透平發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

透平發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子按轉(zhuǎn)速的不同，可分為全速二極 轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)速為3000r/min或3600r/min)和半速四極轉(zhuǎn) 子(轉(zhuǎn)速為1500r/min或1800r/min)。 軸及鐵芯透平發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由于在高速下旋轉(zhuǎn)， 離心力較大，因此不管是二極轉(zhuǎn)子或四極轉(zhuǎn)子，磁極一 般采用隱極式。在一定冷卻條件下，透平發(fā)電機(jī)單機(jī)容 t的提高，受到轉(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度的限制，而轉(zhuǎn)子直 徑受鍛件機(jī)械強(qiáng)度的限制，其長(zhǎng)度受到剛度的限制。采 用氫內(nèi)冷和水內(nèi)冷技術(shù)，為進(jìn)一步提高單機(jī)容量提供 了條件。 轉(zhuǎn)子需承受從原動(dòng)機(jī)傳遞來(lái)的轉(zhuǎn)矩，其中絕大部 分轉(zhuǎn)化為電磁轉(zhuǎn)矩，一小部分用來(lái)帶動(dòng)勵(lì)磁機(jī)，其余部 分則轉(zhuǎn)化為機(jī)械損耗及某些附加損耗。當(dāng)發(fā)電機(jī)二相 或三相突然短路時(shí)，由于定子繞組中電流突然增大，電 磁轉(zhuǎn)矩隨之驟增，轉(zhuǎn)子所受的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，較額定轉(zhuǎn)矩驟 增好幾倍(一般約4~8倍). 由于轉(zhuǎn)子的自重在支承之間各部位產(chǎn)生彎矩，在 下部截面引起拉伸應(yīng)力，在上部截面引起壓縮應(yīng)力。因 此轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，各截面上由彎矩引起的應(yīng)力具有交變 的性質(zhì)，系對(duì)稱循環(huán)的應(yīng)力。 的導(dǎo)磁性能，釩在0.25%以內(nèi)對(duì)材料磁性也無(wú)直接形 響，其他合金元素會(huì)削弱材料的磁性，碳對(duì)導(dǎo)磁性能影響最大。

透平發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(turbogenerato:rotor) 是透平發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分。主要由導(dǎo)電的轉(zhuǎn)子繞 即勵(lì)磁繞組(包括引線、集電環(huán))，導(dǎo)磁的鐵芯(大. 齒和扼部)以及轉(zhuǎn)子軸伸、護(hù)環(huán)、中心環(huán)和風(fēng)扇等組 。其作用是在勵(lì)磁繞組中通人勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，書 動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，切割定子繞組，感應(yīng)出交流電動(dòng) 分類按轉(zhuǎn)子繞組冷卻方式的不同，透平發(fā)電機(jī)車 可分為空氣外冷、氫外冷、氣體內(nèi)冷和水內(nèi)冷等部分。

下面介紹國(guó)外幾家著名公司的典型全氫冷透平發(fā)電機(jī)。

2 美國(guó)西屋公司的新系列模塊化全氫冷透平發(fā)電機(jī)

20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)西屋公司根據(jù)它對(duì)90年代以后電力工業(yè)需要的預(yù)測(cè)，開(kāi)始進(jìn)行新系列100~600MW全氫冷透平發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)(圖1)。整個(gè)系列有3組直徑，包括200多個(gè)規(guī)格的60Hz發(fā)電機(jī)及200多個(gè)規(guī)格的50Hz發(fā)電機(jī)。對(duì)每組而言，轉(zhuǎn)子外徑Dr、定子鐵心內(nèi)徑Db、定子槽底直徑Dsb、定子鐵心外徑Dc和機(jī)座外徑Dl，均保持不變，改變定子鐵心、轉(zhuǎn)子本體長(zhǎng)度(軸向長(zhǎng)度增量為101.6mm)或定子槽形，就可以獲得一種新規(guī)格發(fā)電機(jī)。到90年代中期，西屋公司完成了整個(gè)系列透平發(fā)電機(jī)施工設(shè)計(jì)，試制樣機(jī)也已投入運(yùn)行。

2.1 冷卻系統(tǒng)

該系列透平發(fā)電機(jī)采用全氫冷系統(tǒng)。氫壓為0.414MPa，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)拖動(dòng)的較小發(fā)電機(jī)可在0.21MPa下運(yùn)行。在定子繞組，氫氣通過(guò)布置在兩根羅貝爾線棒間的一排矩形薄壁不銹鋼管，從線圈邊的一端流到另一端，即采用軸向冷卻方式。在轉(zhuǎn)子繞組方面，氫氣從兩端通過(guò)空心導(dǎo)線進(jìn)入，然后從轉(zhuǎn)子中部排入氣隙。在發(fā)電機(jī)汽端，一臺(tái)多級(jí)軸流式風(fēng)扇吸入來(lái)自氣隙、鐵心、定子線圈的氫氣，以及經(jīng)過(guò)管道來(lái)自出線盒的氫氣，并將氫氣送入兩臺(tái)立式氫氣冷卻器中，冷卻后，氫氣又從兩端進(jìn)入定子線圈、轉(zhuǎn)子線圈、定子鐵心和定子連接線。流經(jīng)連接線的氫氣進(jìn)入出線套管后再進(jìn)入出線盒。

