60 Hz中小型空冷汽轮发电机的设计与研制

蔡恒川，翁祥玲，薛守栋，荆中金，焦 明

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100)

0 引言

为了节约能源、保护环境，满足可持续发展的需要，蒸汽燃气联合循环新技术和热电联产等节能项目在国内外得到了大力推广，与之相配套的中小型汽轮发电机组需求旺盛。采用空冷方式的中小型汽轮发电机由于具有系统简单、制造成本低、运行维护方便、可靠性好、电站辅助设备少等优点，最为经济合理。

此次开发设计的60 Hz汽轮发电机，主要针对30 MW以下的中小型机组，为两极全速发电机。端电压为13 800 V。容量分别为25，15 MW和6 MW。绝缘等级采用F级。冷却方式为IC91W。防护等级为IP54。励磁方式可根据用户需要采用静止晶闸管励磁和无刷励磁两种方式。

1 设计方案确定

在开发30 MW以下中小型60 Hz发电机的过程中，为降低制造成本，提高产品的通用性，需要借鉴国内现有的QF系列50 Hz发电机的部分结构和工装设备，以期取得良好技术经济效益。

1)主要尺寸调整

得出60 Hz发电机的体积较50 Hz在理论上［1］应该随着频率增加而减小。设计中通常可以通过调整铁心内、外径和长度两种方法来达到。但是在工业生产中，绝大多数加工设备、工装和模具都与电机的内、外径有关。因此，在发电机尺寸的计算时，应尽可能不调整铁心的内、外径尺寸，而将调整铁心长度作为首选，这样工厂内原有的50 Hz发电机的加工设备和工装大都可以借用，有效降低生产成本。

2)绝缘结构调整

国内现有30 MW以下发电机的端电压最高为10.5 kV。根据市场反馈来看，60 Hz发电机通常选取13 800 V的端电压，因此需对电机线棒的绝缘厚度重新核算并做相应增加。防晕结构可采用高阻、中阻和低阻相结合的防晕结构，线棒直线部分采用低阻防晕结构，端部弯形部分采用高阻防晕结构，而在直线和端部弯形的过渡部分采用中阻防晕结构。

3)25，15，6 MW三个容量发电机设计方案的说明和比较

电磁计算公式采用《汽轮发电机电磁计算公式》［2］。在选取 25，15，6 MW 三个容量发电机的主要尺寸时，只有25 MW发电机在国内现有50 Hz产品的基础上，仅调整定子线棒的线规和绝缘厚度后，将发电机定子和转子长度缩短，其各项电气性能参数就可以满足设计要求。而在确定15 MW和6 MW发电机的设计方案时，仅仅通过改变发电机定子和转子长度，不改变其他主要尺寸，电机的电气性能参数无法满足设计要求。因此，综合考虑了发电机短路比、超瞬变电抗、电磁负荷、温升、效率等主要性能参数后，将15 MW和6 MW的定子槽数分别选为48和54是比较合理的。槽形较50 Hz加深变窄，转子可采用50 Hz时的结构。这样，将整个发电机长度做相应的缩短后，经电磁计算得出的电气性能参数可以满足设计要求。经电磁计算后，以上三个容量发电机的主要电气性能参数见表1。

表1 三种容量发电机主要性能参数表

可见，就发电机的电磁、温度和绝缘结构而言，与国内现有50 Hz发电机相比，25 MW发电机的通用性最强，生产成本最低，6 MW和15 MW通用性相对差一些，定子铁心冲片需要重新开模具，生产成本略高，但转子都可以借用现有的50 Hz发电机的结构，因而从总体上看，这三个容量的发电机只要在尺寸选取得当的情况下，设计制造60 Hz电机都具有较高的可行性，并且可以大量借用50 Hz发电机的加工设备和工装，生产成本可大大降低。

2 15 MW 60 Hz空冷汽轮发电机结构设计

以山东齐鲁电机制造有限公司首次开发的15 MW 60 Hz无刷励磁汽轮发电机为例介绍一下中小型60 Hz空冷汽轮发电机的结构特点。该发电机主要包括转子、定子、轴承和励磁机四部分。图1为该发电机的外形图。

图1 15 MW 60 Hz发电机的外形图

2.1 发电机转子

当发电机频率由50 Hz提高至60 Hz时，其额定转速将由3 000 r/min分提高到3 600 r/min，发电机的超速试验时为4 320 r/min。这势必对发电机旋转部分转子的机械性能提出更高的要求。众所周知，离心力与转速的平方成正比，而在确定设计方案时，已经确定了转子结构与50 Hz发电机相同，这样，60 Hz发电机转子上的所有部件所承受的离心力将增大至50 Hz时的1.44倍。这样，需要对转子上所有零部件进行核算，尤其是转子齿、槽楔、风扇和护环。

