时费力，车削人员操作空间狭小，存在严重的人身伤亡安全隐患；而且，受临时刀架精度限制，车削后的集电环表面粗糙度精度也很难保证，导致碳刷磨损量大，碳粉堆积过多，以致影响机组绝缘性能；另外，这种车削方案还需要水轮发电机组长时间维持低转速运行，影响运行安全，曾经发生过在车削过程中出现机组上导轴承瓦烧瓦的事故。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种水轮发电机集电环，它具有符合绝缘规范要求、精简集电环安装过程、定位精度高而快等特点。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种水轮发电机集电环，包括集电环中心体，其特征是所述集电环中心体包括固定在发电机大轴上的内环板，内环板外径上通过绝缘环安装相互绝缘的上固定环和下固定环，上固定环和下固定环上分别刚性连接上内环、下内环，与上内环、下内环配合设有外环。

前述的一种水轮发电机集电环中，作为优选，所述外环为分体式结构，包括以发电机大轴中心对称布置且上下错位的上外环和下外环。

前述的一种水轮发电机集电环中，作为优选，在所述上固定环和下固定环同一条直径的板体上分别设有定位孔，上内环、下内环中分别设有与所述定位孔配合的基准孔。

前述的一种水轮发电机集电环中，作为优选，所述内环板外径上设有轴肩，通过所述轴肩定位绝缘环；绝缘环的一端外径上同样设有轴肩，通过轴肩限定下固定环轴向自由度。

前述的一种水轮发电机集电环中，作为优选，所述上固定环和下固定环的环形单边纵截面均为l形结构，并分别通过一组径向螺栓与内环板连接，与径向螺栓配套设有绝缘套以及绝缘垫圈。

前述的一种水轮发电机集电环中，作为优选，所述上内环、下内环均为对开式分体结构，即由第一半环和第二半环两个半环组成。

前述的一种水轮发电机集电环中，作为优选，所述上内环、下内环内圈中设有若干个均匀分布的齿形连接墩，齿形连接墩与上固定环、下固定环配合。

前述的一种水轮发电机集电环中，作为优选，所述上内环、下内环中的齿形连接墩与上固定环、下固定环配合时错位布置。

前述的一种水轮发电机集电环中，作为优选，所述上内环、下内环中以中心点对称分布有定位穿轴引线的固定部。

前述的一种水轮发电机集电环中，作为优选，所述上固定环、下固定环均为对开式分体结构，其中上固定环由左半环和右半环两爿组成，上固定环与内环板连接处为凹弧螺座。

本技术方案的工作原理是：把外界的励磁电流传递给发电机旋转磁极的一个电流传输装置。在机组运行过程中，使水轮机大轴带动集电环中心体、集电环上下内环跟随大轴一同按顺时针方向旋转。外届的励磁电流通过安装于上、下外环上的碳刷传输到集电环上下内环上，并通过安装于上、下内环上的励磁穿轴引线传输到发电机旋转磁极上，从而完成发电机的励磁过程。

本方案将绝缘层设置在集电环中心体内部，将绝缘内移、固化，更有利于集电环整体绝缘的稳定；并优化其连接固定结构，事先预设具有高精度配合的定位销，在满足绝缘技术要求的前提下，提升集电环的定位精度。该方案解决了原集电环在拆装后必须在机组上车削的问题；完全可以通过普通机床加工，使得集电环工作表面精度知彻底得到保证，从而有效控制了碳刷的磨损，减少碳粉堆积。

本方案包括以集电环中心体为中心，向外布置上下内环(注：上内环、下内环的合称，下同)、外环，以及外环底座，上下内环通过集电环中心体固定在水轮发电机大轴上，并随同发电机大轴旋转。碳刷架组件安装于外环上，利用碳刷架组上的碳刷，将发电机组所需的励磁电流传输给上下内环，并通过励磁穿轴引线将励磁电流输送到发电机磁极上完成机组的励磁循环；上下内环与集电环中心体之间相互绝缘以满足集电环输送励磁电流及对地绝缘的要求。

