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　　由于空氣冷卻的汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便，近年來(lái)得到越來(lái)越多的用戶的認(rèn)同，在國(guó)內(nèi)開始迅速發(fā)展。國(guó)內(nèi)廠家自空冷汽輪發(fā)電機(jī)已相繼投人運(yùn)行，150MW發(fā)電機(jī)也在工廠內(nèi)制造成功。

　　我公司在75MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)試制成功和順利投人運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行了完整的總結(jié)，找出了可繼承的成功技術(shù)和需要改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。開始了承制更大容量機(jī)組的準(zhǔn)備工作。2001年，我公司連續(xù)得到山東臨沂、華盛兩個(gè)電站4臺(tái)135MW和山東南山電站2臺(tái)150MW空冷發(fā)電機(jī)的訂單。開始了依靠自己力量開發(fā)研制更大容量空冷發(fā)電機(jī)的工作。

　　我公司經(jīng)過(guò)充分的技術(shù)分析，借助大量的模型試驗(yàn)結(jié)果，完成了發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)不斷的工藝試驗(yàn)和改進(jìn)，開始了機(jī)組的試制工作。2002年9月初，國(guó)內(nèi)首合自行研制的150MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)在我公司順利完成了型式試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)所有技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，莞全滿足長(zhǎng)期安全運(yùn)行的需要。

　　2發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的總體技術(shù)方針在國(guó)外，空冷汽輪發(fā)電機(jī)從60MW級(jí)發(fā)展到150MW級(jí)都是一個(gè)關(guān)鍵的臺(tái)階。它不但關(guān)系到這一容量等級(jí)是否成功，也關(guān)系到是否可以形成繼續(xù)開發(fā)更大容量機(jī)組的技術(shù)基礎(chǔ)。因此，在一開始就需要對(duì)總體技術(shù)方針進(jìn)行了充分的考慮和論證。

　　由于空氣的熱容量和導(dǎo)熱率較低，設(shè)計(jì)空冷汽輪發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵是降低有效部件的損耗，加強(qiáng)這些部位的冷卻。因此，我們首先將技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)放在通風(fēng)研究上。其目標(biāo)是利用適度的風(fēng)量，均勻地冷卻整個(gè)發(fā)電機(jī)，使各部位的溫度都不超過(guò)絕緣允許的水平。其次，定子線棒的發(fā)熱是限制提高發(fā)電容量的關(guān)鍵之一，為此，我們采取了減小損耗、改進(jìn)絕緣和改善冷卻的措施。此外，通過(guò)試驗(yàn)研究確定轉(zhuǎn)子線圈的通風(fēng)冷卻方式也是空冷發(fā)電機(jī)的攻關(guān)項(xiàng)目之一。

　　除此之外，隨著發(fā)電機(jī)容量增加而需要采取的一些措施，如為提高進(jìn)相運(yùn)行能力而采取的降低鐵心端部損耗措施，<為減小機(jī)座和基礎(chǔ)振動(dòng)而采取的鐵心隔振措施，以及為提高發(fā)電承擔(dān)不平衡負(fù)荷能力而增設(shè)阻尼繞組等措施也在設(shè)計(jì)中予以了考慮。

　　3發(fā)串機(jī)的額定參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.1主要參數(shù)發(fā)電機(jī)的主要額定參數(shù)為：型號(hào)額定容功率因數(shù)轉(zhuǎn)速電壓電流短路比冷卻方式定子：空外冷，轉(zhuǎn)子：空內(nèi)冷絕緣等級(jí)F級(jí)（溫升按B級(jí)考核）效率溫度限值定子繞阻矣120（電阻檢溫計(jì)）轉(zhuǎn)子繞阻備115<（電阻法）定子鐵心幻201（電阻檢溫計(jì)）集電環(huán)專120（溫度計(jì)）勵(lì)磁方式靜止可控硅3.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.2.1總體通風(fēng)方式通風(fēng)方式選擇的原則是合理分配冷卻氣流，盡量減小發(fā)電機(jī)的總風(fēng)量（從而減小通風(fēng)損耗），并且盡量使發(fā)電機(jī)得到均勻的冷卻，降低最熱點(diǎn)的溫度，保證發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。根據(jù)75MW發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)國(guó)外機(jī)組通風(fēng)方式的分析，本發(fā)電機(jī)的總體通風(fēng)布置仍然采用了徑向多流通風(fēng)方式。發(fā)電機(jī)定子分為5個(gè)風(fēng)區(qū)，冷、熱風(fēng)區(qū)（即進(jìn)、出分區(qū)）相間布置。冷卻氣體由冷風(fēng)區(qū)鐵心背部進(jìn)入，冷卻定子后的熱風(fēng)從熱風(fēng)區(qū)鐵心背部出風(fēng)，回到冷卻器后再進(jìn)行循環(huán)（見(jiàn)圖化為了對(duì)各風(fēng)道的尺寸、形狀（直接影響風(fēng)阻）作出合理的選擇，我公司不但在75MW發(fā)電機(jī)上進(jìn)行的實(shí)際的通風(fēng)測(cè)試，而且制造了一個(gè)全尺寸的150MW發(fā)電機(jī)靜止通風(fēng)模型。對(duì)機(jī)座、鐵心、氣隙口和轉(zhuǎn)子出風(fēng)的不同風(fēng)道尺寸，不同組合進(jìn)行了多次試驗(yàn)。是通風(fēng)模型的照片。

