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空冷發(fā)電機強度分析
來源:cdfbk.cn    時間:2022-01-07 10:02    點擊:167   編輯:admin

  1 前言  ? 隨著聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)產(chǎn),、燃汽輪機發(fā)電機組及調(diào)峰機組的增加,,對中等容量發(fā)電機組的需要越來越多,因此提高該類電機的性能和經(jīng)濟性,,是電機工作者關心和追求的目標,。  ? 從上世紀中期開始,,人們把冷卻介質(zhì)由空氣轉(zhuǎn)向氫氣和水,,使電機的冷卻效果發(fā)生了飛躍,同時也使更大容量的汽輪發(fā)電機不斷被研制出來,。目前,,國外汽輪發(fā)電機的最大單機容量已達1710MVA(4極)和1412MVA(兩極)。我國在引進吸收和消化國外先進技術的基礎上對原有電機進行了改型和優(yōu)化設計,,并相繼開發(fā)和研制出多種新型電機,。在1986年制成300MW雙水內(nèi)冷和全氫冷型汽輪發(fā)電機的基礎上,1989年又試制成功優(yōu)化型300MW水氫氫冷汽輪發(fā)電機,,并投入運行,。600MW的單機也逐步進入一些大的電力系統(tǒng)。這些電機的一些主要性能已經(jīng)達到當今的國際水平,?! ? 與空冷汽輪發(fā)電機相比,氫冷汽輪發(fā)電機的設計和制造成本較高,,它需要一個耐壓機座,、特殊的密封裝置和附加的冷卻氣體處理設備,另外與氫氣打交道的人員還要經(jīng)過專門培訓,?! ?雖然相同容量的空冷發(fā)電機的體積較大,但許多方面空冷還是有優(yōu)勢的,,如輔機系統(tǒng)少,、安裝維護方便、運行費用低等。另外因沒有在打開電機前和重新充氫時要用CO2沖刷置換的工藝過程 ,,空冷發(fā)電機的檢修時間較短,,操作也簡單。因而,,發(fā)電機采用空冷雖然效率略低于氫冷,,但其總體經(jīng)濟效益提高了。為此,,當前發(fā)電機的發(fā)展趨勢之一便是在中大型的汽輪發(fā)電機中采用空氣作為冷卻介質(zhì),。而如何實現(xiàn)這一目標則是科技工作者要研究的課題?! ? 國內(nèi)大容量空冷汽輪發(fā)電機的研制工作起步較晚,,與國外大公司相比有較大差距。目前,,國內(nèi)容量最大的空內(nèi)冷汽輪發(fā)電機就是本文所述的濟南發(fā)電設備廠研制的135MW的空冷汽輪發(fā)電機,。  ? 以前,,空冷發(fā)電機的容量僅能做到30MW以下,。1989年,濟南發(fā)電設備廠開始引進ABB技術,。1992年,,第一臺50MW空冷汽輪發(fā)電機試制成功。1994年,,一臺60MW的空冷汽輪發(fā)電機在深圳南山電廠并網(wǎng)運行,。1999年,,一臺100MW的空冷發(fā)電機在吉林四平熱電廠運行成功,。目前,第一臺135MW的空冷汽輪發(fā)電機已在山東里彥電廠并網(wǎng)運行,。該廠空冷發(fā)電機單機容量演化情況見圖1,。  ??????????????????????????????  ? 空冷的冷卻能力比氫冷差,,而且損耗大,、效率低,因而增加空冷發(fā)電機容量的主要難題就是抑制線圈溫度和降低包括風耗在內(nèi)的各種損耗及解決材料強度的限制,。在對135MW空冷汽輪發(fā)電機的研制中,,借助了最新的熱力學分析技術、結構分析技術和電磁分析技術,,通過采用先進的通風系統(tǒng)和科學合理的結構以及恰當?shù)墓に嚪椒?,解決了這些難題,實現(xiàn)了在較大容量汽輪發(fā)電機中使用空氣作為冷卻介質(zhì)的目標。