引言

我國電力工業(yè)已經(jīng)進入了大機組、高參數(shù)、大電網(wǎng)階段,汽輪發(fā)電機作為主要的供電方式,其單機容量不斷增大。然而,大容量發(fā)電機由于造價昂貴、結構復雜,一旦發(fā)生故障,所需的檢修期長,給發(fā)電企業(yè)造成重大的經(jīng)濟損失。轉子作為汽輪發(fā)電機的旋轉部件,其可靠性將直接影響發(fā)電機的安全運行。

1汽輪發(fā)電機轉子結構

轉子是發(fā)電機的關鍵部件,其作用是傳遞汽輪機供給的負載轉矩。當轉子軸向槽內(nèi)繞組通入勵磁電流時,隨著轉子的旋轉,將產(chǎn)生強大的旋轉磁場,該磁場將汽輪機的機械能通過氣隙和定子繞組轉化為電能,完成發(fā)電機的發(fā)電任務。轉子還需承受事故狀態(tài)下的扭矩和高速旋轉產(chǎn)生的巨大離心力,主要部件包括轉軸、勵磁繞組、護環(huán)等,如圖1所示。全轉速汽輪發(fā)電機轉子額定轉速為3000r/min或3600r/min,屬于高速旋轉、通電的結構件,其橫截面如圖2所示,設計時需綜合考慮電磁絕緣、通風、機械強度、振動和扭振等綜合性能。

2轉子設計要素

2.1電磁設計

轉子作為發(fā)電機磁路的重要組成部分,設計時需滿足電機電磁設計要求。轉軸需具有較高的磁化性能,以降低轉子齒部和輒部的磁勢壓降,減小勵磁功率。合理設計轉子繞組匝數(shù)、槽分度數(shù)、槽數(shù)以獲得較好的轉子磁勢波形,減少磁場高次諧波在定子表面產(chǎn)生的附加損耗。根據(jù)電磁設計的電氣參數(shù),選擇相應的絕緣等級。目前主要采用磁路解析法和有限元仿真進行電磁核算。

2.2轉子冷卻設計

根據(jù)電磁計算得到轉子熱負荷,選擇合理的轉子冷卻方式以保證轉子線圈溫度滿足絕緣溫升限值要求。大型汽輪發(fā)電機轉子繞組冷卻主要有通風冷卻和水冷兩種方式。通風冷卻是目前轉子線圈采用較多的冷卻方式,線圈結構簡單,維護方便,主要有以下3種形式:

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

2.3機械設計

2.3.1結構件機械強度

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

2.3.2轉子振動

發(fā)電機轉子振動直接影響發(fā)電機的安全運行。當振動超標時將導致軸瓦磨損、漏油,影響汽輪機的振動甚至引起機組跳機。轉子振動的原因主要包括轉子熱不平衡,支撐剛度差異,質(zhì)量不平衡,轉子本體剛度不均勻等多個方面。本文僅討論轉子自身原因引起的振動。

轉子熱不平衡即轉子受熱后出現(xiàn)的彎曲將導致轉子平衡狀態(tài)變化,主要原因是轉子不對稱冷卻和轉子線圈膨脹受阻,可以通過選擇合理的轉子冷卻方式解決不對稱冷卻問題,并在轉子結構設計時保證轉子線圈的自由膨脹,避免熱應力集中。轉子質(zhì)量不平衡是指轉子的中心慣性主軸偏離其旋轉軸線,轉子轉動過程中受離心力的作用產(chǎn)生強迫振動。全轉速轉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,該振動不利于機組的安全運行,無法通過加配重的方法消除,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。月牙槽的切向長度應考慮與相鄰下線槽間的距離,避免負序電流引起的溫度過高。在轉子本體、聯(lián)軸器、風扇座環(huán)等處還應設置平衡螺釘孔或平衡槽,用于抑制因質(zhì)量不平衡引起的轉子振動。

2.3.3汽輪發(fā)電機扭振

扭振是指汽輪發(fā)電機組在正常運行過程中受到擾動而引起的機械力矩與電磁力矩之間的不平衡,該不平衡導致了汽輪機組軸系的扭振,容易引起軸系疲勞。為了減少發(fā)電機轉子扭振對機組的影響,使大型發(fā)電機組能夠安全穩(wěn)定地運行,對大型發(fā)電機轉子扭振計算及疲勞壽命的評估具有重要意義,必須對汽輪發(fā)電機轉子的扭振進行設計和校核,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結語

我國電力工業(yè)正處于大機組、大電網(wǎng)發(fā)展模式,為了切實提高發(fā)電機的運行效率,應逐步提高發(fā)電機運行的穩(wěn)定性和可靠性,提高設備利用率。大型全轉速汽輪發(fā)電機轉子是高速旋轉、通電的結構件,設計時通過全面計算分析轉子電磁、絕緣、冷卻、溫升、機械強度、振動和扭振等多個方面,可以有效提升發(fā)電機轉子的安全性。本文通過探討轉子設計要素,為今后大型全轉速汽輪發(fā)電機轉子的設計提供了參考。