超大容量低速柴油同步发电机设计要点

龙 玮

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

上电公司在柴油同步发电机业务领域一直占据国内领先地位，同类型较小规格的发电机产品设计已经相当成熟。此次基于的是援非项目订单，需要设计两台规格为23 047 kW，10.5 kV，150 r/min的低速柴油同步发电机，以满足非洲厄立特里亚日益加快的经济发展要求。

1 项目背景

上电公司为非洲厄立特里亚的HIRGIGO电厂二期工程设计的柴油驱动同步电动机。HIRGIGO电厂位于厄立特里亚MASSAWA市，煤炭和水利资源非常匮乏。但该市地处红海沿岸，石油和天然气资源丰富，因此该电厂选用低速柴油发电机组作为发电设备。HIRGIGO电厂为厄立特里亚核心电厂，现有四台柴油发电机组为ABB设计，目前电厂运行情况已无法满足厄立特里亚经济发展所需的供电需求，故要开展二期扩建工程。

根据电厂扩建所需功率要求以及现场预留空间，新建柴油发电机组方案为两套低速柴油发电机组，单机组输出容量28 809 kVA。

2 电气设计要求

在进行电磁设计时，我们针对之前一期工程的ABB电机进行了比对优化，ABB发电机为42P，而此次设计的发电机采用了40P方案。经过空载感应电势波形及频谱分析、负载额定电绕组感应电势波形及电流波形及频谱分析，波形畸变率(THD)和谐波分量以及空载损耗都较之前的电机有所减小。从性能角度说，我们的方案跟ABB方案近似相同，而从电势电流转矩波形来看，我们40P方案的发电机波形畸变以及波动明显小于ABB的42P方案。从电磁场角度分析来说，更能满足用户要求：

(1) 本发电机要能适应红海沿岸的环境并能连续稳定运行；

(2) 在发电机开路和额定转速及额定电压下按GB 755(IEC 60034-1)规定的方法测试，发电机线端电压总谐波畸变量(THD)不大于5%；

(3) 发电机应具备无功调节功能，允许并网运行；

(4) 在GB 755规定的几种情况下，发电机应能输出额定容量；

(5) 发电机在不对称的电力系统中运行时，如任一相电流不超过额定值，且其负序电流分量与额定电流之比不超过8%时应能长期运行。此时绕组温度不作考核；

(6) 发电机甩100%额定负荷、调速器系统正常工作的条件下应允许机组不经任何检查并入系统；

(7) 须满足GB 755中对发电机的全部性能要求，保证发电机运行的安全性、可靠性。电机主要电气参数(见表1)。

表1 主要电气参数

3 机械设计要求

按IEC 60034及GB 755的相关要求，发电机采用F级绝缘、B级温升考核，因此电机的温升限值都按照B级进行。另外，所有定子、转子、励磁机等机械部分在设计时都必须考虑其在最大容量工况运行时所引起的机械负载。电机的机械性能及要求(见表2)。

表2 机械性能及要求

在进行电磁方案设计时，选定了该发电机的定子铁心冲片外径为7 220 mm，396槽。为了满足以上机械性能要求，我们在进行结构设计时，充分考虑了电机的结构强度。发电机各部分结构强度设计应能承受在发电机空载以及端电压等于105%额定电压下定子出线端发生三相突然对称或不对称短路历时3 s，不产生有害变形。在热状态下应能承受150%额定电流，历时30 s，而不发生有害变形及接头开焊等情况，此时电压应接近额定值。发电机转子应能承受在120%额定转速下运行2 min而不产生有害变形。

3.1 定子定位筋焊缝计算

基于以上要求，根据额定转速、额定功率、定子铁心和绕组的总重量、定子铁心内径和总长、气隙磁密、极弧系数等参数，对定子定位筋所需焊缝宽度及强度进行了计算及核算。输入数据需要：额定转速、额定功率、定子铁心和绕组总重量、定子铁心内径、定子铁心长度、气隙磁通密度、极弧系数、短路转矩系数、定位筋数目(预设值)、每根定位筋有效托块数目(预设值)，撑筋与机座以及撑筋与托块的布置位置(见图1)，定子定位筋焊缝计算如下。

