35 MW系列新型空冷汽轮发电机的研制

万金平，周　平，董江伟

(山东齐鲁电机制造有限公司发电机研究所，济南　250100)

35 MW系列新型空冷汽轮发电机的研制

万金平，周平，董江伟

(山东齐鲁电机制造有限公司发电机研究所，济南250100)

摘要：针对新型空冷汽轮发电机研制过程中的几个重点问题进行研究，阐述了如何合理选择电磁负荷值及电机利用系数；重新布局刷架位置，改善发电机的风路结构及冷却方式；定子线圈选择360°的罗贝尔线棒及如何成功换位；试验结果与现有类似产品及标准要求的温升性能进行对比，性能优良，该产品的成功研制为今后类似结构的设计打下了基础。

关键词：电磁负荷；结构布局；冷却能力；性能对比

0引言

目前QF型空冷汽轮发电机最大为30 MW，由于市场的需求，开发QF型30 MW以上空冷汽轮发电机成为公司的重点项目。利用电磁计算程序对35 MW空冷汽轮发电机进行计算，原有的30 MW空冷汽轮发电机定子、转子温升，效率等技术指标无法达标，不能发到35 MW，需要重新开发35 MW系列全新空冷汽轮发电机以满足市场要求。本文针对该系列发电机设计、制造以及试验过程中的几个重点问题进行了研究。

1合理选择电磁负荷值及电机利用系数

电磁负荷A、B值决定了发电机利用系数，对其性能和技术经济指标有着直接影响。提高电磁负荷乘积AB，可提高有效材料的利用率，但磁负荷B受到铁心磁路饱和以及铁心中损耗的限制，而电负荷A，则受导体中产生的损耗、温升及大部分由槽深所影响的漏抗的限制。

通过对我公司已有产品进行研究结合各种公开资料分析[1-3]，定子电密J1一般不超过4.5 A/mm2，转子电密J2一般不超过3.5 A/mm2，定子线负荷AS1一般仅在500～800 A/cm，AS1×J1一般在1 600～5 000 A/cm×A/mm2，最大磁密一般不超过1.7 T，铁心内磁密通常在1.0 T≤B≤1.6 T，磁轭部磁密通常在1.0 T≤B≤1.5 T。

电磁功率S公式为：S=CD2ln[1]

式中：C为电机利用系数；D为定子铁心内径；l为定子铁心有效长度；n为转速。

可得电机利用系数C公式：C=S/D2ln

对于一般空气冷却的电机，其利用系数约为1～9[1]，并且随着容量增加利用系数也在增大，原有6 MW空冷汽轮发电机电机利用系数计算：

6 000=C×0.6562×21.4×3 000；C=3.3，原有12 MW发电机电机利用系数计算12 000=C×0.7622×2×3 000；C=3.4，原有30 MW发电机电机利用系数计算30 000=C×0.8662×2.7×3 000;C=4.9，新产品35 MW发电机电机利用系数计算：35 000=C×0.872×2.8×3 000;C=5.5，通过计算可知选择的系数比较合理，满足要求。

2结构布局合理

图1　发电机布置图

空冷汽轮发电机主要由定子、转子、轴承、集电环及刷架、测量装置和空气冷却器等部件组成。如图1。

原有国产技术的静止晶闸管励磁发电机的集电环分别布置在转子本体两端，汽端和励端各一个。电刷分别安装在前后端盖上，电刷和集电环直接裸露在空气中。存在的缺陷是：发电机运行环境的噪音较大，影响操作者及周围环境，摩擦产生的电刷碳粉四处飘散，污染运行环境，甚至影响到发电机的安全正常运行。

35 MW系列空冷汽轮发电机将集电环都布置在励端一侧，增加专门的电刷支架，电刷支架不再安装到定子端盖上，位于发电机励端尾部，有利于布置发电机风道。电刷支架有防护罩，运行时电刷和集电环都放在防护罩内，既降低了噪音，又把电刷碳粉隔离在防护罩内, 通过风道排出厂房，保证了运行环境的清洁。该新型结构在励端电刷支架下面增加了一路进出风，进风口装设空气过滤网。

3冷却方式的改善

实际上，汽轮发电机提高单机容量受到定子运输尺寸和转子锻件及转子挠度的限制，所以设计中，主要是依靠提高电磁参数来达到。由于导磁材料的饱和问题，到目前为止磁通密度的提高仅在10%左右，提高汽轮发电机单机容量主要措施就在于增大线负荷。

3 MW与30 MW相比，容量增长到10倍，线负荷AS1增加到约2倍，即发电机内部损耗要增加到4倍。其体积只增加到3倍，散热面积增长到2.5倍，必须有更有效的冷却技术才能解决发电机绕组等部件的发热问题，可以说，汽轮发电机的大容量化在很大程度上取决于冷却方式的改善。

