大型全轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要素探討

引言

我國(guó)電力工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了大機(jī)組、高參數(shù)、大電網(wǎng)階段,汽輪發(fā)電機(jī)作為主要的供電方式,其單機(jī)容量不斷增大。然而,大容量發(fā)電機(jī)由于造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一旦發(fā)生故障,所需的檢修期長(zhǎng),給發(fā)電企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。轉(zhuǎn)子作為汽輪發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件,其可靠性將直接影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

1汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件,其作用是傳遞汽輪機(jī)供給的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸向槽內(nèi)繞組通入勵(lì)磁電流時(shí),隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),將產(chǎn)生強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),該磁場(chǎng)將汽輪機(jī)的機(jī)械能通過(guò)氣隙和定子繞組轉(zhuǎn)化為電能,完成發(fā)電機(jī)的發(fā)電任務(wù)。轉(zhuǎn)子還需承受事故狀態(tài)下的扭矩和高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力,主要部件包括轉(zhuǎn)軸、勵(lì)磁繞組、護(hù)環(huán)等,如圖1所示。全轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為3000r/min或3600r/min,屬于高速旋轉(zhuǎn)、通電的結(jié)構(gòu)件,其橫截面如圖2所示,設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮電磁絕緣、通風(fēng)、機(jī)械強(qiáng)度、振動(dòng)和扭振等綜合性能。

2轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要素

2.1電磁設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子作為發(fā)電機(jī)磁路的重要組成部分,設(shè)計(jì)時(shí)需滿足電機(jī)電磁設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)軸需具有較高的磁化性能,以降低轉(zhuǎn)子齒部和輒部的磁勢(shì)壓降,減小勵(lì)磁功率。合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)、槽分度數(shù)、槽數(shù)以獲得較好的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)波形,減少磁場(chǎng)高次諧波在定子表面產(chǎn)生的附加損耗。根據(jù)電磁設(shè)計(jì)的電氣參數(shù),選擇相應(yīng)的絕緣等級(jí)。目前主要采用磁路解析法和有限元仿真進(jìn)行電磁核算。

2.2轉(zhuǎn)子冷卻設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁計(jì)算得到轉(zhuǎn)子熱負(fù)荷,選擇合理的轉(zhuǎn)子冷卻方式以保證轉(zhuǎn)子線圈溫度滿足絕緣溫升限值要求。大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組冷卻主要有通風(fēng)冷卻和水冷兩種方式。通風(fēng)冷卻是目前轉(zhuǎn)子線圈采用較多的冷卻方式,線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,主要有以下3種形式:

(1）氣隙取氣斜流通風(fēng),定子鐵芯采用軸向分區(qū)的多風(fēng)區(qū)與之匹配。它是一種自通風(fēng)的冷卻方式,氣體循環(huán)動(dòng)力主要來(lái)自轉(zhuǎn)子自身的泵壓作用,決定轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)氣體流量的主要因素是轉(zhuǎn)子槽楔處的進(jìn)、出風(fēng)斗的空氣動(dòng)力形狀。優(yōu)點(diǎn)是氣體在斜流流道內(nèi)流速高,流道長(zhǎng),通流面積較大,散熱系數(shù)高,通風(fēng)系統(tǒng)的阻力較低:缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子表面及風(fēng)斗結(jié)構(gòu)復(fù)雜,槽楔及線圈加工較為繁瑣。該方式多用于大容量的氫冷發(fā)電機(jī)。(2）副槽徑向通風(fēng)也是一種自通風(fēng)冷卻方式。轉(zhuǎn)子槽底開有副槽,繞組沿軸向開有多個(gè)徑向風(fēng)孔,冷卻氣體依靠轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇的作用,流經(jīng)副槽進(jìn)入線圈徑向風(fēng)道后進(jìn)入氣隙。優(yōu)點(diǎn)是槽楔和繞組的加工比較簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)子表面的風(fēng)摩損耗較小,轉(zhuǎn)子的冷卻氣體直接來(lái)自風(fēng)扇,轉(zhuǎn)子繞組的溫升初始溫度低,冷卻效果較好,通風(fēng)系統(tǒng)的阻力較低。缺點(diǎn)是副槽高度占用徑向空間,轉(zhuǎn)子磁路容易局部飽和,在容量增大到一定限值時(shí)需要更大尺寸的轉(zhuǎn)子與之匹配才能滿足轉(zhuǎn)子冷卻需求。(3）軸向通風(fēng)是一種依靠外加高壓風(fēng)扇來(lái)提供動(dòng)力以維持氣體在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)流動(dòng)的通風(fēng)冷卻方式。氣體從轉(zhuǎn)子繞組端部的進(jìn)風(fēng)孔進(jìn)入轉(zhuǎn)子繞組的軸向風(fēng)道,然后從轉(zhuǎn)子中部的徑向出風(fēng)孔流出。隨著電機(jī)單機(jī)容量的增加,轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng),因此所需風(fēng)扇風(fēng)壓也越高。優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子線圈加工簡(jiǎn)單:轉(zhuǎn)子表面風(fēng)摩損耗較小。缺點(diǎn)是風(fēng)扇結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,風(fēng)扇本身的功率較大:由于冷卻風(fēng)路較長(zhǎng),線圈溫升不均勻度較高。轉(zhuǎn)子線圈水冷是將去離子水流經(jīng)空心轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行冷卻。優(yōu)點(diǎn)是水的比熱容和散熱能力強(qiáng),冷卻能力高。缺點(diǎn)是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)體,要將靜止的水引入轉(zhuǎn)子,冷卻轉(zhuǎn)子繞組后再可靠排出,需要一套復(fù)雜的水路結(jié)構(gòu)件,同時(shí)要保證轉(zhuǎn)子水路的密封性。相對(duì)氣體冷卻,水冷卻轉(zhuǎn)子的冷卻效果好,但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,有發(fā)生漏水事故的風(fēng)險(xiǎn),檢修工作量相對(duì)較大,僅少數(shù)機(jī)組使用該方式。

