四極汽輪發(fā)電機

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，對汽輪發(fā)電機的需求不斷上升。汽輪發(fā)電機內(nèi)部溫升直接關(guān)系到機組的性能和經(jīng)濟指標，同時還影響發(fā)電機的壽命和運行的可靠性。汽輪發(fā)電機溫升計算是汽輪發(fā)電機設(shè)計的最主要內(nèi)容之一。電機冷卻的根本任務(wù)在于散發(fā)掉電機內(nèi)部損耗產(chǎn)生的熱量，使電機各部溫升維持在標準范圍內(nèi)。大量應(yīng)用氫冷電機來滿足日益增長的市場需求已經(jīng)成為一種趨勢，對冷卻電機的設(shè)計及研究的投入顯著增加。許多外文文獻都曾分析了汽輪發(fā)電機的流場及溫度場。

以某工廠正在研制開發(fā)的AP1000水氫氫冷卻四極汽輪發(fā)電機定子作為研究對象，對汽輪發(fā)電機內(nèi)的溫度場進行研究。根據(jù)該大型水氫氫冷汽輪發(fā)電機定子內(nèi)冷卻介質(zhì)的流動特性和電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的特點建立電機三維流場模型，通過對計算域內(nèi)的模型求解，得到發(fā)電機內(nèi)發(fā)熱部件的溫度分布情況，確定電機定子內(nèi)冷卻介質(zhì)的最高溫升位置；根據(jù)以上各計算結(jié)果，著重分析了電機的主要固體部件，銅線圈、鐵心、磁屏蔽、壓板的溫度分布規(guī)律。

四極汽輪發(fā)電機數(shù)學(xué)模型

電機內(nèi)的流體視為不可壓縮流體，流體的流動處于湍流狀態(tài).流動要受到質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制約。湍流流動過程中，實際計算常用方法是瞬態(tài)N－S方程。在此基礎(chǔ)上補充湍流的脈動動能方程和湍流動能耗散方程。其中應(yīng)用較多的是標準的k－ε兩方程標準模型，選用標準k－ε兩方程標準模型，單位質(zhì)量的脈動動能耗散率的定義為：

四極汽輪發(fā)電機物理模型和求解條件

1.物理模型

發(fā)電機定子有48個槽，在周向結(jié)構(gòu)是重復(fù)的，轉(zhuǎn)子有32個槽，為了與轉(zhuǎn)子的一個槽建立對應(yīng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立整機機組1/32圓周結(jié)構(gòu)的定子、轉(zhuǎn)子和氣隙的三維模型。其中定子部分包含壓板、磁屏蔽、定子鐵心和線圈，求解物理模型如圖4所示。

2.基本假設(shè)和邊界條件

（1）基本假設(shè)：

①忽略重力和浮力對流體的影響；

②電機內(nèi)流場中，流體流速遠小于聲速，即馬赫數(shù)(Ma數(shù))很小，故把流體作為不可壓縮粘性流體處理；

③流體的流動為定常流動狀態(tài)，由于電機中流體的雷諾數(shù)很大，屬于紊流，因此采用紊流模型對電機內(nèi)流場進行求解；

④線圈主絕緣、層間絕緣各自的材料物性均相同；

⑤電機內(nèi)各固體部件之間完全接觸，熱源密度按照損耗平均分布考慮；

⑥定子線圈的熱物理性質(zhì)參數(shù)認為都是相同的，定子空心線圈中冷卻水帶走的熱損耗相同。

（2）邊界條件：

①材料物性參數(shù)為常數(shù)，鐵心軸向、周向和徑向三個方向的導(dǎo)熱系數(shù)不相同，系數(shù)分別為:1.5W/(m·K)、26W/(m·K)、30W/(m·K)，銅線圈的導(dǎo)熱系數(shù)為387.6W/(m·K)，絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.3W/(m·K)；