試驗表明,,已達到當今國際水平,。  2 發(fā)電機主要數(shù)據(jù)  3 基本結構  ? 該發(fā)電機根據(jù)積木塊原理,,按機座號進行設計,。發(fā)電機定子采用空外冷,轉(zhuǎn)子繞組為空內(nèi)冷,。冷卻空氣由發(fā)電機的兩端軸流式風扇驅(qū)動形成密閉循環(huán)回路,。采用分離式座式軸承、整體轉(zhuǎn)子鍛件,、無刷勵磁系統(tǒng),,結構緊湊合理(見圖2)?! ?.1 定子部分  3.1.1 定子鐵心  ?定子鐵心采用外壓裝結構,。外壓裝使得觀察疊壓情況非常直觀,調(diào)節(jié)也極方便,,可使鐵心各部分的疊壓緊度相同,,兩個端面平行度保持在1mm以內(nèi),全長的彎曲不超過0.4mm,,保證了鐵心疊壓的高質(zhì)量,。定子鐵心壓圈采用非磁性的硅鋁合金制成,除具有良好的機械性能外,,壓圈在鐵心端部形成了良好的屏蔽,,降低了發(fā)電機的端部損耗。另外,,鐵心的彈性支撐使結構噪聲明顯減小,,例如振幅減半,可使噪聲降低6dB(A),。電機噪聲的絕大部分是氣動噪聲,,它主要是由風扇和自通風轉(zhuǎn)子產(chǎn)生。由于直徑較大,,新型發(fā)電機氣動噪聲在沒有任何相應措施的情況下將非常突出,。因此,在定子機座的端部區(qū)域采取特殊的防音措施以吸收氣動噪聲并減弱向周圍的傳播,。小的開口和縫隙會特別不利,,因為噪聲可以不受阻礙地向周圍傳播,因此,,亦采取措施以保證機座盡可能地隔音,。這些措施的作用在試驗期間得到驗證,。按照DIN45635,在額定轉(zhuǎn)速和額定電壓下所測的噪聲等級為94dB(A),,此值同純機械運行獲得值幾乎一致,。最終證明鐵心的振動有效地從機座隔開了?! ?.1.2 定子繞組  ? 定子線棒絕緣全部采用F級少膠云母帶包扎,,VPI真空壓力浸漬,提高了絕緣的行性,,絕緣壽命可達40年,,介電性能與整體性能較好。定子線圈端部采用L型并頭套(圖3),,焊接采用銀焊,,提高了焊接質(zhì)量?! ???????????????????????  3.1.3 VPI系統(tǒng)  ? 發(fā)電機的定子線棒絕緣采用少膠云母帶綁扎,,真空壓力浸漬系統(tǒng)(簡稱VPI),整個生產(chǎn)流水線的自動化水平很高,。該絕緣系統(tǒng)的耐熱等級為F級,。該絕緣系統(tǒng)介電性優(yōu),整體性能好,,提高了產(chǎn)品的耐用性和可靠性,,具有當今國際先進水平。鑒于該部分是發(fā)電機定子的關鍵技術,,將在下一章進行專門的研究,。  3.1.4 防暈結構  ? 發(fā)電機防暈結構采用外防暈的形式,,就是用不同電阻率的防暈帶使線圈表面的電位梯度分布均勻,。并且線圈不同部位,所用防暈帶也不同,。因為線棒出槽口處電場十分集中,,最易發(fā)生電暈,,因此,,從槽口低阻層開始包扎一定長度的防暈層,改善槽口的電場分布,,提高槽口起暈電壓,。  3.1.5 定子的雙機座結構  ? 發(fā)電機定子鐵心與機殼聯(lián)結非常獨特,,采用懸掛式彈性聯(lián)接,,稱雙機座結構(圖4),。整個鐵心僅有幾個帶耳朵狀的環(huán)通過管子與外機座焊接。此彈性聯(lián)結用來減弱切向振動,,而徑向振動通過外機座的薄鋼板來吸收以達到隔振效果,。定子機座采用薄鋼板焊接的上下兩半結構。由于機座不但要承受定子的重量,,引導空氣的流動,,而且還要吸收定子在運行時產(chǎn)生的振動,因此,,機座的焊接工藝和質(zhì)量要求非常嚴格,。  ???????????????????????????  3.2 轉(zhuǎn)子部分  ? 轉(zhuǎn)子的主要部件是轉(zhuǎn)子本體,、轉(zhuǎn)子繞組,、阻尼系統(tǒng)、護環(huán),、風扇等,。轉(zhuǎn)子本體是一個帶有聯(lián)軸器的整體鍛件,在勵磁機端有一個中心盲孔,,用于裝配勵磁引線,。  ? 轉(zhuǎn)子護環(huán)采用高度抗腐蝕能力的材料18Mn18C制成,。護環(huán)以懸掛結構安裝在轉(zhuǎn)子本體上,。這種結構可使繞組中熱膨脹所產(chǎn)生的應力不能傳遞到軸上?! ? 風扇為軸流式風扇,,風葉由硅鋁合金鍛造而成,葉片采用螺栓安裝到風扇環(huán)上,,風葉的俯仰角根據(jù)冷卻所需風量而定,。  ? 轉(zhuǎn)子采用空內(nèi)冷,,轉(zhuǎn)子繞組由空心導線組成,。導線上具有進出風口,由空氣直接冷卻導線,,提高了冷卻效果,。因為空內(nèi)冷發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組在運行時,除了承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力外,,還要承受因銅線間溫度差異,,與本體和絕緣材料之間的熱膨脹不同所產(chǎn)生的熱應力。如果這些應力總和超過了銅線的屈服極限,,就會產(chǎn)生永久變形,,引起匝間短路,,振動增大,通風面積減少,,甚至通風道錯位造成堵塞,。轉(zhuǎn)子線圈在本體中部用絕緣銷與轉(zhuǎn)子本體固定,槽絕緣與繞組之間以及最上層導體和與之接觸的槽帽之間均刷了一層潤滑漆,,護環(huán)絕緣與端部銅線之間同樣涂一層潤滑漆,。運行時在離心力的作用下,轉(zhuǎn)子繞組可看成一個整體,,各匝間不會產(chǎn)生相對位移,,熱膨脹和收縮時轉(zhuǎn)子線圈就能整體地在槽中心向兩端軸向伸縮,消除了轉(zhuǎn)子銅線的熱應力,。另外,,轉(zhuǎn)子線圈采用的含銀冷拉銅線,具有較高的抗蠕變強度,,而設計時的銅線應用應力遠遠小于銅線的屈服強度,,成功地解決了轉(zhuǎn)子繞組的有害變形問題?! ?.3 軸承  ? 該發(fā)電機采用分離式座式軸承,。在發(fā)電機的每一端都有一個φ315座式軸承,勵磁機后面有一個φ160座式軸承,。軸承由水平分開的兩半組成,。軸瓦是鋼制的,內(nèi)襯巴氏合金,。每個軸承都有一個頂軸高壓油裝置,,以便在開機時減少軸承摩擦,便于啟動,。為防止軸電流通過軸承,,發(fā)電機勵端采用具有絕緣結構的軸承。絕緣附加在軸承環(huán)和軸承座之間,,擋油環(huán)和頂軸高壓油聯(lián)結裝置也有絕緣,。  3.4 測量部分  ? 定子繞組和定子鐵心各有6個PT100的電阻測溫元件圍繞圓周平均分布,,以便在運行中檢測各處的溫度,。  ? 每個冷風區(qū)里有電阻溫度計PT100,,用于遙測觀察進風溫度或接信號器,。在每條熱風區(qū)里有一個電阻溫度計PT100,,用于遙測或引出信號,。在每條熱風區(qū)里還有一個溫度計并帶有電接點,。  ? 每個軸承出油口處裝有指針式溫度計并帶有電接點,,以便觀測油溫或給出報警信號,。軸瓦上也裝有溫度計來測量軸瓦溫度?! ??在熱風區(qū)有一個溫度計并帶有電接點,,另設一只PT100電阻溫度計?! ? 以上各接線端均配在發(fā)電機汽端的接線盒內(nèi)以供安裝時集中接線,。  3.5 勵磁部分  ? 