35 MW空冷汽轮发电机与30 MW汽轮发电机相比，定转子更细长，热量不易散出，原有的定子空外冷冷却方式，转子空外冷冷却方式已不能满足通风冷却的需要，35 MW发电机采用全空冷技术，定子采用空外冷模压线圈，转子采用空心导线空内冷冷却方式。

4定子线圈的设计

定子线圈是发电机的关键部件，根据电磁计算确定的线规等基本数据，在设计、制造过程中主要从降低附加损耗，增强机械、绝缘强度和抗冲击能力，提高制造精度等方面进行了研究。

本产品采用双层叠绕组，Y接法。如图2。为了易于制造加工及绝缘，每个线圈由两个线棒组成，分别放置在不同槽内的上层和下层，直线部分埋于槽内，端部出槽后分成上下两层形成一定锥度。为了避免漏磁附加损耗增大、端部结构件过热，上下层线棒仰角均设计为30°，这样线圈端部距铁心端部和机座端盖的距离适中，杂散损耗较小。

为了抑制定子线棒内的环流损耗，汽轮发电机广泛采用槽内360°的罗贝尔换位方法，使各股线平均而言在槽部轴向长度中处于相同的磁位。这样，除了端部影响外，各股线由于自感和互感所感应的电动势基本相同，从而减少了环流损耗。

线棒换位方式与定子线棒在槽内的长度以及换位设计计算有关。一股导线由这一排最上面位置经第1个S弯到另一排，延伸到最下面位置，称180°换位(线棒编织图)，依次类推。所以S弯尺寸及S弯之间距离是换位设计中关键尺寸。S弯的弯曲深度应比其导线宽度大0.5 mm，换位股线两个S弯间的距离a与铁心长度Lt(编制部分)、每排股线根数m及换位度数有关。

槽内360°换位：两换位股线S弯间的距离a=Lt/(2m-1)，则一根股线上应有两个S弯，其间距离为ma。一般a为40～100 mm，t为30～40 mm，R为10～30 mm。

35 MW产品数据：

a=43，m=33，Lt=2 795，t=30，R=10

a=Lt/(2m-1)

43=2 795/(2×33-1)

即图纸上标示2 795=65×43

图2　定子线圈换位线棒图

换位线棒编织时，先使m根扁线中的每根扁线端头相距为a，排齐加紧后在规定位置一次弯出S弯，再在相距a(m-1)处弯出第二个S弯，然后将m根扁线端头对齐，分排依次编织。两排导线编织方法相同，再使两排合拢在一起，即成双排多股导线360°换位线棒(所有导线上的S弯都均匀分布在线棒的最上层和最下层，从线棒直线部分的侧面看，每股导线都是倾斜的)。

5试验结果与同类产品及标准性能对比

1. 试验结果与QF-30-2 10 500 V汽轮发电机进行对比，如表1所示：

表1　试验结果与QF-35-2 10 500 V汽轮发电机对比

2. 与标准中的规定指标对比：

表2　试验结果与标准规定指标对比

3. 试验结论

通过对比QF-30-2 10 500 V产品及GB/T 7064—2008《透平型同步电机技术要求》、JB/T 56082—1996《汽轮发电机质量分等》标准可知,QF-35-2 10 500 V空冷汽轮发电机性能优于常规产品，达到优等品标准。

6结语

35 MW系列新型空冷汽轮发电机设计中力求结构安全可靠，使用维护方便，制造工艺合理。在满足产品性能和结构要求的前提下，尽量采用本厂已有工装设备及材料，以降低产品造价和制造周期。35 MW系列新型空冷汽轮发电机设计时预留了合理的裕度，可考虑超发到40 MW，目前在35 MW发电机的基础上已开发出35 MW，40 MW系列多个电压等级发电机，产生了可观的经济效益。

参考文献

[1] 汪耕，李希明. 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，2012.

[2] 陈世坤. 电机设计[M] 北京：机械工业出版社，2000.

[3] 马九荣. 电机工程手册[M] 北京: 机械工业出版社，1996.

万金平，男，1979年生，本科，工程师，2003年山东大学机械工程学院毕业，山东齐鲁电机制造有限公司发电机研究所职员，主要从事发电机研究。

周平，男，本科，工程师，1975年生，1998年山东大学机械工程学院毕业，山东齐鲁电机制造有限公司发电机研究所职员，主要从事发电机研究。

董江伟，男，1981年生，硕士，工程师，2004年山东大学电气工程学院本科毕业，2013年山东大学电气工程学院电机与电器专业工程硕士毕业，山东齐鲁电机制造有限公司发电机研究所职员，主要从事发电机研究。

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