②壓強設(shè)置與計算流場時壓力設(shè)置相同，定子鐵心端部風(fēng)室的氫氣入口溫度為318K，定子線圈入口水溫為318K；

③磁屏蔽外表面設(shè)置對流邊界，其余內(nèi)部流體與固體壁面的交界處采用耦合對流邊界，對流系數(shù)由耦合計算自動獲得；

④各個部件的熱源強度由廠方給出的損耗數(shù)據(jù)進行換算之后得到。

四極汽輪發(fā)電機求解結(jié)果及分析

1.定子磁屏蔽壓板、齒壓板溫度場分析

用來固定磁屏蔽及定子鐵心的磁屏蔽壓板和齒壓板，其物理屬性與定子鐵心軛部、齒部材料設(shè)置相同。壓板本身沒有熱量產(chǎn)生，但是在磁屏蔽及定子鐵心溫度的共同作用下，壓板會有一定程度的溫升，其溫度場示意圖如圖5所示。

在設(shè)置齒壓板的頂端與磁屏蔽外表面邊界條件時，考慮到壓板外表面是有氣流的冷卻作用因此設(shè)置為對流換熱邊界條件。

由圖2中顏色分布的情況可以明顯的看出外表面受氫氣冷卻的作用，溫度較低;而壓板內(nèi)側(cè)直接與溫度較高的磁屏蔽接觸，溫度有所上升，汽端溫度最大值約為354K；由于氫氣運動到勵端時溫度有所上升，換熱溫差有所減小，使得勵端齒壓板溫度明顯高于汽端齒壓板溫度，最大溫度值約為368K；而勵端外表面對流換熱系數(shù)較汽端大，使得出現(xiàn)汽端磁屏蔽壓板溫度稍高于勵端，最低溫度值范圍小于勵端最低溫度值范圍。

2.定子磁屏蔽溫度場分析

在定子里，發(fā)熱量較大的為磁屏蔽部分和線圈。線圈是用冷卻水冷卻的，雖然單位發(fā)熱量大，但單位換熱量也大，因此線圈在定子中的溫度并不是最高的;磁屏蔽相對體積小，發(fā)熱量大，靠軸向和徑向通風(fēng)，可徑向通風(fēng)效果不好，冷卻性能較低，因此磁屏蔽的溫升較高。如圖6所示。汽端磁屏蔽的最高溫度約為362K，在較大直徑處，此位置距離定子通風(fēng)孔較遠，冷卻效果不佳.在靠近軸向通風(fēng)孔區(qū)域，由于受到冷卻介質(zhì)的冷卻作用，冷卻效果明顯，磁屏蔽溫度相對較低。處于風(fēng)路末端的磁屏蔽，氫氣溫度升高，冷卻效果減弱，軸向通風(fēng)附近的固體溫度約為355K，明顯高于汽端軸向通風(fēng)部分的331K。勵端磁屏蔽最高溫度為383K，是在較小半徑位置，此處離軸向風(fēng)路相對較遠，熱量不能被及時帶走，同時氫氣的冷卻效果也不好；試驗測定的磁屏蔽最高溫度值為385K，在誤差允許的范圍內(nèi)，認為計算準確，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)合理。

3.定子鐵心溫度場分析

由于熱源強度的差別，在對溫度場進行物理建模時，要將定子鐵心分成軛部和齒部兩部分，設(shè)置求解條件時分別進行設(shè)置。

定子鐵心軛部溫度場如圖7所示，溫度低的一端為汽端為319K，沿軸向溫度逐漸增加，溫度最高處是定子鐵心勵端靠近齒部部分為370K；定子鐵心汽、勵兩端各有兩個徑向風(fēng)路，冷卻效果相對較好，圖7中明顯可以看出定子鐵心軛部整體的平均溫度不高；到達勵端氫氣由于溫升的影響，冷卻效果下降，同時軛部較小半徑部位與齒部相連，因此看到圖7中溫度最高的位置。