本方案专门对集电环中心体进行研究，优选设计一种内环板与发电机大轴配套，然后向外设置上固定环和下固定环，且，内环板、上固定环、下固定环以及上固定环和下固定环之间均通过绝缘环进行隔断，使绝缘层全部隐藏在集电环中心体内部，再把上下内环分别与上固定环、下固定环刚性连接。

为了在发电机上导轴承拆装时无需拆除中心体，本方案在设计集电环中心体之时，把上固定环、下固定环的环形单边纵截面设为l形结构，在确保结构强度前提下，通过一组径向螺栓与内环板进行连接，并加设绝缘层，使得本方案缩小了集电环中心体尺寸，将其制作成整体相互绝缘结构，延长了集电环的检修周期，如果检修绝缘满足要求时可免拆检，减小机组检修工作量，提高工作效率。

进一步，把集电环外环设计为分体式结构，即上外环和下外环，以发电机大轴中心对称、上下错位，从而降低了因集电环碳粉附着而降低发电机励磁系统绝缘的风险，改变原集电环上、下外环利用绝缘板连接成整体的结构方式，杜绝集电环上、下外环因碳粉污染造成绝缘电阻降低的可能性，提高了发电机励磁系统整体的安全裕度。

在上固定环和下固定环同一条直径的板体上巧妙设置定位孔，使上下内环中同样设定基准孔，同时，内环板、绝缘环外径上均通过轴肩进行轴向定位来限定下固定环的轴向自由度，结合各种因素，保证各部件在任何拆装状态下都能第一时间进行一一对应，增加了集电环中心体与上下内环安装定位精度，减小了检修前后与机组旋转中心的同轴度偏差，提高了电环碳刷与集电环上下固定环之间接触质量与导电性能，有效减少碳刷的磨损，提高机组运行的安全可靠性能。

根据本方案的定位孔、基准孔原则，上内环、下内环，上固定环、下固定环均设计对开式分体结构，即使在复杂环境下也能快速进行安装检修作业。

从细节上，本方案对所有部件进行优化，上下内环中的内圈布置齿形连接墩，两件固定环齿形连接墩与上、下固定环配合时采取错位布置，不仅减轻自身重量，保证构件强度，而且方便集电环的检修与集电环的“复原”，减少集电环检修工作量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

集电环中心体的设计使绝缘层内移，无需再进行外部其它绝缘处理，减少了集电环安装过程加装绝缘垫等繁琐的绝缘安装工序，降低了集电环检修工作强度，提高检修工作效率；上下内环与集电环中心体“刚性定位”的设计，大大提高了安装定位精度，确保检修时内环与碳刷接触表面的粗糙度，减小了同轴度、圆度等的形位误差，提升内环与碳刷之间的接触性能；分体式外环的设计也避免了因集电环碳粉附着而降低发电机励磁系统绝缘的风险。

本方案适用于所有集电环设计安装不合理、检修工作量大的场合，可利用本结构定位精准的特点，在标准加工设备上完成集电环整体的加工任务，在提高集电环加工质量的同时，也使集电环的制造与检修更方便、灵活。

附图说明

图1是本发明的一种安装状态结构示意图。

图2是图1的m处局部放大结构示图。

图3是本发明的一种集电环中心体结构示意图。

图4是图3的b－b向剖视图。

图5是本发明的一种内环装配状态结构示意图。

图6是图5的a-a向剖视图。

图7是本发明的一种外环安装结构示意图。

图8是本发明的一种绝缘套结构示意图。

图9是本发明的一种内环结构示意图。

图10是本发明的一种上固定环结构示意图。

图11是本发明上外环和下外环位置关系附视图。

图中：1.下平台，2.发电机大轴，3.集电环中心体，301.上固定环，301a.左半环，301b.右半环，301c.凹弧螺座，301d.定位孔，302.下固定环，303.径向螺栓，304.绝缘垫圈，305.绝缘套，306.绝缘环，307.内环板，308.合拚螺组，4.内环，401.上内环，402.下内环，4a.第一半环，4b.第二半环，4c.拚帽组，4d.齿形连接墩，5.外接电源引线，6.外环，601.上外环，602.下外环，603.碳刷架组件，604.调节螺杆，605.绝缘组件，606.外环底座，7.穿轴引线，8.上平台。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

