四极隐极上空冷汽轮发电机的研发

四极隐极上空冷汽轮发电机的研发

王伟裘迪林王寅华王文仁

王伟裘迪林王寅华王文仁

（杭州杭发发电设备有限公司）

摘要：四极隐极上空冷汽轮发电机,是在参照欧美机组标准的基础上结合国内汽轮发电机的特点自主研发的一种新机型,该系列发电机电压波形和运行稳定性显著改善，在材料应力、绝缘性能、机组振动、端部电动力、漏磁损耗、转子冷却和运行维护等方面比两极电机具有明显的优越性。在结构方面该机组的轴承采用自动调心的球面轴瓦,油路采用油环和压力油复合润滑方式，增加了轴承的可靠性;定子采用铁心外压装结构，并采用整体F级真空压力浸漆（VPI），提高了绝缘性能;转子铁心带径向通风道,转子线圈采用铜排绕制而成,转子下线后采用整体F级真空压力浸漆（VPI），提高绝缘性能;该机组空冷器置于发电机上方，减少了土建开挖量，结构型式美观，综合来看本产品属于国内领先产品。

关键词：四极隐极;上空冷;汽轮发电机;电磁计算

1前言

为适应我公司发展的需要，在激烈的市场竞争中寻找突破,2014年初，我公司组织相关人员针对四极隐极上空冷汽轮发电机进行了前期市场调研。四极隐极上空冷汽轮发电机作为隐极同步发电机的分支系列，为卧式单层布置箱式结构，因高效低噪、安装方便和安全可靠，在国外火电项目中受到客户青睐。国际上许多用户有此要求，西门子、明电舍等许多国际知名公司在60MW以下小容量四极机组中多采用箱式结构。印度、巴基斯坦及东南亚国家多希望采用该机型，同时，从国内其他单位了解到，国外的汽轮发电机业主一般要求采用四极机型，由于国内生产厂家少，都是要通过大量的说服工作，才能使用户接受采用两极机组，因此，开发该系列产品具有一定的市场前景。

QF-W15-4,11kV无刷励磁汽轮发电机产品结构合理，操作维护简单,安装接线方便,机组运行安全可靠，产品的各项性能指标优越。

3.2.1结构设计说明

发电机采用端盖式滑动球轴承,箱式上空冷结构，对称双循环冷却风路。由定子、转子、轴承、空水冷却器、端盖、无刷励磁装置、励磁调节柜（因电站电气部分统一配置的原因，由客户决定是否卖方提供）、安装用附件等部件组成。

为了防止有害的轴电流，非驱动端的轴承轴瓦与轴承座之间是绝缘的，并安装有转子轴接地电刷，在发电机励磁机尾端安装有检测滑环，可即时检测发电机转子电压，并提供转子绕组一点和转子绕组两点接地保护用信号，该信号引接至接地保护模块后，起到对转子励磁绕组绝缘损坏监测报警作用，从而可以提早检修转子，防止进一步损伤转子绕组。

为防止发电机上部的空水冷却器长期运行工况下出现漏水，对机组造成进一步的损害，在冷却器上安装有漏水检测装置，当冷却器出现渗漏时，提前报警安排对冷却器进行检修，避免对发电机绕组绝缘损伤。

发电机安装有停机加热器，当发电机停止运转时，可以通电加热，以防止发电机受潮结露。

3.2.2定子

发电机的机座为钢板焊接箱式结构，带绕组的定子铁心、转子、冷却器等均安装于机座上面，故机座是保证发电机稳定运行最重要的部件之一。定子铁心是采用优质硅钢片冲制叠压而成的，铁心采用外压装方法。每段铁心间设有通风槽板。定子线圈是由多股扁铜线并绕拉形而成，采用圈式线圈结构，匝间绝缘为多胶模压，对地绝缘采用中胶带。

3.2.3转子

转子为隐极套片结构，转子铁心由整圆冲片叠成，冲片有大齿和小齿，槽中嵌放励磁绕组。隐极转子不仅缩小了电机径向尺寸，转子机械强度也大大增加，而且它将使电机获得更好的输出电压波形。转子槽楔在转子铁心中间采用铝合金槽楔，二端采用铅青铜槽楔，大齿上带有阻尼条，转子端板采用铜质材料，阻尼条与转子端板焊接构成阻尼回路，以改善电机动态特性。

转子线圈采用铜排绕制而成，转子下线后采用整体F级真空压力浸漆（VPI），大大提高绝缘性能。转子线圈两端热套护环，护环外安装风扇，励端安装上无刷励磁装置转子。转子装配完成后，进行高速动平衡。转子内部也有通风道,冷却效果明显。

3.2.5冷却系统

为了保护发电机的冷却不受外界环境的影响，发电机的冷却系统采用双路密闭循环方式，即发电机内部独立的循环系统和外部循环系统双路冷却方式，二者冷却介质不交叉，从而避免了内部冷却介质被外界污染。

3.2.6无刷励磁系统

无刷励磁系统由交流主励磁机、永磁副励磁机、旋转整流盘三大部分组成，励磁机转子与发电机转子通过法兰联接，悬挂在发电机的尾端，与发电机转子同轴旋转。无刷励磁系统冷却风道与发电机冷热风道相连，实现密闭循环冷却通风。交流主励磁机为转枢式结构，转子铁心由优质冷轧硅钢片迭压而成，转子线圈为双层波形线圈，电枢线圈三根引出线通过无纬带绑扎后引至旋装整流盘。