定子鐵心齒部溫度場如圖8所示，定子鐵心齒部的溫度走勢與軛部的溫度走勢大致相同，汽端溫度最低，沿軸向溫度逐漸升高，勵端溫度最高，溫度值約為372K。徑向風(fēng)路部分的溫度值低于周圍位置的溫度值；由于齒部的熱源強度相對較大，因此溫度增加走勢較快，大約在冷卻氣體行程1/3位置處速度已經(jīng)開始大范圍、大幅度增加。

4.定子線圈及冷卻水溫度分析

定子銅線圈采用水冷，空心線圈中水流速在2.06m/s～2.11m/s之間浮動。雖然定子銅線圈的熱源強度很大，但是水的蓄熱能力強，冷卻效果很好，流經(jīng)銅線圈的冷卻水可以將大量的熱及時帶走，以此來保證銅線圈絕緣的溫升不會過高。定子線圈由上層線圈和下層線圈組成，上層線圈的空心股線行數(shù)×列數(shù)為4×6，下層線圈的空心股線行數(shù)×列數(shù)為4×5，本機定子共有48個槽，模型是整機機組1/32，因此定子模型含有一個完整的定子槽和一個半個定子槽。由圖9線圈入口截面溫度場可知，入口處冷卻水的溫度值為318K，銅線圈的溫度和冷卻水的溫度相近，溫度值約為319 K。線圈出口截面溫度場如圖10所示，冷卻水溫度由入口向出口方向逐漸增加，溫度在出口處達到最大值，最大值約為350K；銅線圈的溫度分布與冷卻水的溫度分布相似，線圈的最低溫度在勵端，沿著水流方向銅線圈溫度均勻增加，最高溫度出現(xiàn)于汽端，溫度值約為354K。

冷卻水溫度分布與銅線圈溫度分布情況大致相同，但在數(shù)值上有細微的差別。圖10所示可以明顯看出出口水溫與銅溫度的差別，銅線圈的溫度略高于冷卻水的溫度，使得銅線圈產(chǎn)生的熱量不斷的被冷卻水帶走，靠近空心線圈部分的冷卻效果較好，使得該部分的溫度要低于遠離空心線圈的銅的溫度，在遠離空心線圈方向溫度逐漸增加，但數(shù)值相差不大。

四極汽輪發(fā)電機結(jié)論

建立四極水氫氫冷汽輪發(fā)電機定子溫度場模型，根據(jù)求解條件，計算得到冷卻介質(zhì)和固體部件的溫度場分布如下：

1)定子汽端壓板溫度最大值約為354K；勵端為氣體行程末端，使得勵端齒壓板溫度明顯高于汽端齒壓板溫度，最大溫度值約為368K，壓板外側(cè)為對流換熱面，溫度降低。

2)汽端磁屏蔽的最高溫度值為362K，勵端磁屏蔽的最高溫度值為383K，設(shè)計方試驗得到的磁屏蔽最高溫度值為385K，誤差在允許的范圍內(nèi)。

3)定子鐵芯整體沿冷卻氣體行程逐漸升高，而齒部軸向溫升較快；軛部溫度場最高溫度出現(xiàn)于冷卻風(fēng)路行程末端靠近齒部部分，溫度值約為370K；齒部最高溫度出現(xiàn)于徑向風(fēng)路前端，溫度值約為372K。

4)定子中冷卻水的最高溫度出現(xiàn)于出口處，最高溫度值為350K，與試驗值353K的誤差在允許的范圍內(nèi)；定子線圈的溫度分布與冷卻水的溫度分布相似，最高溫度值為354K，與試驗值362K的誤差在允許的范圍內(nèi)。 2100433B

俄羅斯核電1 000 MW兩極和四極汽輪發(fā)電機特性對比

俄羅斯核電汽輪發(fā)電機的主要生產(chǎn)廠家有圣彼得堡“電力”工廠和哈爾科夫重型電機制造廠。1000MW的核電汽輪發(fā)電機主要由“電力”工廠生產(chǎn)。1980年，“電力”工廠為南烏克蘭核電站生產(chǎn)了TBB-1000-4型1000MW半速（四級）汽輪發(fā)電機，1982年投入運行，運行期間沒有因發(fā)電機的故障而使機組停運。1983年，“電力”工廠又為羅文斯克核電站生產(chǎn)了TBB-1000-2型1000MW全速(兩極)汽輪發(fā)電機。

