400MW等级燃气轮发电机结构设计特点

杨华峰，刘大鹏

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

1 前言

根据电力工业的发展趋势，国家要适度发展天然气发电。燃气蒸汽联合循环电站具有能源利用率高，不污染环境，灵活性强等特点，特别适用于调峰运行，因此，国家未来几年还要适度发展建设燃机电站，并以单机容量 400MW 等级为主。哈电机公司从引进美国通用电气公司燃气轮发电机设计与制造技术后开展了大量的国产化和科研工作，首台机组进行了工厂试验并获得了可靠的试验数据，其表明哈电机公司制造的 400MW 等级燃气轮发电机性能到达国内外先进水平。

2 技术参数

发电机型号 QFN-400-2

额定容量(MVA)468

额定功率（MW） 398

额定电压(kV)19

额定电流(A)14221

额定氢压(MPa)0.414

额定频率(Hz)50

额定功率因数 0.85

额定转速(r/min)3000

励磁方式 静态

额定励磁电压(V)750

额定励磁电流(A)2019

冷却方式 氢内冷

支路数 3

3 发电机结构特点

3.1 总装布置图(见图1)

3.2 通风冷却系统

本型发电机采用氢内冷冷却方式：转子绕组采用氢内冷，定子绕组采用氢外冷，发电机定子铁心和端部结构件采用氢气表面冷却。转子采用副槽通风方式，定子采用三进四出通风方式。

氢气依靠装在转轴两端护环外侧的单级桨式风扇在定子机座内密闭循环。被发电机损耗加热的氢气经过装在机座内两端的4个立式冷却器冷却，然后再循环。

3.3 定子

3.3.1 定子机座

机座外壳采用优质钢板滚制拼焊而成，整个机座焊后经过消除焊接应力处理及严格的气密试验。首台进行水压试验，机座、端盖等均按不低于2倍额定氢压设计，具有良好的防氢爆性能。

3.3.2 内、外底脚

发电机采用内、外底脚四角布置，内、外底脚均与机座止口配合并把紧在机座上，其单独包装运输。

图1 发电机总装布置图

3.3.3 定子铁心

定子铁心由高导磁、低损耗的有取向冷轧硅钢板冲制并经绝缘处理的扇形片叠装而成。端部边段铁心设计成阶梯状并粘接成整体，同时在齿部开槽，分割齿部涡流回路以降低损耗，提高发电机的进相运行能力。定子铁心端部采用无磁性压指和铜屏蔽的结构。定子机座与铁心之间采用组合式弹性定位筋连接，将定子铁心与机座有效隔离，减少机座振动。定子铁心径向由定位筋定位后，再由定位筋外侧的夹紧环收紧。

3.3.4 定子线棒

定子上、下层线棒采用不同的截面，并在直线部分进行罗贝尔换位加空换位，可使因集肤效应引起的附加损耗和股间环流损耗、包括端部横向磁场差异引起的附加损耗大为减少。定子线棒对地绝缘采用F级云母带连续缠绕模压成型。为消除定子绕组的电晕放电现象，在槽内采用低阻结构，端部采用低、中、高阻搭接过渡防晕结构，同时一次模压成型。具有良好的绝缘强度、机械强度和防晕性能。

3.3.5 定子槽内固定

在槽底和上、下层线棒间分别垫有槽底垫条和层间垫条，在线棒的侧面和槽壁之间塞入侧面波纹板，使线棒表面良好接地，以降低线棒表面的电晕电位。定子槽楔由高强度F级玻璃布模压成型，在槽楔下面采用弹性绝缘波纹板径向压紧线棒。端部槽楔具有可靠的防松结构。

3.3.6 定子绕组端部结构

定子绕组端部由3道绑环和1道永久支撑环及12个圆周分布的支架固定。绑环和支架为高强度绝缘材料制成。支架通过装有具有滑移功能的滑移销结构的夹板固定在压圈上。当发电机运行时，由于温度变化引起线棒轴向胀缩时，定子绕组端部整体可沿轴向伸缩，从而有效地减缓了绕组绝缘中的热应力，并使发电机适于调峰运行工况。线圈端部斜边间隙用适垫垫块塞紧，层间垫有适垫材料。线棒端部之间、上下层之间、线棒与绑环之间、并联环与支架之间均用浸胶玻璃丝束绑扎，绕组端部进行淋胶并涂一层覆盖漆。