转子齿主要起到导磁和固定转子线圈的作用，转子线圈和槽楔的离心力全部作用在转子齿上。这样就要求转轴材料的机械强度足够高以保证转子齿部的安全系数。而提高转轴材料的机械强度势必会增加原材料成本。因此在选择转轴材料时综合考虑了上述两方面因素，认为锻件材料选用25Cr2Ni4MoV比较合理。

转子槽楔作为固定转子线圈的部件，电机运行时作用在它上面的应力主要来自转子槽内导线和自身的离心力。目前国内中小型发电机的转子槽楔材料大都选用硬铝材料。该材料机械性能虽然不高，却具有密度小的优势，在中小型发电机上应用比较广泛。若改用铜槽楔，槽楔自身的机械性能虽能提高，但重量会大大增加，从而增加作用在转子齿部的应力。经过与硬铝生产厂家的沟通，确定该材料的屈服极限可以在生产过程中通过改变其生产工艺来满足60 Hz发电机需求，而原材料成本浮动不大。

风扇采用固定在发电机转子两端的后倾叶片离心式风扇［3］。这种风扇压头高、流量小，比较适合中小型发电机。作为焊接结构，提高其安全系数最理想的方法是减小风扇自身的重量。考虑到风扇的风量与电机的转速成正比关系，60 Hz发电机转速较50 Hz大大提高，可以适当减小风扇尺寸。这样，可以在保证发电机所需的冷却风量的同时减小风扇重量。在综合考虑了风量和机械安全系数后，最终确定将风扇缩短，使其机械安全系数和风量均满足设计要求。

护环位于发电机转子大身两端，主要起到磁屏蔽和保护转子端部线圈的作用，通常采用高机械性能的反磁钢加工而成。电机运行时，主要承受转子端部线圈和自身的离心力，设计制造中提高其安全系数的有效方法是提高材料锻件等级，经计算后确定该15 MW发电机选用四级锻件。

此外，由于转子轴、中心环和护环之间采用热套过盈配合方式，随着转速提高，其分离转速必须相应提高。经计算，以上三个部件的的配合紧量均须加大过盈量，才能保证在运行时不脱开。

2.2 定子和轴承

由于60 Hz发电机的结构设计较50 Hz发电机其着重点主要在旋转部件上。定子和轴承为固定不动的部件，对其机械性能的要求相对较低，可参考现有50 Hz发电机结构。按照电磁设计方案中确定的主要尺寸设计，此处不再详细阐述。

2.3 励磁机转子

励磁机的设计难点是转子上的旋转整流装置，该装置存在因转速升高而产生的安全隐患。因而，需重新设计了励磁机的整流装置。该整流装置由汇流排、阻容环、二极管、散热器、导电环、风扇、整流环、接线排、导电排等零部件组成。整流环采用优质合金钢整体锻造而成，位于整流装置的外侧。整流装置的所有部件全部位于整流环内侧并固定在整流环上，保证了强度要求。整流桥设计为双支路，保证一条支路出现故障后仍能正常运行，冗余度高，安全性好。附图2是该整流装置的结构示意图。

图2 整流装置的结构示意图

2.4 整机试验

该15 MW 60 Hz发电机制造完毕后进行动平衡试验时，当转子转速经过3 400 r/min时出现轴振达到190 μm的振动，而转子一次临界转速和二次临界转速的设计值分别为1 610 r/min和4 500 r/min，因此在3 400 r/min时不应该出现振动超标的情况。起初分析认为可能时由于一次临界转速设计偏低导致油膜震荡，此时提出了两种解决方案:一是对轴瓦重新加工，减小轴瓦宽径比;二是套装励磁机转子，增加转子重量后再进行动平衡试验。但在随后的调整时发现了轴承座存在制造缺陷，导致轴承强度不够而引起振动，更换轴承座后，振动消失。但由于60 Hz发电机的额定转速提高，在设计转子时，尽可能将一次临界转速提高至1 800 r/min以上，避免发生油膜振荡。

在随后的整机试验中，该电机的主要电气性能参数都满足国家标准和设计要求。主要试验数据见表2。

表2 整机电气性能参数对照表

3 结语

以满足南美、东南亚等地60 Hz发电机需求为引导，经过分析，以国内现有50 Hz发电机为基础进行电磁、结构上的设计改进。综合分析了25，15，6 MW三种容量发电机的技术特点，对这三种容量60 Hz发电机的设计方案进行了说明和比较。以15 MW 60 Hz发电机为例说明了60 Hz发电机的结构特点、特别是一些关键数据和技术指标。通过整机型式试验，发现设计参数与试制参数基本一致，成为60 Hz中小型发电机设计与研制的成功案例。该发电机为中小型60 Hz发电机的设计打下基础，其设计经验和主要参数为其它容量60 Hz发电机的设计研发积累了经验。

［1］陈世坤.电机设计［M］.北京:机械工业出版社，1997.

［2］第一机械工业部.电指(DZ)28-63.汽轮发电机电磁计算公式［M］.北京:第一机械工业部，1965.

［3］机械工程手册电机工程手册编辑委员会.电机工程手册［M］.机械工业出版社，1996.