汽轮发电机转子相关问题探讨

黄帅

摘 要：早期汽轮发电机的转子都是以空气作介质进行表面冷却。近年来，汽轮发电机容量的增大主要通过增加电磁负荷实现。但增加电磁负荷的同时也加大线棒铜耗，绕组的温度会不断升高，严重时甚至超过容许温升。为此，必须采用有效技术，将汽轮发电机转子的温升控制在可承受范围内，确保其安全稳定的工作与运行。

关键词：汽轮发电机；转子；相关问题

自改革开放以来，我国的国民经济迅猛发展，对电力的需求也在不断增加。作为电能的直接生产者，汽轮发电机的发展在电力工业中占有举足轻重的地位，其发展历史是在结构设计和制造技术上不断地改进和创新，尤其体现在转子相关问题的研究上。

1 汽轮发电机转子常见的相关问题

1.1 汽轮发电机转子流量、温度分布特点

汽轮发电机转子在运行时会不可避免的产生摩擦，一般来说空冷汽轮发电机转子的冷却介质都是空气，而摩擦所产生的损耗会通过热传递的方式影响周围的冷却介质，因此汽轮发电机温度场的分布会对转子风道内冷却介质的流场分布产生很大的影响。当汽轮发电机转子运行时，温度过高造或温度分布不均会引起发电机振动的情况，这也是发电机发生故障的预兆。所以要保障一台汽轮发电机的正常运行，就需要使其转子内部各部件的温度不超过绝缘材料所允许的最大限度，保障温度分布均匀，杜绝局部过热的现象，这也是汽轮发电机转子设计的宗旨。所以设计者在选择最佳冷却方案时，往往会比较不同方案的流量分布，预测出高温区所在位置及温度分布的均匀性，再依靠这些特征做出最好的冷却方案。

1.2 汽轮发电机组的振动

汽轮发电机组轴系有两种振动方式，即弯曲振动与扭转振动。汽轮发电机组在高速旋转时难以完全消除及外部阻力的影响，运行过程中一定会产生振动。就发电机本体而言，其振源来自定子铁芯及转子本身转子。振动的原因大致可分为两个方面，其中机械原因大多是由于机组设计制造，安装时存在漏洞，这些漏洞极易形成引起振动幅值的加大。另外一个是电气原因，也就是汽轮发电机外部干扰引起的激振力的变化，例如，发电机定子及转子气隙不均匀、转子绕组匝间短路或两点接地、发电机三相负荷不对称及不对称短路、氢内冷及水内冷转子内冷同路局部堵塞导致的转子热弯曲等。

1.3 汽轮发电机转子通风道对其温度分布的影响

对于汽轮发电机转子组件来说，空冷通道的散热能力至关重要。如果空冷通道的散热能力存在问题，局部产生的热量发散不出去，就会大大的缩短汽轮发电机的使用寿命。空冷汽轮发电机转子通风道都是由副槽通风沟、槽楔出风口、楔下垫条和径向通风沟这四部分组成，内部几何构造比较复杂，从而使得通过风道的流体形态变化多端，沿轴向及径向通风道内的速度和温度分布差异很大，严重影响了风道内冷却介质的流动和散热。因此，为了能够得到均匀的温度分布，可以在以往150MW空冷汽轮发电机转子实验研究的基础上，采用有限体积法，改变副槽的径向通风沟的几何量，求解转子本体及通风道内空气的传热及紊流流动等二维离散方程组。研究结果表明，在同一个入风口不变的情况下，两条径向风沟相对于一条径向风沟时，传热与散热的效果好，并存在最佳中心距。

1.4 汽轮发电机转子通风道结构设计

近年来，随着空冷汽轮发电机风路不断加长，单机容量不断增大，转子端部绕组通风道结构比较常见的有轴向内冷、轴向加补风等结构。通风道结构的不同直接导致通风方式与效果的不一样，还会直接影响转子的风量分布、冷却效果、峰值温度大小及所在位置。现在国内外越来越重视空冷汽轮发电机的通风及冷却研究，国内运用CFD原理进行发电机内通风分布规律的研究也逐渐展开。然而，现如今研究所用的物理模型大多不连续，有局限性，无法揭示整槽整齿连续的风量分布及温度分布变化特性，轴向导热考虑不充分。