3.3.7 定子引线

发电机采用3支路及上下出线方式，定子引线11排，引线数多至27支，连接处数比较多。在结构设计上，将定子引线整体旋转180°就能得到另一种相序。定子引线由引线铜排搭接银焊后采用热收缩工艺固化成型，定子下线时利用“L”型连接铜排将定子引线与定子线棒完成电连接，“L”型连接铜排均留有一定余量，可根据实际情况修配，结构相对比较灵活，使得安装定子引线相对方便。

3.4 转子

3.4.1 转轴

发电机转轴由高强度高导磁性合金钢锻制而成，在寿命期内能承受起停机10000次以上。

3.4.2 转子护环与中心环

转子护环由非磁性高机械性能合金钢锻制而成。当转子超速时，转子本体与护环之间仍有足够的过盈。为了防止护环相对于转子本体有轴向移动，在护环与转子本体配合处装有环键。护环的另一端与中心环热套配合，为了防止护环相对于中心环有轴向移动，在护环与中心环配合处装有环键。发电机采用悬挂式中心环，中心环是从转轴锻件上加工下来的，它对护环起着固定、支撑、保持与转轴同心的作用，同时也防止转子端部绕组轴向位移。

3.4.3 转子线圈

为了适应调峰运行的要求，转子线圈采用含银铜线冷拉成型，提高线圈的抗蠕变能力。每槽共12匝，槽部线圈冲孔以形成径向冷却风道，端部线圈铣有凹形沟槽，与相邻匝形成冷却风道冷却线圈端部。转子绕组槽内部分用开有风孔的高强度不锈钢槽楔固定，槽楔下方分别设置阻尼条及楔下垫条。采用“L”型槽衬作为主绝缘，每槽两件。通过槽内两侧的“L”型槽衬分别与楔下垫条、槽底垫条（副槽盖板）搭接方式以满足爬电距离的需要。

3.4.4 转子阻尼系统

为提高发电机承受不平衡负荷能力，有效地削弱负序电流对转子发热的不利影响，发电机采用全阻尼系统。在护环下设有梳齿式阻尼环，齿部伸进转子端部槽楔下，槽内设有槽楔下槽部阻尼条，各段槽部阻尼条间及与护环下梳齿式阻尼环齿部均采用弹簧片搭接过渡，这使感应电流能顺利通过各段阻尼条间的接缝处，以防止在接缝处的槽楔齿部形成过热点。这样就将端部梳齿式阻尼环和槽部阻尼条并联在一起，形成了可靠的笼式转子阻尼系统。

3.4.5 集电环

集电环由高质量合金钢制成，通过绝缘套筒热套转轴上。集电环外表面开有螺旋形沟槽来进行冷却和去除粉尘，轴向开有通风孔，通过发电机励端轴头上小型桨式风扇加强集电环通风冷却。通过控制集电环外径（φ 344 mm）使集电环最大线速度处于较低水平，尽可能减少了电刷的摩擦损耗。

3.4.6 风扇

发电机采用单级桨式风扇，安装在转轴两端护环外侧的风扇座环上, 其中风扇座环与转轴为一体加工而成的，每个风扇座环上装有30只锻制铝合金风叶，并通过螺栓及锁片将风叶固定。为了配合风扇增强通风效果分别在内端盖上和端盖内侧装有玻璃钢导风环和内导风环。

3.5 隔音罩刷架装配

隔音罩刷架装配由刷架、隔音罩、引线铜排等组成。刷架由导电块和底架组成。每个导电环上分别装设有7个组合式可带电插拔刷握，每个刷握并排四只电刷，由恒压弹簧保持适当的压力以使电流分布均匀，避免引起刷辫过热。底架内设有抽屉式碳粉过滤器，维护方便。隔音罩装配在底架上，内壁装吸音和阻燃材料以降低机组运行时的噪音。隔音罩内配有1个防爆灯，两侧设2个检修门，门上装有观察窗。通过励端轴头上的小型桨式风扇进行强制通风，将带有碳粉的空气排到室外。引线铜排从隔音罩一侧引出。

