透平發(fā)電機轉子概述

透平發(fā)電機轉子(turbogenerato:rotor) 是透平發(fā)電機的旋轉部分。主要由導電的轉子繞 即勵磁繞組(包括引線、集電環(huán))，導磁的鐵芯(大. 齒和扼部)以及轉子軸伸、護環(huán)、中心環(huán)和風扇等組 。其作用是在勵磁繞組中通人勵磁電流產生磁場，書 動機帶動下旋轉，切割定子繞組，感應出交流電動 分類按轉子繞組冷卻方式的不同，透平發(fā)電機車 可分為空氣外冷、氫外冷、氣體內冷和水內冷等部分。

透平發(fā)電機轉子按轉速的不同，可分為全速二極 轉子(轉速為3000r/min或3600r/min)和半速四極轉 子(轉速為1500r/min或1800r/min)。 軸及鐵芯透平發(fā)電機轉子由于在高速下旋轉， 離心力較大，因此不管是二極轉子或四極轉子，磁極一 般采用隱極式。在一定冷卻條件下，透平發(fā)電機單機容 t的提高，受到轉子直徑和轉子長度的限制，而轉子直 徑受鍛件機械強度的限制，其長度受到剛度的限制。采 用氫內冷和水內冷技術，為進一步提高單機容量提供 了條件。 轉子需承受從原動機傳遞來的轉矩，其中絕大部 分轉化為電磁轉矩，一小部分用來帶動勵磁機，其余部 分則轉化為機械損耗及某些附加損耗。當發(fā)電機二相 或三相突然短路時，由于定子繞組中電流突然增大，電 磁轉矩隨之驟增，轉子所受的瞬時轉矩，較額定轉矩驟 增好幾倍(一般約4~8倍). 由于轉子的自重在支承之間各部位產生彎矩，在 下部截面引起拉伸應力，在上部截面引起壓縮應力。因 此轉子旋轉時，各截面上由彎矩引起的應力具有交變 的性質，系對稱循環(huán)的應力。 的導磁性能，釩在0.25%以內對材料磁性也無直接形 響，其他合金元素會削弱材料的磁性，碳對導磁性能影響最大。

下面介紹國外幾家著名公司的典型全氫冷透平發(fā)電機。

2 美國西屋公司的新系列模塊化全氫冷透平發(fā)電機

20世紀80年代中期，美國西屋公司根據(jù)它對90年代以后電力工業(yè)需要的預測，開始進行新系列100~600MW全氫冷透平發(fā)電機的設計(圖1)。整個系列有3組直徑，包括200多個規(guī)格的60Hz發(fā)電機及200多個規(guī)格的50Hz發(fā)電機。對每組而言，轉子外徑Dr、定子鐵心內徑Db、定子槽底直徑Dsb、定子鐵心外徑Dc和機座外徑Dl，均保持不變，改變定子鐵心、轉子本體長度(軸向長度增量為101.6mm)或定子槽形，就可以獲得一種新規(guī)格發(fā)電機。到90年代中期，西屋公司完成了整個系列透平發(fā)電機施工設計，試制樣機也已投入運行。

2.1 冷卻系統(tǒng)

該系列透平發(fā)電機采用全氫冷系統(tǒng)。氫壓為0.414MPa，對燃氣輪機拖動的較小發(fā)電機可在0.21MPa下運行。在定子繞組，氫氣通過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。在轉子繞組方面，氫氣從兩端通過空心導線進入，然后從轉子中部排入氣隙。在發(fā)電機汽端，一臺多級軸流式風扇吸入來自氣隙、鐵心、定子線圈的氫氣，以及經過管道來自出線盒的氫氣，并將氫氣送入兩臺立式氫氣冷卻器中，冷卻后，氫氣又從兩端進入定子線圈、轉子線圈、定子鐵心和定子連接線。流經連接線的氫氣進入出線套管后再進入出線盒。

先進的全氫冷透平發(fā)電機

眾所周知，氫氣是一種良好的冷卻介質，具有密度小、比熱高、導熱率大等優(yōu)點。氫氣的這些優(yōu)點很早就引起電機工程界的注意。1913年，德國西門子公司提出用氫氣作為電機的冷卻介質，還制作了一個模型進行試驗，但因試驗中發(fā)生氫氣爆炸而中途夭折。繼后，德國學者舒勒(M.Schuler)和西屋公司工程師費爾德(Field)、吉爾曼(Gilman)、紐伯里(Newburry)等相繼對氫氣冷卻電機進行過分析和實驗研究。1923年，美國通用電氣公司(GE)開始對氫冷電機進行實驗研究。1926年，GE公司制成世界上第一臺試驗型氫外冷汽輪發(fā)電機(50MW)。1928年，西屋公司改制成首臺氫外冷汽輪發(fā)電機(6MW)。同年，西屋公司制成首臺工業(yè)用氫外冷同步調相機(15MVA)。從1930年后，GE公司和西屋公司正式承接氫外冷汽輪發(fā)電機的訂貨，批量生產氫外冷汽輪發(fā)電機。歐洲和前蘇聯(lián)的電氣公司從1937年后也開始生產氫外冷汽輪發(fā)電機。

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

1956年定子水冷汽輪發(fā)電機在英國問世，兩年后轉子水內冷汽輪發(fā)電機在中國誕生。水冷技術的誕生，使大型汽輪發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化格局，各個公司根據(jù)用戶需要和本公司技術特色、經驗，發(fā)展不同的定轉子繞組冷卻系統(tǒng)。美國西屋公司對氫冷技術情有獨鐘，在100~1000MW的廣大范圍內采用全氫冷方式;美國GE公司在100~350MW內采用了全氫冷方式，而在300~1200MW范圍內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)電機為全氫冷系統(tǒng)，涵蓋69MVA到830MVA;ABB公司僅在100~250MW范圍內采用全氫冷方式;Alsthom公司的透平發(fā)電機技術與ABB公司類似，公司也只在中等容量機組中采用全氫冷系統(tǒng)。

20世紀80年代后，燃氣輪機技術取得重大進展，大型燃氣輪機的誕生和推廣應用點燃了人們研究較大容量新型全氫冷透平發(fā)電機的熱情，也因此近年來全氫冷透平發(fā)電機技術取得了長足進步。