汽輪發(fā)電機(jī)球墨鑄鐵定子壓圈技術(shù)條件起草人

李文君。

哈爾濱大電機(jī)研究所。

《大型汽輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件(DL\T 843-2010)》由中國電力出版社出版。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對汽輪發(fā)電機(jī)的需求不斷上升。汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫升直接關(guān)系到機(jī)組的性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時還影響發(fā)電機(jī)的壽命和運行的可靠性。汽輪發(fā)電機(jī)溫升計算是汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計的最主要內(nèi)容之一。電機(jī)冷卻的根本任務(wù)在于散發(fā)掉電機(jī)內(nèi)部損耗產(chǎn)生的熱量，使電機(jī)各部溫升維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。大量應(yīng)用氫冷電機(jī)來滿足日益增長的市場需求已經(jīng)成為一種趨勢，對冷卻電機(jī)的設(shè)計及研究的投入顯著增加。許多外文文獻(xiàn)都曾分析了汽輪發(fā)電機(jī)的流場及溫度場。

以某工廠正在研制開發(fā)的AP1000水氫氫冷卻四極汽輪發(fā)電機(jī)定子作為研究對象，對汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)的溫度場進(jìn)行研究。根據(jù)該大型水氫氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子內(nèi)冷卻介質(zhì)的流動特性和電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的特點建立電機(jī)三維流場模型，通過對計算域內(nèi)的模型求解，得到發(fā)電機(jī)內(nèi)發(fā)熱部件的溫度分布情況，確定電機(jī)定子內(nèi)冷卻介質(zhì)的最高溫升位置；根據(jù)以上各計算結(jié)果，著重分析了電機(jī)的主要固體部件，銅線圈、鐵心、磁屏蔽、壓板的溫度分布規(guī)律。

四極汽輪發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

電機(jī)內(nèi)的流體視為不可壓縮流體，流體的流動處于湍流狀態(tài).流動要受到質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制約。湍流流動過程中，實際計算常用方法是瞬態(tài)N－S方程。在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充湍流的脈動動能方程和湍流動能耗散方程。其中應(yīng)用較多的是標(biāo)準(zhǔn)的k－ε兩方程標(biāo)準(zhǔn)模型，選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程標(biāo)準(zhǔn)模型，單位質(zhì)量的脈動動能耗散率的定義為：

四極汽輪發(fā)電機(jī)物理模型和求解條件

1.物理模型

發(fā)電機(jī)定子有48個槽，在周向結(jié)構(gòu)是重復(fù)的，轉(zhuǎn)子有32個槽，為了與轉(zhuǎn)子的一個槽建立對應(yīng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立整機(jī)機(jī)組1/32圓周結(jié)構(gòu)的定子、轉(zhuǎn)子和氣隙的三維模型。其中定子部分包含壓板、磁屏蔽、定子鐵心和線圈，求解物理模型如圖4所示。

2.基本假設(shè)和邊界條件

（1）基本假設(shè)：

①忽略重力和浮力對流體的影響；

②電機(jī)內(nèi)流場中，流體流速遠(yuǎn)小于聲速，即馬赫數(shù)(Ma數(shù))很小，故把流體作為不可壓縮粘性流體處理；

③流體的流動為定常流動狀態(tài)，由于電機(jī)中流體的雷諾數(shù)很大，屬于紊流，因此采用紊流模型對電機(jī)內(nèi)流場進(jìn)行求解；

④線圈主絕緣、層間絕緣各自的材料物性均相同；

⑤電機(jī)內(nèi)各固體部件之間完全接觸，熱源密度按照損耗平均分布考慮；

⑥定子線圈的熱物理性質(zhì)參數(shù)認(rèn)為都是相同的，定子空心線圈中冷卻水帶走的熱損耗相同。

（2）邊界條件：

①材料物性參數(shù)為常數(shù)，鐵心軸向、周向和徑向三個方向的導(dǎo)熱系數(shù)不相同，系數(shù)分別為:1.5W/(m·K)、26W/(m·K)、30W/(m·K)，銅線圈的導(dǎo)熱系數(shù)為387.6W/(m·K)，絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.3W/(m·K)；