135MW空內(nèi)冷汽輪發(fā)電機的標準設計采用WBT95-2型無刷勵磁系統(tǒng),,包括交流勵磁機,、副勵磁機、旋轉(zhuǎn)二極管整流器AVR,。采用單整流環(huán)全波整流,,旋轉(zhuǎn)整流器的二級管采用阻容保護。勵磁機磁場回路中裝有二極管磁場繼電器,,間接地監(jiān)視整流橋,,以便在二極管萬一阻斷或擊穿時,使發(fā)電機迅速跳閘,,以保護其它二極管自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng),。AVR有雙通道,其性能可滿足發(fā)電機獨立運行和并網(wǎng)運行多種工況較高的需求,。其雙通道勵磁系統(tǒng)由兩個獨立的通道系統(tǒng)組成,。一個通道處于運行狀態(tài),它完成發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié),,稱主通道,。備用通道裝有控制和跟蹤系統(tǒng),在勵磁過程中,,主通道的工作一直被監(jiān)視,,并且自動跟蹤備用通道,隨主通道工作點調(diào)整,,保證主通道從測量到輸出之間發(fā)生故障時,,主通道能平滑地,無擾動地向備用通道切換,,整個系統(tǒng)不但具有較高的自動化水平,,而且具有良好的可靠性?! ?.6 通風部分  ? 整個電機的冷卻系統(tǒng)有兩套對稱回路與轉(zhuǎn)子兩端的軸流式風扇相對應,。轉(zhuǎn)子主要有兩部分氣流來冷卻,。一部分為進入氣隙的冷卻空氣來冷卻轉(zhuǎn)子表面。另一部分為從護環(huán)下面進入轉(zhuǎn)子導體內(nèi)部的氣流,。其氣流又分為兩路,,一路進入導體端部,然后由本體端部大齒上的月牙槽進入氣隙,,另一路由導體端部進入導體內(nèi)部,,沿軸向流向?qū)w中部,然后由導體中的圓孔徑向進入氣隙(見圖5),?! ??????????????  ??????????????  ? 部分定子冷卻空氣直接進入氣隙并在此處與來自轉(zhuǎn)子端部線圈的冷卻空氣匯合,流經(jīng)鐵心中的徑向通風溝,,鐵心中間有一30mm的通風道,。然后排入機座氣室中,經(jīng)冷卻器冷卻返回風扇,,重新投入循環(huán),。  ? 另一路氣流冷卻定子端部線圈后沿軸向風道進入機座第2室,,經(jīng)鐵心疊片進入氣隙,,并再次分流。一半沿進風方向折回第1氣室,;另一半與來自機組中部的轉(zhuǎn)子冷卻空氣匯合,,再沿疊片,經(jīng)第3氣室和第2冷卻器返回風扇,?! ? 為防止長期運行后,由于冷卻空氣泄漏等原因而造成風量不足,,特在機殼外端蓋上又設置了兩個空氣過濾器,,隨時補充因泄漏而減少的空氣?! ? 主要試驗  4.1 超速試驗  ? 1.2倍額定轉(zhuǎn)速(3600r/min)下2min,,在冷態(tài)下進行,不得發(fā)生有害變形,。為了檢查轉(zhuǎn)子在超速過程中是否發(fā)生匝間短路等現(xiàn)象,,在下列4種情況下測量轉(zhuǎn)子繞組的阻抗及對地電阻值:①超速前轉(zhuǎn)子靜止時;②升速過程中到額定轉(zhuǎn)速時,;③超速后回到額定轉(zhuǎn)速時,;④超速后轉(zhuǎn)子靜止時。在超速過程中應測量兩端軸承振動值額定轉(zhuǎn)速時不大于0.038mm,1.2倍額定轉(zhuǎn)速時不大于0.12mm(雙振幅),?! ? 軸承座振動值見表2。臨界轉(zhuǎn)速見表3,?! ??????????????????????  ????????????????????????  ?  