先進(jìn)的全氫冷透平發(fā)電機(jī)

眾所周知，氫氣是一種良好的冷卻介質(zhì)，具有密度小、比熱高、導(dǎo)熱率大等優(yōu)點(diǎn)。氫氣的這些優(yōu)點(diǎn)很早就引起電機(jī)工程界的注意。1913年，德國(guó)西門子公司提出用氫氣作為電機(jī)的冷卻介質(zhì)，還制作了一個(gè)模型進(jìn)行試驗(yàn)，但因試驗(yàn)中發(fā)生氫氣爆炸而中途夭折。繼后，德國(guó)學(xué)者舒勒(M.Schuler)和西屋公司工程師費(fèi)爾德(Field)、吉爾曼(Gilman)、紐伯里(Newburry)等相繼對(duì)氫氣冷卻電機(jī)進(jìn)行過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)研究。1923年，美國(guó)通用電氣公司(GE)開(kāi)始對(duì)氫冷電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。1926年，GE公司制成世界上第一臺(tái)試驗(yàn)型氫外冷汽輪發(fā)電機(jī)(50MW)。1928年，西屋公司改制成首臺(tái)氫外冷汽輪發(fā)電機(jī)(6MW)。同年，西屋公司制成首臺(tái)工業(yè)用氫外冷同步調(diào)相機(jī)(15MVA)。從1930年后，GE公司和西屋公司正式承接氫外冷汽輪發(fā)電機(jī)的訂貨，批量生產(chǎn)氫外冷汽輪發(fā)電機(jī)。歐洲和前蘇聯(lián)的電氣公司從1937年后也開(kāi)始生產(chǎn)氫外冷汽輪發(fā)電機(jī)。

在開(kāi)發(fā)氫外冷汽輪發(fā)電機(jī)的同時(shí)，國(guó)外一些公司又開(kāi)展了直接氫氣冷卻(氫內(nèi)冷)汽輪發(fā)電機(jī)的研究。1951年，美國(guó)AllisChalmers公司率先制成定子表面空冷、轉(zhuǎn)子氫內(nèi)冷的試驗(yàn)型汽輪發(fā)電機(jī)(60MW)。1953年，GE公司、西屋公司和德國(guó)AEG公司分別研制成轉(zhuǎn)子氫內(nèi)冷的汽輪發(fā)電機(jī)。第2年，AllisChalmers，GE和西屋公司相繼研制成定、轉(zhuǎn)子繞組均采用氫內(nèi)冷的汽輪發(fā)電機(jī)。而在歐洲國(guó)家和前蘇聯(lián)，各主要電氣公司或工廠從1954年后也開(kāi)始生產(chǎn)氫內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)。

1956年定子水冷汽輪發(fā)電機(jī)在英國(guó)問(wèn)世，兩年后轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)在中國(guó)誕生。水冷技術(shù)的誕生，使大型汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化格局，各個(gè)公司根據(jù)用戶需要和本公司技術(shù)特色、經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展不同的定轉(zhuǎn)子繞組冷卻系統(tǒng)。美國(guó)西屋公司對(duì)氫冷技術(shù)情有獨(dú)鐘，在100~1000MW的廣大范圍內(nèi)采用全氫冷方式;美國(guó)GE公司在100~350MW內(nèi)采用了全氫冷方式，而在300~1200MW范圍內(nèi)多采用水氫冷卻系統(tǒng);西門子公司在120~250MW間采用全氫冷方式，而在大于250MW的范圍內(nèi)則發(fā)展了水氫冷卻和全氫冷卻兩大系統(tǒng)，其中THRI，THDI和THDD系列透平發(fā)電機(jī)為全氫冷系統(tǒng)，涵蓋69MVA到830MVA;ABB公司僅在100~250MW范圍內(nèi)采用全氫冷方式;Alsthom公司的透平發(fā)電機(jī)技術(shù)與ABB公司類似，公司也只在中等容量機(jī)組中采用全氫冷系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代后，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)取得重大進(jìn)展，大型燃?xì)廨啓C(jī)的誕生和推廣應(yīng)用點(diǎn)燃了人們研究較大容量新型全氫冷透平發(fā)電機(jī)的熱情，也因此近年來(lái)全氫冷透平發(fā)電機(jī)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。