图1 撑筋与机座以及撑筋与托块的布置位置

首先计算出作用在一个托块上的载荷因短路力矩产生的切向力：

因定子重量产生的切向力为：

总切向力：

T=TM+TG

磁拉力产生的径向力：

其次，计算托块与定位筋之间的应力

焊缝长度：

l0=a0+2b0

焊缝面积：

F0=0.707hl0

对Z轴惯性矩：

焊缝应力：

托块与机座板之间的焊接应力计算

焊缝长度:

l=a+2b

焊缝面积:

F=0.707hl

焊缝惯性矩:

合成焊缝应力：

3.2 转动惯量要求

为满足整个柴油发电机组的调节及电网的稳定，此次设计的同步电动机转动惯量确定不小于564 335 kg·m2。转轴有限元模型(见图2)，边界条件参数为发电机的额定输出功率、额定转速、额定转矩、最大转矩倍数、弹性E、磁拉力、轴材料(选择钢34CrMo1A)，轴的挠度(见图3)，扭转变形(见图4)，对应扭转角度(见图5)，轴等效应力计算(见图6)。

图2 转轴有限元模型

图3 轴挠度

图4 轴的扭转变形

图5 对应扭转角度

图6 轴等效应力计算

通过对转轴的有限元分析，得出轴身表面的平均等效应力和轴肩处的最大等效应力，设计好整个转子各个部分合理的尺寸及位置分布，控制好整个轴系的变形量。

3.3 轴系扭振计算

该柴油发电机与12缸2冲程低速柴油机配套。柴油机由于燃气压力和运动部件所产生的惯性力矩，对轴系产生有无数个振幅不同、频率不同、相角不同的力矩，构成多质量有阻尼的强制振动系统，因此需要进行详细的轴系扭振计算。设计时临界转速要避开90%～110%额定转速，以避免共振现象的产生。

此次的发电机设计方案与HIRGIGO电厂一期工程的ABB发电机相比，转子总长度放长，主要体现在轴伸端面至铁心段的加长。我们根据轴系的详细图纸和联轴器参数，求取转子的扭转刚度和转动惯量，绘制当量图，然后根据当量图参数完成扭振临界转速计算。柴油发电机组的轴系(见图7)，右侧大圆盘表示同步发电机，左侧表示柴油机。

图7 柴油发电机组的轴系

3.4 发电机吊运方案设计

在制造、运输、存储和运行等状态下，发电机会承受不同的应力，必须防止可能危及人身安全的变形或故障，因此，需要对机座进行刚性计算。输入数据：机座重量、定子重量、发电机的额定有功功率、额定转矩、额定转速、过载倍数以及吊运加速度。

考虑机座整体吊运方案，使用上半机座最上端两个吊攀，吊运高度按8 m(铁心轴线到吊钩的垂直距离)计，上下机座的连接螺钉采用连接副(Fixed Joints)约束，计算出最大等效应力值在吊攀圆管上，最大变形量在下机座底端，变形方向垂直向下(见图8～图9)。

图8 吊攀变形情况

图9 机座整体吊运应力分布

若采用上、下定子分半吊运，上半定子使用最上部两个吊攀起吊，同样吊运距离按8 m计算，经分析上、下半定子最大变形量在分半哈夫面上。

过载转矩工况分析考虑4倍额定转矩作用于铁心内圆表面，下图给出了机座的应力与变形：最大等效应力在受压底脚一侧；机座的最大变形在机座上部，机座承受过载转矩时的等效应力分布图和变形量分布(见图10～图11)。

图10 机座承受过载转矩时的等效应力分布图

图11 机座承受过载转矩时的变形量分布

基于以上对机座的刚度分析，确定了机座的结构设计及材料选用，保证机座的安全可靠，并留出足够的安全裕度。

4 结论

本文介绍的柴油同步发电机为目前国内试制成功的直径最大的卧式柴油同步发电机，产品设计方案合理，电机性能达到国内先进水平，在国际上还具有良好的价格优势。上电公司也是目前国内唯一一家有此类电机设计经验的制造厂商。公司通过23 047 kW、40P无刷励磁同步发电机的产品试制开发，在国内外大容量、低转速同步发电机市场取得了突破。