　　通過(guò)試驗(yàn)，不但了解了影啤風(fēng)路參數(shù)的因素，摸清各風(fēng)路相互影響的關(guān)系，還初步確定了合理的設(shè)計(jì)方案。是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)到的一組機(jī)內(nèi)氣體的流線圖。

　　最后，我們?cè)诎l(fā)電機(jī)進(jìn)行廠內(nèi)試驗(yàn)時(shí)再次進(jìn)行了通風(fēng)測(cè)試，測(cè)得了發(fā)電機(jī)風(fēng)扇前后的壓頭差，各部位的壓頭分布數(shù)據(jù)，還測(cè)得了發(fā)電機(jī)各風(fēng)蹲的風(fēng)量分配和總風(fēng)量。試驗(yàn)證明，各風(fēng)路風(fēng)量和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基本吻合。

　　3.2.2總體布置發(fā)電機(jī)的總體布置是根據(jù)發(fā)電機(jī)的用途，結(jié)合電站的總體布局來(lái)考慮的。由于本發(fā)電機(jī)是與蒸汽輪機(jī)相配（即汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)為高位布置），因而采用了將空氣冷卻器放置在發(fā)電機(jī)下面地坑的布置方。

　　和其他空冷汽輪發(fā)電機(jī)相同，采用了座式軸承布置。由于采用靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，在非傳動(dòng)端設(shè)有電刷裝置。

　　3.2.3定子機(jī)座和鐵心由于兩極汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電磁力會(huì)使鐵心產(chǎn)生4節(jié)點(diǎn)倍頻橢圓振動(dòng)。為了減小定子鐵心振動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的影響和減小發(fā)電機(jī)的噪音，發(fā)電機(jī)定子鐵心與機(jī)座間應(yīng)采用彈性固定。150MW發(fā)電機(jī)定子采用我公司成熟的定子鐵心隔振結(jié)構(gòu)（見(jiàn)）。帶起到了減小基礎(chǔ)振動(dòng)和降低噪音的效果。

　　有彈夙板的定位筋將鐵心振動(dòng)與機(jī)座隔開，此外，在鐵心設(shè)計(jì)時(shí)，還必須考慮到沿。鐵心長(zhǎng)度上風(fēng)量和風(fēng)溫的不均性。為了使鐵心和線圈的溫度沿鐵心長(zhǎng)度上盡量均勻，鐵心的段長(zhǎng)是不均勻的。根據(jù)通風(fēng)試驗(yàn)的結(jié)果，在中部的熱風(fēng)出風(fēng)區(qū)選取了比兩端風(fēng)區(qū)小得多的鐵心段長(zhǎng)，以進(jìn)一步降低此處的鐵心和線圈的溫度。

　　為了減小定子端部的附加損耗和最大限度地降低該區(qū)域的溫度，除定子壓圈，壓指和定子端部結(jié)構(gòu)件采用了非磁性材料外，在發(fā)電機(jī)定子壓圈外設(shè)置了銅屏蔽，這是大型機(jī)組的成熟技術(shù)（見(jiàn)）。

　　發(fā)電機(jī)鐵心壓圈外的銅屏蔽3.2.4定子線圈由于空冷發(fā)電機(jī)定子線圈都采用表面冷卻，線棒的全部損耗必須通過(guò)絕緣傳出。為了降低線棒溫升，線棒的形狀需要設(shè)計(jì)成窄、高形以增加散熱面積。同時(shí)，為了降低絕緣內(nèi)外的溫度差，絕緣也應(yīng)該在安全可靠的前提下適當(dāng)減薄。本發(fā)電機(jī)槽電流超過(guò)7000A，定子槽的深度超過(guò)230mm，上層線棒高度達(dá)120mm，定子絕緣厚度也比原來(lái)同等電壓的發(fā)電機(jī)稍微減薄。