四極汽輪發(fā)電機全速及半速發(fā)電機主要技術(shù)數(shù)據(jù)對比

表1中給出了1000MW核電汽輪發(fā)電機的主要技術(shù)經(jīng)濟指標。從表1中可以看出，在額定功率、電壓以及功率因數(shù)等相同的情況下，兩極汽輪發(fā)電機的單位材料消耗?。?1.7%）、短路比?。?1.11%）、飛輪轉(zhuǎn)矩小（22.88%）；而四極電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量約為兩極電機的兩倍（196%），定子增重不多（118%），定子運輸質(zhì)量很接近（101%），四極電機的效率比兩極發(fā)電機效率略高。除此之外，兩極發(fā)電機的制造時勞動消耗小，但是兩極汽輪發(fā)電機的機械強度和熱強度較高，定子繞組端部漏磁通和定子繞組端部區(qū)域的損耗也較高。

從圖1，可以看出兩極和四極汽輪發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子槽數(shù)(見表1)。

四極汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)特點

大型汽輪發(fā)電機的定子冷卻方式已逐步趨向一致，大多采用水冷;但對于轉(zhuǎn)子的冷卻方式，日本日立、東芝、俄羅斯等電機廠的兩極電機采用氣隙取氣方式。對于四極電機，美國GE公司與俄羅斯電機廠仍采用氣隙取氣型通風(fēng)方式，但增加了徑向氣隙隔板。日本的日立與東芝公司則采用了副槽通風(fēng)。俄羅斯“電力”工廠生產(chǎn)的TBB-1000型汽輪發(fā)電機冷卻方式為定子繞組水冷，轉(zhuǎn)子氣隙取氣斜流氫內(nèi)冷，增加了氣隙隔板以利冷卻，發(fā)電機風(fēng)扇采用離心式風(fēng)扇。

俄羅斯院士Я.Б.Дaнилeвич多次來華講學(xué)指出，俄羅斯大型機組推薦采用全水冷冷卻方式。2008年8月，作者之一在Я.Б.Дaнилeвич科學(xué)院院士安排下，參觀了俄羅斯電力工廠，了解到正在設(shè)計的1500MW核電汽輪發(fā)電機就是采用的全水冷冷卻方式。

在勵磁控制方面，日本日立、東芝與GE公司采用交流勵磁機靜止硅整流器勵磁方式，西屋、三菱等公司采用無刷勵磁方式，而可控硅靜止勵磁方式已逐步被多數(shù)廠家和用戶所采用。俄羅斯專家認為，當(dāng)勵磁電流過大時，設(shè)計與制造大電流滑環(huán)有困難，發(fā)電機應(yīng)采用無刷勵磁方式，便于維護，提高運行可靠性。

TBB-1000型發(fā)電機的構(gòu)造形式和布局按照“電力”工廠的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計:定子機座由3部分組成（一個中心段，兩個邊罩）。發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。帶繞組的定子鐵心位于中心段，氣體冷凝器和定子繞組引出線則放置在定子的端部。為了運輸和裝配方便，端部有水平的可拆卸的支承爪。定子繞組3個引出線從發(fā)電機勵端底部引出，6個中性點引出線從發(fā)電機勵端上部抽出，這是TBB-1000型發(fā)電機的特點，對保護設(shè)置極為重要。而氣體冷凝器垂直立于電機的兩端。定子的端蓋內(nèi)部由通風(fēng)機的擴散器蓋住，外部由單環(huán)流的油密封封閉。兩極發(fā)電機定子鐵心與機座的隔振方式采用彈性定位筋，結(jié)構(gòu)簡單，隔振效果好。由于半速發(fā)電機定子鐵心為八節(jié)點振動，且振幅只達到兩極電機的一半，因此振幅很小，故定子鐵心和機座之間采用剛性連接。三菱公司1100MW四極發(fā)電機機座采用了傳統(tǒng)的立式彈性板隔振結(jié)構(gòu)。