旋转整流盘采用三相桥式整流电路，旋转盘分为正负两极，均为带电体，通过励磁引线与发电机转子线圈相连。

永磁副励磁机为三相同步电机，该机提供的电压稳定，不受系统电压变化影响，在系统电压降低时能迅速提供强励电压，系统电压回复时间短，提高了机组的稳定性。

3.2.7测控装置

为保证发电机的安全稳定运行，在发电机的不同部位安装了测控装置以便对发电机的运行情况进行监测。主要的测控元件如下：

1)定子内埋置12支测温元件,铁心与绕组各6支,测温元件型号为Ptl00(双支)。

2)发电机两端进风区分别安装有2支双金属温度计WSSP-401，中间出风区安装有1支双金属温度计WSSP-401。

3)每个轴承的轴瓦中埋置有1支轴瓦温度测温元件Ptl00。

4)机座上安装有冷却器漏水检测报警开关1套。

5)轴承上根据用户保护需要可以选装瓦振或轴振测量元件。

4准确计算转子临界转速，对控制发电机振动与保障发电机安全运行有重要意义。

电机转子的临界转速计算来源于阶梯轴的临界转速计算方法，而在实际工程应用中，电机转子和阶梯轴有明显的不同。四极隐极式发电机转子由主轴、转子冲片、转子绕组、阻尼导条，风扇和平衡环等组成，结构上存在一定的复杂性，比如转子绕组的端部、转子轴的齿部、风扇结构等。这些结构都在一定程度上增加了发电机转子临界转速计算的复杂性和难度。在计算方法上采用程序计算与CAE分析相结合的方法，两种方法相互验证保证结果的正确性。

5产品的主要部件强度计算

强度计算采用有限元分析和传统计算相结合的方法，不能采用传统计算的部件，均采用有限元分析，如：定子铁心支架、护环、轴承座、机座等。采用有限元分析方法进行分析增加了结构的可靠性与合理性。

6电磁计算

发电机的电磁计算是进行发电机设计的最基本也是最关键的环节，电磁方案直接关系到发电机效率、发电机温升以及制造成本，因此，电磁计算方案将决定整个发电机设计的成败。

四极隐极式汽轮发电机在转子结构和通风方式上与传统的两极隐极汽轮发电机有很大差别,为降低制造成本，转子采用叠片式铁心结构，并在转子铁心上带有分段式通风槽，提高了通风冷却能力。为改善隐极式发电机电气和机械性能，在转子两端设有阻尼绕组平衡负序电流。转子结构和材料以及通风方式的变化与发电机电气性能直接相关，因此，采用适合的电磁计算程序进行该型号发电机电磁计算分析，得到接近实际真实的电磁计算结果尢其重要。

传统的汽轮发电机电磁计算程序是基于两极发电机为基础而开发的电磁计算程序，转子结构和通风方式都适合传统的两极发电机，为此，我公司与国内该领域研究机构联合，专项研究开发了针对四极隐极式发电机的电磁计算程序，该程序适合叠片式带径向通风槽的转子铁心结构，增加了计算阻尼绕组的功能，使计算结果更加接近真实，让用户真正放心。利用先进的电磁计算程序，根据该型号发电机的容量、转速、电压和性能要求，结合国外相近容量机型的经验，确定了发电机的主要尺寸，包括发电机转子本体直径和长度、转子槽数和槽形、转子通风槽数、转子通风道高度、阻尼条节距、阻尼孔尺寸、阻尼条直径以及定子铁心内外径、定子通风槽数、定子通风道高度、定子槽数、槽形、绕组并联支路数等等关键尺寸，充分考虑各部分磁路的磁密都应在允许的范围内，并结合各部分磁密与气隙磁密和线负荷以及热负荷的关联性，考虑转子齿的应力水平以及是否会产生过大谐波等因素，确定最终的电磁方案。

7关键技术

7.1该机组为卧式单层布置箱式汽轮发电机，结构紧凑、便于安装，便于推向国际市场。

7.2定、转子采用目前国内先进的F级真空压力浸漆（VPI），减少了绝缘内部的空气含量,增加了绝缘的导热性能,绝缘厚度可以大幅减薄，设计时可提高电机的热负荷与磁通密度(例:热负荷AJ取4000以上，常规机组取2500左右;气隙磁密Bδ取8000Gs以上，常规机组取7000Gs左右)，提高了材料的利用率，缩小了体积，减轻了重量，提高了效率。

7.3为满足真空压力浸漆（VPI）的需要，定子需采用外压装结构，此工艺为全新工艺。

7.4转子为隐极套片结构，转子铁心由整圆冲片叠成，此工艺为全新工艺。

7.5转子上阻尼条与阻尼环的可靠联接，影响到运行的稳定性，焊接质量为关键工艺。

7.6由于定、转子均采用真空压力浸漆（VPI），需添置旋转烘房设备，将定、转子进行旋转烘干。

7.7四极隐极式汽轮发电机的研究开发，在电磁和机械设计计算上有许多难点和创新之处。

8结论

在消化吸收国外先进技术的基础上，融全了我公司产品的特点，开发了四极隐极上空冷汽轮发电机，该机组设计合理，结构紧凑，在国内处于领先水平，对打开国际市场有重要的意义。

参考文献

[1]白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京:机械工业出版社,1982

[2]李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行.上海:上海科学技术出版社,2012