　　在線棒設(shè)計(jì)中，除了通過(guò)選取較低的電流密度來(lái)降低銅線基本損耗外，線棒采用了多根較薄的股線。并且將上層線棒的截面積設(shè)計(jì)得比下層大約20%，以較低的電阻損耗來(lái)彌補(bǔ)上層線棒較大的股線渦流損耗，從而使上、下層線棒的溫度更加接近。

　　如此大截面定子線棒的多根股線感生的漏電勢(shì)不同，通過(guò)合理地選擇換位方式來(lái)減小股線環(huán)流是必須考慮的問(wèn)題。僅僅采用槽內(nèi)360換位已經(jīng)難以減小如此大線棒的股線環(huán)流，具有較好效果的槽內(nèi)540換位在線棒股線數(shù)量較多時(shí)會(huì)出現(xiàn)股線換位節(jié)距過(guò)小而產(chǎn)生制造困難。我們?cè)?50MW發(fā)電機(jī)上采用了在上、下層線棒連接的鼻端處換位的方式。線棒的股線被分成兩組，兩個(gè)股線組間在整個(gè)線棒長(zhǎng)度上，包括鼻端連接處也保持相互絕緣。上、下層線棒在汽輪敘端的鼻端分組正常連接（見(jiàn)左），在滑環(huán)端的鼻端則分組后換位連接（見(jiàn)凼7右）。對(duì)整個(gè)相帶組內(nèi)的繞組來(lái)說(shuō)，兩組間的附加感應(yīng)電勢(shì)被抵消。由于一組股線僅僅相當(dāng)于一個(gè)高度很小的線棒，組內(nèi)股線環(huán)流大大地減小了。

　　發(fā)電機(jī)定子線棒鼻端分組后換位連接3.2.5轉(zhuǎn)子線圈150MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組冷卻仍然沿用在75MW發(fā)電機(jī)上采用的軸向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組線匝用兩根U形銅線組成，上下兩半凹槽相對(duì)合成一匝，形成軸向冷卻風(fēng)道。為了降低轉(zhuǎn)子繞組的溫度，將沿轉(zhuǎn)子全長(zhǎng)的線圈分成六個(gè)獨(dú)立的冷卻風(fēng)路段。冷卻氣體從風(fēng)扇出來(lái)后通過(guò)護(hù)環(huán)下部進(jìn)人，一部分氣流進(jìn)入槽底的副槽，然后分別進(jìn)入第一和第二組銅線徑向孔，在分別通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的線圈軸向風(fēng)道后從槽楔上的徑向孔流人氣隙。另一部分空氣流入繞組端部的風(fēng)道，通過(guò)線圈內(nèi)風(fēng)道冷卻銅線后，從轉(zhuǎn)子本體端部的出風(fēng)口離開轉(zhuǎn)子。在端部長(zhǎng)度較長(zhǎng)的大號(hào)線圈中還設(shè)置了補(bǔ)風(fēng)口，進(jìn)一步降低最熱點(diǎn)的溫度。

　　發(fā)電機(jī)的其他結(jié)構(gòu)，如軸承、集電環(huán)、電刷和冷卻器等結(jié)構(gòu)和其它類型發(fā)電機(jī)相似，這里就不作介紹了。

　　4試制結(jié)果（見(jiàn)表）主要的試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)值和設(shè)計(jì)值的比較項(xiàng)目試驗(yàn)值設(shè)計(jì)值保證值空載勵(lì)磁電流（A）勵(lì)磁短路勵(lì)磁電流（A）短路比數(shù)據(jù)負(fù)載勵(lì)磁電流（A）波形畸變率（％電話諧波因數(shù)（％）機(jī)械損耗（kW）鐵耗（kW）損定子銅耗（kW）耗和效附加損耗（kW）轉(zhuǎn)子銅耗（kW）率勵(lì)磁裝置損耗（kW）總損耗（kW）效率（％）電樞繞組最高K）矣80溫升定塍心最高K）80勵(lì)磁腧平均翻K）矣75集電環(huán)溫度（T）軸瓦溫度（T）85 2002年9月，我公司成功完成了首臺(tái)150MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的型式試驗(yàn)。試驗(yàn)證明該發(fā)電機(jī)的效率、溫升和所有技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，完學(xué)滿足額定出力下長(zhǎng)期安全運(yùn)行的需要。

　　5今后的發(fā)展方向目前國(guó)內(nèi)在大功率空冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制上與國(guó)外還有相當(dāng)大的差距。國(guó)外目前不但早已批量生產(chǎn)配F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的260MW級(jí)空冷發(fā)電機(jī)，原ABB公司還制造出了世界上最大的空冷汽輪發(fā)電機(jī)，其容量達(dá)500MVA.毫無(wú)疑問(wèn)，我公司和國(guó)內(nèi)其他公司將在空冷發(fā)電機(jī)大容量化方面繼續(xù)努力。

