25 MW 6.3 kV 60 Hz空冷汽轮发电机设计

董江伟，陈 旭，于鲁闽，袁 林，辛 雷

(山东齐鲁电机制造有限公司 发电机研究所，山东济南 250100)

0 引言

随着60 Hz空冷汽轮发电机设计的越来越多，积累的经验也越来越丰富，完善现有的系列型号以满足市场需求，成了发电机设计的方向。定子空外冷，转子空内冷技术经过大量计算、应用后已很成熟，定子铁心真空压力整浸汽轮发电机因其效率高，故障率低的突出优点，一直有良好的用户口碑。

1 方案设计

我公司WX产品系列化、模块化设计。按容量不同，划定几档定子铁心截面，截面不变的情况下，可选定最小和最大长度，确定最小最大功率。25 MW 6.3 kV 60 Hz空冷汽轮发电机是目前开发的WX14Z系列最大长度的产品之一。

1.1 用户需求

额定功率：25 000 kW 功率因数：0.8

额定电压：6 300 V 额定转速：3 600 r/min

发电机进风温度：40 ℃ 海拔高度：1 000 m

短路比KC≥0.45 超瞬变电抗Xd”v≥0.15

1.2 不同截面方案对比(见表1)

表1 技术参数对照表

针对用户的不同需求，我们可以出多个方案，通过比对找到性价比高的方案，提高产品的市场竞争力。先比较两种不同截面的发电机。

通过比对可知，两个方案都能发25 MW 6.3 kV 60 Hz，WX14Z-040属于细长型，WX16Z-032属于粗短型，单从短路比、效率来看，WX16Z-032要优于WX14Z-040，但WX16Z-032成本要比WX14Z-040成本高20%。WX14Z-040性价比高，是优选方案。

1.3 不同长度方案对比(见表2)

037、040、042是铁心长度代码，具体换算关系为代码*50±20 mm即为定子铁心长度范围，在范围之内就是合理的。发电机本体长度不宜过长，过长会导致转子临界转速下降，轴系稳定性降低。从表中可见改变长度后定子电密J1、定子线负荷AS1不会改变。WX14Z-037与WX14Z-040相比，因长度缩短后，为维持相同的定子端电压，需要更多的励磁电流，导致转子电流密度J2、气隙磁密等增加，变化规律为本体长度↓→转子电流密度↑→气隙磁密↑→短路比↑→超瞬变电抗↓→效率↓→温升↑；WX14Z-037方案被否定的原因就是定子铁心最高温度太高，已经超标。WX14Z-042与WX14Z-040相比，转子电流密度J2、气隙磁密、温升都降低，超瞬变电抗Xd”v、效率增加，这都是好的趋势；WX14Z-042被否定的原因是短路比KC低，不满足≥0.45的设计要求。

1.4 不同电压等级方案对比(见表3)

一般25 MW 6.3 kV 60Hz发电机也能用于25 MW 6.6 kV 60 Hz发电机，所以设计时要考虑方案的通用性。采用较高的电压时，除要求有良好的绝缘外，还会导致间接冷却电机定子线圈的散热困难，从而导致电机尺寸增大；采用较低电压时，因电流增大，出线及母线截面加大，并且因线棒电动力增大而常常带来结构设计的困难。

通过表中数据可知，25 MW 6.3 kV 60 Hz发电机能用于25 MW 6.6 kV 60 Hz，并且能看出端电压改变对输出数据的影响。

1.5 每槽导体数对方案的影响(见表4)

表4 技术参数对照表

发电机端电压与定子槽数(假设每槽导体数不变)成正比关系。原有的成熟产品25 MW 13.8 kV 60 Hz每槽导体数4。如果6.3 kV还用4导体，槽数应该选24，槽数少使每槽电流增加，槽内电动力增大，冷却条件(间接冷却电机)变得更差，24槽是不合适的，所以每槽导体数选2比较合适。

2 结构设计

25 MW 6.3 kV 60 Hz空冷汽轮发电机主要由定子、转子、轴承、励磁机等几部分组成(见图1)。

图1 发电机结构

2.1 定子

机座有足够的强度和刚度，使其能承受各种机械作用力、电磁力而不致产生有害的变形[1]。

设计时对定子铁心振动进行了计算，定子铁心振动主要有基频振动和倍频振动。定子铁心内有交变磁场通过，就会产生交变的电动力，如果铁心未压紧，或压制紧松不均匀，这种基频振动就会产生强烈的振动和噪声。两极的转子每转一次，铁心的变形重复两次，因而形成了定子铁心的双倍频率振动。这是定子铁心振动的主要来源[2]。电磁计算时定子铁心振动值应避开50～150 Hz，本产品实际计算值为216 Hz。径向定子铁心振动P-P值设计值≤38 μm，本产品实际计算值为29 μm。

2.2 转子

转轴材料25Cr2Ni4MoV，机械强度高、导磁性能好。转子细长型，转子大齿部分开有横向月牙槽，降低大齿部分的刚度和挠度，减小转子的双频振动。转子槽楔CuNi2Si无磁性合金钢，机械强度高、相对密度小，还有良好的导电性能和导热性能。为了减少转子端部绕组产生的漏磁、附加损耗及发热，护环材料采用具有高机械性能的、高电阻非磁性合金冷锻钢1Mn18Cr18N，比一般的50Mn18Cr5性能好，防止产生应力腐蚀[2]。

2.3 轴承

前后轴承轴瓦内径为φ250 mm，轴承润滑油流量84 L/min。相比较50 Hz产品，60 Hz产品转速高，轴承摩擦损耗高，要注意计算润滑油油温不要超标。

3 结论

25 MW 6.3 kV 60 Hz发电机是WX14Z系列开发的第一台6.3 kV 60 Hz的发电机，丰富了公司产品品种，划清了WX14Z、WX16Z两个系列的界限，为其他新产品的研发打下基础。60 Hz发电机用于出口项目，25 MW 6.3 kV 60 Hz发电机的研发成功，开拓了国际市场，提高了国外的市场占有率，对于稳外贸、稳出口有积极的意义。