3.6 端盖及轴承

发电机采用端盖式轴承，椭圆型轴瓦。端盖采用优质钢板焊接结构。具有足够的强度、刚度和气密性，焊后消除应力。上半端盖设有两个人孔，下半端盖设有较大的回油孔，保持回油通畅。端盖和轴瓦左右两侧均设有进油接口，可根据安装需要选取。轴瓦与端盖为球面接触，可以起到自调心作用。为防止轴电流造成危害，在励端轴瓦与端盖及高压顶起油管之间均设有绝缘。此外，在发电机励端密封座与端盖之间设有绝缘，发电机汽端设有转子接地装置。

3.7 油密封装置

发电机油密封装置采用单流双环式，密封瓦由锻钢加工而成，内圆表面铸有轴承合金。密封瓦分为内（氢侧）和外（空侧）两个。密封瓦分成两个半圆并且用上下弹簧支撑以保证密封瓦和转轴随动，同时密封瓦的设计还可以保证油膜的连续性。单流双环意即密封瓦的氢侧和空侧共用同一股油源，空侧回油直接返回回油箱，氢侧回油返回氢油分离箱，以消除油中少量的氢。密封油与氢气的压差通过压差阀自动维持，在任何运行状态下油压保持比氢压高0.035 MPa。

3.8 氢气冷却器

四个气体冷却器分别垂直安装在定子机座的四个角部。气体冷却器用冷却水带走氢气在发电机内部循环时产生的热量。氢气冷却器由热交换区、上下管板和上下水箱组成。热交换区内装有一簇带翅片的管，在上下两端由管板支撑。冷却水和氢气的热转换通过逆流系统完成。热氢气从冷却水排水侧进入冷却器，冷却后的氢气从冷却水进水侧出来。氢气冷却器穿出定子机座的部分要全部密封以防止氢气泄漏。在底部，采用可滑移的密封套管式密封结构，能够吸收冷却器由于温度变化所产生的热胀冷缩。

3.9 高压出线套管装配

发电机采用上下出线结构，上部3个高压出线套管端子为中性点，下部3个为主出线，分别与定子引线连接，高压出线套管端子采用氢气内部冷却。每个高压出线套管端子上装有4只套管式电流互感器。

3.10 电加热器

机座汽、励两端端部分别装设一只电加热器，在发电机停机时无氢情况下投入工作，以防止机内受潮。同样，为防止隔音罩内受潮，在隔音罩内也装设了一只电加热器。

4 工厂试验

为全面检验该型发电机的性能，首台机组进行了工厂试验并获得了可靠的技术数据。从表1与GE公司的试验数据的对比中看出哈电机公司制造的燃气轮发电机的性能已达到了国内外先进水平。

表1

5 结论

本型发电机采用氢内冷冷却方式, 转子采用副槽通风方式同时采用全阻尼系统以提高发电机承受不平衡负荷能力；定子边段铁心设计成阶梯形状并粘接成整体同时在齿部开槽，定子铁心端部采用了无磁性压指和铜屏蔽的结构以提高发电机的进相运行能力，定子绕组端部采用支架绑扎和滑移销结构以适应调峰运行工况。总之，本型发电机具有良好的负序、进相、调峰运行能力，与常规水氢氢汽轮发电机相比结构简单，辅助系统少，运行可靠及维护简单。各项试验技术指标均达到国家标准要求，同时也验证设计、工艺等方面技术的正确性和可靠性，这为今后开发更大单机容量的氢内冷燃气轮发电机和汽轮发电机提供了宝贵的经验。

[1]汪耕, 等. 大型汽轮发电机设计、制造与运行[M].上海: 上海科学技术出版社, 2000.

[2]张道纲, 等. 大功率汽轮发电机及其运行[M]. 北京: 水利电力出版社, 1986.