　　開發(fā)大容量空冷發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵仍然是降低消耗，加強(qiáng)冷卻。除了在我們已經(jīng)采取的措施基礎(chǔ)上增加發(fā)電機(jī)的尺寸以外，以下一些技術(shù)也是可以考慮的。

　　5.1絕緣技術(shù)的進(jìn)步改進(jìn)定子線棒的發(fā)熱和冷卻始終是大型空冷發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵，其中如何減小絕緣上的溫降是十分重要的。今后，我們主要要改進(jìn)絕緣的電氣性能和制造工藝，盡量減小絕緣厚度，以達(dá)到增加出力的目的。此外，提高絕緣材料的導(dǎo)熱性也是我國(guó)絕緣材料研究和生產(chǎn)部門要進(jìn)一步攻克的目標(biāo)。盡管國(guó)外在空冷發(fā)電機(jī)上較多地采用定子整體真空浸潰，以減小定子線棒和鐵心間的間隙，起到良好散熱的效果，但由于這種定子整體浸潰線圈防電暈效果差，線棒本身的絕緣質(zhì)量不如單根制造的線棒，再加上定子整體真空浸潰設(shè)備投資大，所以更大容量的空冷發(fā)電機(jī)一般不再采用定子整體真空浸潰，而采用單根線棒真空浸潰。

　　5.2逆向通風(fēng)布置眾所周知，如果讓從冷卻器流出的冷風(fēng)經(jīng)風(fēng)扇加壓后再去冷卻發(fā)電機(jī)的有效部件，將由于風(fēng)扇先使氣體溫度升高而使發(fā)電機(jī)有效部件的溫度相應(yīng)增篼，因此更大容量發(fā)電機(jī)應(yīng)該考慮逆向通風(fēng)結(jié)構(gòu)。冷卻器流出的冷風(fēng)從鐵心背部進(jìn)人徑向風(fēng)溝，冷卻了鐵心和線圈的熱風(fēng)流出鐵心進(jìn)人氣隙后與轉(zhuǎn)子排出的熱風(fēng)混合，由軸上的軸流風(fēng)扇從氣隙中抽出后返回冷卻器。這種通風(fēng)方式使定子鐵心和線圈受到最低溫度氣流的冷卻，可獲得較好的冷卻效果，并可降低通過(guò)定子的氣流量，減小通風(fēng)損耗。

　　5.3多支路定子線圈結(jié)構(gòu)由于定子線棒的發(fā)熱和冷卻是大型空冷發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵，除了設(shè)法通過(guò)改進(jìn)絕緣和改進(jìn)通風(fēng)冷卻以外，如果能夠通過(guò)減小單根定子線棒的電流來(lái)減小線棒損耗，將可能得到更加滿意的效果。

　　由于發(fā)電機(jī)的容量?jī)H僅取決于電壓和電流，如果通過(guò)選取較高電壓來(lái)減小定子電流，反而會(huì)帶來(lái)絕緣增厚、絕緣溫度降更大的負(fù)面后果。有的國(guó)外公司想到通過(guò)增加并聯(lián)支路數(shù)來(lái)減小單根線棒的電流。

　　但是，兩極電機(jī)只有采用一個(gè)或兩個(gè)并聯(lián)支路時(shí)才能得到支路對(duì)稱，支路間沒(méi)有環(huán)流的設(shè)計(jì)。通過(guò)仔細(xì)的分析，如果將并聯(lián)支路數(shù)增加到3，再采取適當(dāng)?shù)倪B接方式，可以將支路不對(duì)稱程度盡可能地減小，從而將支路間的環(huán)流減小到可以忽略的程度，大大減小了單根線棒的損耗和降低了線圈的溫度。0是一個(gè)3個(gè)并聯(lián)支路發(fā)電機(jī)的一個(gè)相帶組的槽分組示意圖。一個(gè)相帶組內(nèi)的I2個(gè)槽分成3組，每組的電勢(shì)僅僅在相位上差5度。通過(guò)與另外一個(gè)極下的3組線圈連接，可以使支路電勢(shì)相位相同，幅值相差組0發(fā)電機(jī)定子線圈的3支路連接6結(jié)語(yǔ)大功率空冷汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展不但在世界上已成必然趨勢(shì)，在我國(guó)也將成新的增長(zhǎng)點(diǎn)。我公司將繼續(xù)在這一領(lǐng)域研究開發(fā)，已經(jīng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)開發(fā)、模型試驗(yàn)，以及60MW、75MW和150MW幾個(gè)機(jī)型的研制成功為進(jìn)一步開發(fā)更大容量的空冷發(fā)電機(jī)組打下了良好的基礎(chǔ)。