為了保證TBB-1000-2型汽輪發(fā)電機的高可靠性，對兩極汽輪發(fā)電機進行了研究并在結(jié)構(gòu)改進方面上借鑒了TBB-1000-4四極汽輪發(fā)電機經(jīng)驗。兩極電機更加注意了定子繞組端部的固定、定子端部區(qū)域溫升的降低、轉(zhuǎn)子各部件強度的提高、勵磁繞組的冷卻效果。主要采取了以下措施：

（a）定子繞組端部固定的要求更高，采用玻璃纖維內(nèi)綁環(huán)來取代以前的結(jié)構(gòu)；

（b）繞組端部各個部件的固定采用高強度的玻璃鋼替代以前采用的金屬；

（c）安裝水路用于冷卻定子鐵心壓圈最熱區(qū)域（端部銅屏蔽）———端面圓環(huán)部分；

（d）壓圈上開有冷卻窗孔，氫氣通過窗孔單向流動，對壓圈進行強迫冷卻；

（e）轉(zhuǎn)子槽和通風(fēng)槽采用輕質(zhì)杜拉鋁的特殊合金；

（f）氣隙內(nèi)安置縱向隔板和橫向隔板，以加強冷卻。

四極汽輪發(fā)電機溫升試驗

從表2可以看出，定子繞組有效部分的發(fā)熱處于較低水平。

為了測試額定勵磁電流下轉(zhuǎn)子的溫升，同時又要限制試驗過程中的定子電流，在廠內(nèi)進行了勵磁繞組部分反接的所謂“雙線連接”的三相穩(wěn)態(tài)短路試驗。在進行該項試驗時，在每個磁極上有兩個線圈被反向連接，以便所產(chǎn)生的磁通與其余線圈產(chǎn)生的磁通方向相反，于是，每極總磁通減少?！半p線連接”試驗結(jié)束后，再恢復(fù)成正常的連接。試驗時保持勵磁電流為額定值，得到了兩臺發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的溫升（表2）。在該試驗條件下兩極汽輪發(fā)電機的定子三相穩(wěn)態(tài)短路電流為額定值的68%，而四極汽輪發(fā)電機的定子三相穩(wěn)態(tài)短路電流為額定值的36%。這就使得兩極汽輪發(fā)電機的冷卻水和冷卻氣體的發(fā)熱較高。

勵磁繞組部分反接時兩種電機定子電流的差別可以解釋為它們在試驗時轉(zhuǎn)子線圈反接數(shù)與線圈總數(shù)的比值有差別。

與只有縱向氣隙隔板相比，在軸向上縱向、橫向都加氣隙隔板時的冷卻效果更為顯著，在繞組熱負荷相同的情況下，轉(zhuǎn)子繞組溫升相對降低了12～15%。

為了檢查定子鐵心端部區(qū)域在鐵心磁分路和邊段的發(fā)熱（見表3），在相應(yīng)的部位安裝了專門的熱電偶。

兩極汽輪發(fā)電機由于每極電樞漏磁通相對較大，使得磁分路環(huán)的溫升比四極汽輪發(fā)電機要高一些。

四極汽輪發(fā)電機機械特性

四極電機轉(zhuǎn)子直徑大，臨界轉(zhuǎn)速高。四極電機的試驗臺實驗得出，一階臨界轉(zhuǎn)速為940r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為2300r/min，遠離其運行轉(zhuǎn)速1500r/min。這樣的臨界轉(zhuǎn)速相對運行狀態(tài)的分布是十分有利的，不僅轉(zhuǎn)子平衡容易，振動值小，也不易產(chǎn)生油膜失穩(wěn)現(xiàn)象，其可靠性明顯提高。兩極電機中由于大齒與小齒方向的剛度差別較大，需要在大齒上開月牙槽或者是在大齒上開與小齒一樣的軸向槽。對四極電機來說，由于剛度均勻，則不需要采取以上在轉(zhuǎn)子大齒上開槽的措施，這樣有利于四極電機的負序電流在磁極表面均勻分布，可以減少局部負序電流過大。