②壓強(qiáng)設(shè)置與計算流場時壓力設(shè)置相同，定子鐵心端部風(fēng)室的氫氣入口溫度為318K，定子線圈入口水溫為318K；

③磁屏蔽外表面設(shè)置對流邊界，其余內(nèi)部流體與固體壁面的交界處采用耦合對流邊界，對流系數(shù)由耦合計算自動獲得；

④各個部件的熱源強(qiáng)度由廠方給出的損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行換算之后得到。

四極汽輪發(fā)電機(jī)求解結(jié)果及分析

1.定子磁屏蔽壓板、齒壓板溫度場分析

用來固定磁屏蔽及定子鐵心的磁屏蔽壓板和齒壓板，其物理屬性與定子鐵心軛部、齒部材料設(shè)置相同。壓板本身沒有熱量產(chǎn)生，但是在磁屏蔽及定子鐵心溫度的共同作用下，壓板會有一定程度的溫升，其溫度場示意圖如圖5所示。

在設(shè)置齒壓板的頂端與磁屏蔽外表面邊界條件時，考慮到壓板外表面是有氣流的冷卻作用因此設(shè)置為對流換熱邊界條件。

由圖2中顏色分布的情況可以明顯的看出外表面受氫氣冷卻的作用，溫度較低;而壓板內(nèi)側(cè)直接與溫度較高的磁屏蔽接觸，溫度有所上升，汽端溫度最大值約為354K；由于氫氣運動到勵端時溫度有所上升，換熱溫差有所減小，使得勵端齒壓板溫度明顯高于汽端齒壓板溫度，最大溫度值約為368K；而勵端外表面對流換熱系數(shù)較汽端大，使得出現(xiàn)汽端磁屏蔽壓板溫度稍高于勵端，最低溫度值范圍小于勵端最低溫度值范圍。

2.定子磁屏蔽溫度場分析

在定子里，發(fā)熱量較大的為磁屏蔽部分和線圈。線圈是用冷卻水冷卻的，雖然單位發(fā)熱量大，但單位換熱量也大，因此線圈在定子中的溫度并不是最高的;磁屏蔽相對體積小，發(fā)熱量大，靠軸向和徑向通風(fēng)，可徑向通風(fēng)效果不好，冷卻性能較低，因此磁屏蔽的溫升較高。如圖6所示。汽端磁屏蔽的最高溫度約為362K，在較大直徑處，此位置距離定子通風(fēng)孔較遠(yuǎn)，冷卻效果不佳.在靠近軸向通風(fēng)孔區(qū)域，由于受到冷卻介質(zhì)的冷卻作用，冷卻效果明顯，磁屏蔽溫度相對較低。處于風(fēng)路末端的磁屏蔽，氫氣溫度升高，冷卻效果減弱，軸向通風(fēng)附近的固體溫度約為355K，明顯高于汽端軸向通風(fēng)部分的331K。勵端磁屏蔽最高溫度為383K，是在較小半徑位置，此處離軸向風(fēng)路相對較遠(yuǎn)，熱量不能被及時帶走，同時氫氣的冷卻效果也不好；試驗測定的磁屏蔽最高溫度值為385K，在誤差允許的范圍內(nèi)，認(rèn)為計算準(zhǔn)確，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)合理。

3.定子鐵心溫度場分析

由于熱源強(qiáng)度的差別，在對溫度場進(jìn)行物理建模時，要將定子鐵心分成軛部和齒部兩部分，設(shè)置求解條件時分別進(jìn)行設(shè)置。

定子鐵心軛部溫度場如圖7所示，溫度低的一端為汽端為319K，沿軸向溫度逐漸增加，溫度最高處是定子鐵心勵端靠近齒部部分為370K；定子鐵心汽、勵兩端各有兩個徑向風(fēng)路，冷卻效果相對較好，圖7中明顯可以看出定子鐵心軛部整體的平均溫度不高；到達(dá)勵端氫氣由于溫升的影響，冷卻效果下降，同時軛部較小半徑部位與齒部相連，因此看到圖7中溫度最高的位置。

定子鐵心齒部溫度場如圖8所示，定子鐵心齒部的溫度走勢與軛部的溫度走勢大致相同，汽端溫度最低，沿軸向溫度逐漸升高，勵端溫度最高，溫度值約為372K。徑向風(fēng)路部分的溫度值低于周圍位置的溫度值；由于齒部的熱源強(qiáng)度相對較大，因此溫度增加走勢較快，大約在冷卻氣體行程1/3位置處速度已經(jīng)開始大范圍、大幅度增加。