参见图1到图4，本实施例一种水轮发电机集电环，主要由集电环中心体3、内环4、外环6构成。

其中，集电环中心体3包括固定在发电机大轴2上的内环板307，内环板307外径上套装有绝缘环306，绝缘环306外部安装安装上固定环301和下固定环302，上固定环301和下固定环302之间通过绝缘垫圈隔开。内环板307为套筒式结构，其下端外径上设有轴肩，通过该轴肩来定位绝缘环306；绝缘环306的下端外径上同样也设有轴肩，通过该轴肩限定下固定环302的轴向自由度。内环板307一周设有上、下两组螺孔，与之相对应，绝缘环306上设有与两组螺孔配合的通孔，如图8所示。上固定环301、下固定环302结构相同，都为对开式分体结构，以上固定环301为例，它由左半环301a和右半环301b两爿组成，并由合拚螺组308进行连接，上固定环301与内环板307连接处为凹弧螺座301c，从径向穿装紧固件。上固定环301和下固定环302的环形单边纵截面均为l形结构，如图10所示，两者分别通过一组径向螺栓303与内环板307连接，而与径向螺栓303配套时装有绝缘套305以及绝缘垫圈304。

在上固定环301和下固定环302同一条直径的板体上分别设有定位孔301d，具体做法是：沿左半环301a和右半环301b两爿对合中心线上布置两个定位孔301d。组成一体的上固定环301和下固定环302上分别设有8个连接孔，用于刚性固定内环4。

内环4由平行布置的上内环401和下内环402构成，上内环401、下内环402均为对开式分体结构，即由第一半环4a和第二半环4b两个半环组成，如图9所示，两个半环通过拚帽组4c合并成一体。上内环401、下内环402内圈中设有8个均匀分布的齿形连接墩4e，齿形连接墩4e与上固定环301、下固定环302上的8个连接孔配合，装配时，上内环401、下内环402中的齿形连接墩4e与上固定环301、下固定环302错位布置，使连接孔位置错开，参见图5、图6。定位孔配置：在上内环401、下内环402中，沿两个半环对合线分别设有与上下固定环中的定位孔301d配合的基准孔4d。

另外，在上内环401、下内环402中，以中心点对称设有定位穿轴引线7的固定部。

与上内环401、下内环402配合的是外环6，外环6为分体式结构，包括以发电机大轴2中心对称布置且上、下错位的上外环601和下外环602。参见图7、图11，上外环601和下外环602部位分别设有碳刷架组件603，上外环601和下外环602又分别连接在各自的调节螺杆604底端，调节螺杆604的顶端通过绝缘组件605连接在外环底座606上，外环底座606固定在上平台8上。碳刷架组件603部位连接外接电源引线5。

检修安装时：由于事先在下平台1和上平台8之间的发电机大轴2上固定有集电环中心体3(包括内环板307、上固定环301和下固定环302，这些组件的相关装配是在加工厂内完成的，实现整圆配车完全保证精度)，在现场安装后，其结构和发电机大轴2形成一体。且把上固定环301、下固定环302与内环板307三者之间均进行绝缘处理。对开式分体结构的上内环401、下内环402相互之间都通过标配多孔螺栓、基准定位孔等多种形式共同构成的“刚性连接”，使得上内环401、下内环402拆卸再装变得轻松易正。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，如内环板307与发电机大轴2设为一体式结构，等等，任何对本发明的简单变换后的方法、工艺、结构等均属于本发明的保护范围。