四極電機因轉(zhuǎn)速低，護環(huán)的熱應(yīng)力比兩極電機小，緩解了應(yīng)力腐蝕。兩極電機的振動為四節(jié)點振動，而四極電機為八節(jié)點振動。雖然四極電機的鐵心軛部較短（圖1），但其振幅很小，只達到兩極電機的一半。工廠試驗測量了TBB-1000型兩極和四極汽輪發(fā)電機的振動，如表4所示。

從表2～4可以看出，四極汽輪發(fā)電機的熱狀態(tài)和機械狀態(tài)比兩極電機的要好，這在理論分析上也得到了確認。

四極汽輪發(fā)電機電磁特性

大型汽輪發(fā)電機中，為降低定子端部鐵心和結(jié)構(gòu)件的損耗和溫升采用了電屏蔽（銅屏蔽）、磁屏蔽（磁分路）（圖3），端部鐵心為階梯形并開有小槽，端部結(jié)構(gòu)件采用無磁性材料或者非金屬材料。定子線棒采用空實結(jié)合導(dǎo)線以減少附加損耗。為使上下層線棒有相近的損耗，從而使其膨脹接近相等，定子繞組的上下層線棒采用較小的高度。為改善電壓波形和減少附加損耗，轉(zhuǎn)子槽采用不等分且有勵磁長短槽。采用全阻尼系統(tǒng)來提高電機的負序承載能力。

雖然四極電機定子端部漏抗較兩極電機小，但定子槽漏抗卻比兩極電機大，所以定子漏抗比兩極電機約大30%。四極電機由于轉(zhuǎn)子槽加深，阻尼繞組漏抗較兩極電機大，使得四極電機的瞬態(tài)和超瞬態(tài)電抗比兩極電機大30%，從而使短路電流及短路電動力減小，瞬態(tài)穩(wěn)定性下降，所以對勵磁調(diào)節(jié)及保護的性能要求較高。

表5給出了TBB-1000型汽輪發(fā)電機的電氣參數(shù)。從表中可以看出四極電機的勵磁電流在空載工況時為兩極電機的102%，短路工況為92.2%，額定負荷工況為95.12%。

四極電機有以下特點:由于極距約為同容量兩極電機的70%，使四極電機的端部電動力減小，端部漏磁損耗減少，緩解了端部鐵心的損耗和發(fā)熱。四極電機由于極距縮短，使得每極勵磁安匝約為兩極電機70%，減小了勵磁機的容量。由于四極電機離心力較兩極電機小，轉(zhuǎn)子齒根與槽楔應(yīng)力下降，這就有可能增大轉(zhuǎn)子槽尺寸，每極槽截面約可增加70%，使轉(zhuǎn)子槽可容納更多銅線，轉(zhuǎn)子銅耗下降，半速電機的通風(fēng)損耗約為兩極電機的50%。

在1000MW發(fā)電機試驗中，損耗和效率是用校準電動機的方法確定的，如表6所示。

試驗表明，四極汽輪發(fā)電機的機械損耗要比兩極汽輪發(fā)電機的機械損耗小得多，使得四極電機的總損耗較小，因此四極汽輪發(fā)電機效率較兩極電機高。

四極桿成本低，價格便宜，雖然日常分析的質(zhì)荷比的范圍只能達到3000，但由于分析器內(nèi)部可容許較高壓力，很適合在大氣壓條件下產(chǎn)生離子的ESI離子化方式，并且，ESI電離最突出特點是產(chǎn)生多電荷，蛋白質(zhì)和其他生物分子電噴霧電離所產(chǎn)生的電荷分布一般在3000以下，所以四極桿廣泛地與ESI聯(lián)用。另外，三重四極桿由于可以做多級質(zhì)譜，定量也方便，使用極為廣泛。2100433B