大型全转速汽轮发电机转子设计要素探讨

引言

我国电力工业已经进入了大机组、高参数、大电网阶段,汽轮发电机作为主要的供电方式,其单机容量不断增大。然而,大容量发电机由于造价昂贵、结构复杂,一旦发生故障,所需的检修期长,给发电企业造成重大的经济损失。转子作为汽轮发电机的旋转部件,其可靠性将直接影响发电机的安全运行。

1汽轮发电机转子结构

转子是发电机的关键部件,其作用是传递汽轮机供给的负载转矩。当转子轴向槽内绕组通入励磁电流时,随着转子的旋转,将产生强大的旋转磁场,该磁场将汽轮机的机械能通过气隙和定子绕组转化为电能,完成发电机的发电任务。转子还需承受事故状态下的扭矩和高速旋转产生的巨大离心力,主要部件包括转轴、励磁绕组、护环等,如图1所示。全转速汽轮发电机转子额定转速为3000r/min或3600r/min,属于高速旋转、通电的结构件,其横截面如图2所示,设计时需综合考虑电磁绝缘、通风、机械强度、振动和扭振等综合性能。

2转子设计要素

2.1电磁设计

转子作为发电机磁路的重要组成部分,设计时需满足电机电磁设计要求。转轴需具有较高的磁化性能,以降低转子齿部和辄部的磁势压降,减小励磁功率。合理设计转子绕组匝数、槽分度数、槽数以获得较好的转子磁势波形,减少磁场高次谐波在定子表面产生的附加损耗。根据电磁设计的电气参数,选择相应的绝缘等级。目前主要采用磁路解析法和有限元仿真进行电磁核算。

2.2转子冷却设计

根据电磁计算得到转子热负荷,选择合理的转子冷却方式以保证转子线圈温度满足绝缘温升限值要求。大型汽轮发电机转子绕组冷却主要有通风冷却和水冷两种方式。通风冷却是目前转子线圈采用较多的冷却方式,线圈结构简单,维护方便,主要有以下3种形式:

(1）气隙取气斜流通风,定子铁芯采用轴向分区的多风区与之匹配。它是一种自通风的冷却方式,气体循环动力主要来自转子自身的泵压作用,决定转子绕组内气体流量的主要因素是转子槽楔处的进、出风斗的空气动力形状。优点是气体在斜流流道内流速高,流道长,通流面积较大,散热系数高,通风系统的阻力较低:缺点是转子表面及风斗结构复杂,槽楔及线圈加工较为繁琐。该方式多用于大容量的氢冷发电机。(2）副槽径向通风也是一种自通风冷却方式。转子槽底开有副槽,绕组沿轴向开有多个径向风孔,冷却气体依靠转子两端风扇的作用,流经副槽进入线圈径向风道后进入气隙。优点是槽楔和绕组的加工比较简单,转子表面的风摩损耗较小,转子的冷却气体直接来自风扇,转子绕组的温升初始温度低,冷却效果较好,通风系统的阻力较低。缺点是副槽高度占用径向空间,转子磁路容易局部饱和,在容量增大到一定限值时需要更大尺寸的转子与之匹配才能满足转子冷却需求。(3）轴向通风是一种依靠外加高压风扇来提供动力以维持气体在转子绕组内流动的通风冷却方式。气体从转子绕组端部的进风孔进入转子绕组的轴向风道,然后从转子中部的径向出风孔流出。随着电机单机容量的增加,转子长度越来越长,因此所需风扇风压也越高。优点是转子线圈加工简单:转子表面风摩损耗较小。缺点是风扇结构较为复杂,风扇本身的功率较大:由于冷却风路较长,线圈温升不均匀度较高。转子线圈水冷是将去离子水流经空心转子线圈进行冷却。优点是水的比热容和散热能力强,冷却能力高。缺点是汽轮发电机转子是高速旋转体,要将静止的水引入转子,冷却转子绕组后再可靠排出,需要一套复杂的水路结构件,同时要保证转子水路的密封性。相对气体冷却,水冷却转子的冷却效果好,但结构比较复杂,有发生漏水事故的风险,检修工作量相对较大,仅少数机组使用该方式。

2.3机械设计

2.3.1结构件机械强度

转子具有较高的机械性能以承受其高速旋转的离心力。转子齿、护环等均需核算其应力水平。齿根直接影响电磁方案的选定,因此电磁计算与应力计算通常交替进行。齿根处承受齿身、齿头、槽内铜线等的离心力,齿根应力与齿根尺寸呈反比,为充分利用转子空间,多放有效导体,应尽量加大槽截面尺寸,在应力满足安全的条件下齿根尺寸取较小值。护环的作用是保护转子端部绕组,使其不会因离心力而飞散。护环承受转子端部线圈及绝缘块等的离心力,自身离心力与转轴本体的热套应力共同作用,通过计算选择合理的热套紧量和护环尺寸与结构,保证发电机正常运行以及超速试验时护环应力满足材料性能许用要求,同时护环与转轴本体配合面的分离转速高于超速试验转速。

2.3.2转子振动

发电机转子振动直接影响发电机的安全运行。当振动超标时将导致轴瓦磨损、漏油,影响汽轮机的振动甚至引起机组跳机。转子振动的原因主要包括转子热不平衡,支撑刚度差异,质量不平衡,转子本体刚度不均匀等多个方面。本文仅讨论转子自身原因引起的振动。

转子热不平衡即转子受热后出现的弯曲将导致转子平衡状态变化,主要原因是转子不对称冷却和转子线圈膨胀受阻,可以通过选择合理的转子冷却方式解决不对称冷却问题,并在转子结构设计时保证转子线圈的自由膨胀,避免热应力集中。转子质量不平衡是指转子的中心惯性主轴偏离其旋转轴线,转子转动过程中受离心力的作用产生强迫振动。全转速转子下线槽与大齿的抗弯刚度差异将产生两倍工频的振动,该振动不利于机组的安全运行,无法通过加配重的方法消除,通常在大齿区间加工月牙槽以平衡与下线槽的刚度差异。月牙槽的切向长度应考虑与相邻下线槽间的距离,避免负序电流引起的温度过高。在转子本体、联轴器、风扇座环等处还应设置平衡螺钉孔或平衡槽,用于抑制因质量不平衡引起的转子振动。

2.3.3汽轮发电机扭振

扭振是指汽轮发电机组在正常运行过程中受到扰动而引起的机械力矩与电磁力矩之间的不平衡,该不平衡导致了汽轮机组轴系的扭振,容易引起轴系疲劳。为了减少发电机转子扭振对机组的影响,使大型发电机组能够安全稳定地运行,对大型发电机转子扭振计算及疲劳寿命的评估具有重要意义,必须对汽轮发电机转子的扭振进行设计和校核,主要的研究方法有Riccati传递矩阵法、Proh1传递矩阵法和有限元法等。

3结语

我国电力工业正处于大机组、大电网发展模式,为了切实提高发电机的运行效率,应逐步提高发电机运行的稳定性和可靠性,提高设备利用率。大型全转速汽轮发电机转子是高速旋转、通电的结构件,设计时通过全面计算分析转子电磁、绝缘、冷却、温升、机械强度、振动和扭振等多个方面,可以有效提升发电机转子的安全性。本文通过探讨转子设计要素,为今后大型全转速汽轮发电机转子的设计提供了参考。