4.定子線圈及冷卻水溫度分析

定子銅線圈采用水冷，空心線圈中水流速在2.06m/s～2.11m/s之間浮動。雖然定子銅線圈的熱源強(qiáng)度很大，但是水的蓄熱能力強(qiáng)，冷卻效果很好，流經(jīng)銅線圈的冷卻水可以將大量的熱及時帶走，以此來保證銅線圈絕緣的溫升不會過高。定子線圈由上層線圈和下層線圈組成，上層線圈的空心股線行數(shù)×列數(shù)為4×6，下層線圈的空心股線行數(shù)×列數(shù)為4×5，本機(jī)定子共有48個槽，模型是整機(jī)機(jī)組1/32，因此定子模型含有一個完整的定子槽和一個半個定子槽。由圖9線圈入口截面溫度場可知，入口處冷卻水的溫度值為318K，銅線圈的溫度和冷卻水的溫度相近，溫度值約為319 K。線圈出口截面溫度場如圖10所示，冷卻水溫度由入口向出口方向逐漸增加，溫度在出口處達(dá)到最大值，最大值約為350K；銅線圈的溫度分布與冷卻水的溫度分布相似，線圈的最低溫度在勵端，沿著水流方向銅線圈溫度均勻增加，最高溫度出現(xiàn)于汽端，溫度值約為354K。

冷卻水溫度分布與銅線圈溫度分布情況大致相同，但在數(shù)值上有細(xì)微的差別。圖10所示可以明顯看出出口水溫與銅溫度的差別，銅線圈的溫度略高于冷卻水的溫度，使得銅線圈產(chǎn)生的熱量不斷的被冷卻水帶走，靠近空心線圈部分的冷卻效果較好，使得該部分的溫度要低于遠(yuǎn)離空心線圈的銅的溫度，在遠(yuǎn)離空心線圈方向溫度逐漸增加，但數(shù)值相差不大。

四極汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)論

建立四極水氫氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子溫度場模型，根據(jù)求解條件，計算得到冷卻介質(zhì)和固體部件的溫度場分布如下：

1)定子汽端壓板溫度最大值約為354K；勵端為氣體行程末端，使得勵端齒壓板溫度明顯高于汽端齒壓板溫度，最大溫度值約為368K，壓板外側(cè)為對流換熱面，溫度降低。

2)汽端磁屏蔽的最高溫度值為362K，勵端磁屏蔽的最高溫度值為383K，設(shè)計方試驗得到的磁屏蔽最高溫度值為385K，誤差在允許的范圍內(nèi)。

3)定子鐵芯整體沿冷卻氣體行程逐漸升高，而齒部軸向溫升較快；軛部溫度場最高溫度出現(xiàn)于冷卻風(fēng)路行程末端靠近齒部部分，溫度值約為370K；齒部最高溫度出現(xiàn)于徑向風(fēng)路前端，溫度值約為372K。

4)定子中冷卻水的最高溫度出現(xiàn)于出口處，最高溫度值為350K，與試驗值353K的誤差在允許的范圍內(nèi)；定子線圈的溫度分布與冷卻水的溫度分布相似，最高溫度值為354K，與試驗值362K的誤差在允許的范圍內(nèi)。 2100433B

火力發(fā)電廠或核能發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機(jī)皆采用臥式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)、勵磁機(jī)等配套組成同軸運轉(zhuǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)組。汽輪發(fā)電機(jī)最基本的組成部件是定子、轉(zhuǎn)子、勵磁系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

定子

汽輪發(fā)電機(jī)的定子如圖2所示，由定子鐵芯、定子繞組、機(jī)座等部件組成。

(1)定子鐵芯。定子鐵芯是構(gòu)成磁路并固定定子繞組的重要部件，通常由0.5mm或3.5mm厚、導(dǎo)磁性能良好的冷軋硅鋼片疊壓而成。大型汽輪發(fā)電機(jī)的定子鐵芯尺寸很大，硅鋼片沖成扇形，再用多片拼裝成圓形。