2.3機(jī)械設(shè)計(jì)

2.3.1結(jié)構(gòu)件機(jī)械強(qiáng)度

轉(zhuǎn)子具有較高的機(jī)械性能以承受其高速旋轉(zhuǎn)的離心力。轉(zhuǎn)子齒、護(hù)環(huán)等均需核算其應(yīng)力水平。齒根直接影響電磁方案的選定,因此電磁計(jì)算與應(yīng)力計(jì)算通常交替進(jìn)行。齒根處承受齒身、齒頭、槽內(nèi)銅線等的離心力,齒根應(yīng)力與齒根尺寸呈反比,為充分利用轉(zhuǎn)子空間,多放有效導(dǎo)體,應(yīng)盡量加大槽截面尺寸,在應(yīng)力滿足安全的條件下齒根尺寸取較小值。護(hù)環(huán)的作用是保護(hù)轉(zhuǎn)子端部繞組,使其不會(huì)因離心力而飛散。護(hù)環(huán)承受轉(zhuǎn)子端部線圈及絕緣塊等的離心力,自身離心力與轉(zhuǎn)軸本體的熱套應(yīng)力共同作用,通過(guò)計(jì)算選擇合理的熱套緊量和護(hù)環(huán)尺寸與結(jié)構(gòu),保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行以及超速試驗(yàn)時(shí)護(hù)環(huán)應(yīng)力滿足材料性能許用要求,同時(shí)護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)軸本體配合面的分離轉(zhuǎn)速高于超速試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。

2.3.2轉(zhuǎn)子振動(dòng)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)直接影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。當(dāng)振動(dòng)超標(biāo)時(shí)將導(dǎo)致軸瓦磨損、漏油,影響汽輪機(jī)的振動(dòng)甚至引起機(jī)組跳機(jī)。轉(zhuǎn)子振動(dòng)的原因主要包括轉(zhuǎn)子熱不平衡,支撐剛度差異,質(zhì)量不平衡,轉(zhuǎn)子本體剛度不均勻等多個(gè)方面。本文僅討論轉(zhuǎn)子自身原因引起的振動(dòng)。

轉(zhuǎn)子熱不平衡即轉(zhuǎn)子受熱后出現(xiàn)的彎曲將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)變化,主要原因是轉(zhuǎn)子不對(duì)稱冷卻和轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻,可以通過(guò)選擇合理的轉(zhuǎn)子冷卻方式解決不對(duì)稱冷卻問(wèn)題,并在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)保證轉(zhuǎn)子線圈的自由膨脹,避免熱應(yīng)力集中。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是指轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸偏離其旋轉(zhuǎn)軸線,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受離心力的作用產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。全轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子下線槽與大齒的抗彎剛度差異將產(chǎn)生兩倍工頻的振動(dòng),該振動(dòng)不利于機(jī)組的安全運(yùn)行,無(wú)法通過(guò)加配重的方法消除,通常在大齒區(qū)間加工月牙槽以平衡與下線槽的剛度差異。月牙槽的切向長(zhǎng)度應(yīng)考慮與相鄰下線槽間的距離,避免負(fù)序電流引起的溫度過(guò)高。在轉(zhuǎn)子本體、聯(lián)軸器、風(fēng)扇座環(huán)等處還應(yīng)設(shè)置平衡螺釘孔或平衡槽,用于抑制因質(zhì)量不平衡引起的轉(zhuǎn)子振動(dòng)。

2.3.3汽輪發(fā)電機(jī)扭振

扭振是指汽輪發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)程中受到擾動(dòng)而引起的機(jī)械力矩與電磁力矩之間的不平衡,該不平衡導(dǎo)致了汽輪機(jī)組軸系的扭振,容易引起軸系疲勞。為了減少發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子扭振對(duì)機(jī)組的影響,使大型發(fā)電機(jī)組能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行,對(duì)大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子扭振計(jì)算及疲勞壽命的評(píng)估具有重要意義,必須對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的扭振進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核,主要的研究方法有Riccati傳遞矩陣法、Proh1傳遞矩陣法和有限元法等。

3結(jié)語(yǔ)

我國(guó)電力工業(yè)正處于大機(jī)組、大電網(wǎng)發(fā)展模式,為了切實(shí)提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率,應(yīng)逐步提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,提高設(shè)備利用率。大型全轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)、通電的結(jié)構(gòu)件,設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)全面計(jì)算分析轉(zhuǎn)子電磁、絕緣、冷卻、溫升、機(jī)械強(qiáng)度、振動(dòng)和扭振等多個(gè)方面,可以有效提升發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的安全性。本文通過(guò)探討轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要素,為今后大型全轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)提供了參考。