2 汽轮发电机转子常见相关问题的分析与解决

2.1 理想通风结构特性分析

转子的热传导的方式存在特殊性，其传导特征也随发生位置的不同而不同。转子表面杂散损耗是以热的形式向转子齿部传递的，所以顺着半径减小方向的转子齿部温升逐渐降低。而在副槽两侧齿部这个位置的温升，则是沿轴向逐渐增大，这是因为副槽两侧的齿部温度沿着副槽内空气的轴向流动，副槽内的空气流速不断减小。由于转子端部热量主要来自铜耗，所以转子表面的杂散损耗可以忽略不计，因此端部直段绕组的温升最低。在转子端部弧段处设置一个扇形绝缘挡块可以有效的使冷热风区差别明显。对于大容量空冷汽轮发电机转子而言，当在端部直段加补风口，弧段布置两处进风口的通风结构，然后再调整补风口的几何大小，从而调节端部弧段间与轴径向段的冷却风量，但其结果会是总进风量小，绕组温度高。而采用独立风路分别对转子端部弧段绕组和轴径向段绕组进行冷却，通过改变端部进风口和位置，调节冷却风量分布，可以得到各段绕组温升低且分布较均匀的理想通风方案。副槽前端径向风沟迎风侧比背风侧的空气温度相对较低，中心对称面附近径向风沟中，迎背风侧空气温度趋于均匀，另外，沿着半径方向绕组温度逐渐升高，径向温差逐渐变小。

2.2 发电机组振动的危害

发电机组的振动状态对其能否持续可靠的运行有着很大的影响，对发电机组来说，产生超限幅值的振动，将会破坏机组密封系统，使连接部件松驰和压力增大，还会导致转子滑环和电刷严重磨损以及产生环火，使机组连轴器发生故障，严重时会危及发电机的基础组成部分，对发电机组自身及周围物品产生灾难性影响。影响发电机组安全运行甚至损毁的事故中，由振动异常引起的实例不在少数，所以认识到发电机组振动的危害尤为重要。

2.3 改进转子通风道的结构

转子通风道几何形变对其内部的速度场与温度场都有着决定性的影响。合理调整副槽形状、径向风沟的间距及楔下垫条内的通风道尺寸，再加上较准确地预测转子通风道内部的表面传热系数等基础数据，可以使得转子各部件内部温度分布更加均匀，从而保证电机安全稳定运行及其正常使用寿命，同时提高发电机的效率。经研究表明，在同样入口流速下，两条径向风沟比一条径向风沟散热量多，此时转子截面相同半径处，温度分布均匀并且中心距存在最佳值。把副槽从矩形改装成为梯形，风道上底的面积大小对转子温度均匀分布及最高温度值的影响可以忽略不计。另外，转子风道末端设计中的关键是槽楔出风口的尺寸，减小该尺寸可以提高最高温度值，这为改进转子通风道的结构设计提供了依据。

2.4 端部进、补风口的布置

在端部进风加直线段补风的空冷汽轮发电机转子通风设计研究中，控制端部、副槽通風段长度与轴径向段等变量后发现：温度场的整体分布受端部进、补风口设置方式的影响较大。在端部弧段开设一组进风口，端部轴向段开设一组补风口时，转子绕组整体温差最小，温度场的均匀性较好。仅在端部弧段开设两组进风口，端部绕组温度最低，轴径向段绕组温度最高。而在端部弧段开设两组进风口，直线段同时开设补风口时，轴径向段绕组温度最低，而绕组最高温度出现在中心对称面处。所以端部进、补风口布置位置和个数能对冷却空气及绕组温度分布产生巨大影响，不仅可以决定温度峰值的位置，还可调节温度峰值大小，从而进一步改变轴向温差大小。

3 结束语

汽轮发电机转子结构较为复杂，因此之前研究几乎都是针对转子进行局部特征研究，把计算区域划定在转子的一个轴向单元。而这些研究很难反映风沟内各处对流换热性能不均匀的本质，以及转子温度的轴向变化情况。这些研究很难反映风沟内各处对流换热性能不均匀的本质，以及转子温度的轴向变化情况。

参考文献

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