(2)定子繞組。定子繞組嵌放在定子鐵芯內(nèi)圓的定子槽中，分三相布置，互成120°角度，以保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時在三相定子繞組中產(chǎn)生互成120°相位差的電動勢。每個槽內(nèi)放有上下兩組絕緣導(dǎo)體(亦稱線棒)，每個線棒分為直線部分(置于鐵芯槽內(nèi))和兩個端接部分。直線部分是切割磁力線并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的導(dǎo)體有效邊，線棒端接部分則起到連接作用，把相關(guān)線棒按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成發(fā)電機(jī)的定子三相繞組。中、小型汽輪發(fā)電機(jī)的定子線棒均為實心線棒，而大型汽輪發(fā)電機(jī)由于散熱的需要，多采用內(nèi)部冷卻的線棒，譬如由若干實心線棒和可通水的空心線棒并聯(lián)組成。

(3)機(jī)座及端蓋。機(jī)座的作用是支撐和固定發(fā)電機(jī)定子鐵芯。機(jī)座一般用鋼板焊接而成，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，并能滿足通風(fēng)散熱的要求。端蓋的作用是將發(fā)電機(jī)本體的兩端封蓋起來，并與機(jī)座、定子鐵芯和轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成發(fā)電機(jī)內(nèi)部完整的通風(fēng)系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)子

汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子如圖3所示，主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、勵磁繞組(轉(zhuǎn)子繞組)、護(hù)環(huán)和風(fēng)扇等組成，是汽輪發(fā)電機(jī)最重要的部件之一。由于汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子受的離心力很大，所以轉(zhuǎn)子都呈細(xì)長形，且制成隱極式的，以便更好地固定勵磁繞組。

(1)轉(zhuǎn)子鐵芯。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本體采用高強(qiáng)度、導(dǎo)磁性能良好的合金鋼加工而成。沿轉(zhuǎn)子本體表面軸向銑出用于放置勵磁繞組的凹槽。槽的排列方式一般為輻射式，槽與槽之間的部分為齒，俗稱小齒。未加工的部分通稱大齒，大齒作為磁極的極身，是主磁通必經(jīng)之路。

(2)勵磁繞組。勵磁繞組為若干個線圈組成的同心式繞組，線圈則用矩形扁銅線繞制而成。勵磁繞組放在槽內(nèi)后，繞組的直線部分用槽楔壓緊，端部徑向固定采用護(hù)環(huán)，軸向固定采用云母塊和中心環(huán)。勵磁繞組的引出線經(jīng)導(dǎo)電桿連接到集電環(huán)上，再經(jīng)過電刷引出。

(3)護(hù)環(huán)和中心環(huán)。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，勵磁繞組端部承受很大的離心力，所以要用護(hù)環(huán)和中心環(huán)來緊固。護(hù)環(huán)把勵磁繞組端部套緊，使繞組端部不發(fā)生徑向位移和變形；中心環(huán)用以支持護(hù)環(huán)，并防止端部的軸向移動。

(4)集電環(huán)。集電環(huán)分為正、負(fù)兩個集電環(huán)，由堅硬耐磨的合金鍛鋼制成，裝于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵磁端外側(cè)。正、負(fù)兩個集電環(huán)分別通過引線接到勵磁繞組的兩端，并借電刷裝置引至發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)上。

(5)風(fēng)扇。風(fēng)扇裝于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩端，用以加快氣體在定子鐵芯和轉(zhuǎn)子部分的循環(huán)，提高冷卻效果。

冷卻系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)運行時，其內(nèi)部產(chǎn)生的各種損耗會轉(zhuǎn)化為熱能，引起發(fā)電機(jī)發(fā)熱。尤其是大型汽輪發(fā)電機(jī)，因其結(jié)構(gòu)細(xì)長，中部熱量不易散發(fā)，發(fā)熱問題更顯得嚴(yán)重。如果發(fā)電機(jī)溫度過高，會直接影響絕緣的使用壽命，因此冷卻對于大型汽輪發(fā)電機(jī)是非常重要的問題。

勵磁系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)的主要作用是：

①發(fā)電機(jī)正常運轉(zhuǎn)時，按主機(jī)負(fù)荷情況供給和自動調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持一定的端電壓和無功功率的輸出。

②發(fā)電機(jī)并列運行時，使無功功率分配合理。

③當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生突然短路故障時，能對發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵，以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。短路故障切除后，使電壓迅速恢復(fù)正常。

④當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷突減時，能進(jìn)行強(qiáng)行減磁，以防止電壓過分升高。

⑤發(fā)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障，如匝間短路或轉(zhuǎn)子發(fā)生兩點接地故障時，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)自動減磁或滅磁。