關于轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速,,國標規(guī)定:發(fā)電機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速應避開額定轉(zhuǎn)速的10%,。從超速試驗的結果可知,其臨界轉(zhuǎn)速都在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi),?! ?.2 耐壓試驗  ? 直流耐壓??????48300V 60s 合格;  ? 交流耐壓定子 28600V 60s 合格,;  轉(zhuǎn)子 2330V 60s 合格,;  4.3 空載短路特性試驗  4.3.1 發(fā)電機空載特性  ? 在額定轉(zhuǎn)速下,定子供給他勵電源,,在滑環(huán)上測量整流后的直流電壓,,使之達到被試電機頂值電壓,1min后再降到零,。在上升和下降過程中各測7~9點,,記錄勵磁電壓、電流,、轉(zhuǎn)子電壓,、轉(zhuǎn)速等(表4),并以勵磁電流和電壓為坐標繪制特性曲線,?! ?.3.2 發(fā)電機短路特性  將被試電機在定子引出線端三相短路,拖動到額定轉(zhuǎn)速,,調(diào)節(jié)勵磁電流使定子電流達到額定值的125%,,然后逐漸減少勵磁電流,依次記錄7~9點的定子電流,、激磁電壓,、激磁電流各值(表5)?! ? 發(fā)電機空載短路特性見圖6,。  ???????????????????????????????  通過空載短路特性數(shù)據(jù)及其特性曲線可知,,該電機的飽和度較適中,,因為如果設計得太飽和將  使勵磁繞組用銅太多,而且電壓調(diào)節(jié)也較困難;如果飽和度太低,,則負載變化時電壓變化較大,,并且磁密偏低表示硅鋼片的利用率較低,電機鐵心消耗材料較多,?! ?.4 效率的測量  空載損耗/kW 903.8  ? 定子繞組的基本銅耗/kW 160.8  ? 磁損耗/kW 417.2  ? 雜散損耗/kW 199.2  ? 總損耗/kW 1682.0  ? 效率/% 98.77  ? 該機效率值接近氫冷汽輪發(fā)電機的效率,是比較理想的,?! ?.5 參數(shù)測定  ????????????????????????  ?????????????????????????????  5 結束語  ? 以上就135MW空冷汽輪發(fā)電機的主要參數(shù)、技術特點,、結構特點和試驗結果作了描述,。為設計這臺空冷發(fā)電機,對結構設計,、通風系統(tǒng)的研究作了大量的工作,。通過工廠試驗,認為樣機的試驗結果與設計方案是吻合的,,部分指標超出了國家標準,,滿足了用戶的需要。這為今后開發(fā)設計出更大單機容量的空冷發(fā)電機提供了經(jīng)驗,?! ? 隨著科技的進步,一些新工藝,、新材料不斷被用于空冷汽輪發(fā)電機的制造上,,再加上增大單機容量可降低發(fā)電機的造價和材料消耗量,降低電廠的基建安裝費用及運行費用,,同時為滿足社會對空冷汽輪發(fā)電機的需求,,國內(nèi)外的電機制造商會加大開發(fā)力度,相信今后會有更大容量的空冷汽輪發(fā)電機產(chǎn)生,。國內(nèi)最大的空冷汽輪發(fā)電機生產(chǎn)基地(濟南發(fā)電設備廠)正在建設的重型發(fā)電機車間,,就是為開發(fā)200MW~300MW空冷汽輪發(fā)電機做準備的。相信經(jīng)過電機工作者的努力,,國內(nèi)空冷發(fā)電機的容量與國外的差距會逐漸縮小,。