汽輪發電機轉子相關問題探討

黃帥

摘 要：早期汽輪發電機的轉子都是以空氣作介質進行表面冷卻。近年來，汽輪發電機容量的增大主要通過增加電磁負荷實現。但增加電磁負荷的同時也加大線棒銅耗，繞組的溫度會不斷升高，嚴重時甚至超過容許溫升。為此，必須采用有效技術，將汽輪發電機轉子的溫升控制在可承受范圍內，確保其安全穩定的工作與運行。

關鍵詞：汽輪發電機；轉子；相關問題

自改革開放以來，我國的國民經濟迅猛發展，對電力的需求也在不斷增加。作為電能的直接生產者，汽輪發電機的發展在電力工業中占有舉足輕重的地位，其發展歷史是在結構設計和制造技術上不斷地改進和創新，尤其體現在轉子相關問題的研究上。

1 汽輪發電機轉子常見的相關問題

1.1 汽輪發電機轉子流量、溫度分布特點

汽輪發電機轉子在運行時會不可避免的產生摩擦，一般來說空冷汽輪發電機轉子的冷卻介質都是空氣，而摩擦所產生的損耗會通過熱傳遞的方式影響周圍的冷卻介質，因此汽輪發電機溫度場的分布會對轉子風道內冷卻介質的流場分布產生很大的影響。當汽輪發電機轉子運行時，溫度過高造或溫度分布不均會引起發電機振動的情況，這也是發電機發生故障的預兆。所以要保障一臺汽輪發電機的正常運行，就需要使其轉子內部各部件的溫度不超過絕緣材料所允許的最大限度，保障溫度分布均勻，杜絕局部過熱的現象，這也是汽輪發電機轉子設計的宗旨。所以設計者在選擇最佳冷卻方案時，往往會比較不同方案的流量分布，預測出高溫區所在位置及溫度分布的均勻性，再依靠這些特征做出最好的冷卻方案。

1.2 汽輪發電機組的振動

汽輪發電機組軸系有兩種振動方式，即彎曲振動與扭轉振動。汽輪發電機組在高速旋轉時難以完全消除及外部阻力的影響，運行過程中一定會產生振動。就發電機本體而言，其振源來自定子鐵芯及轉子本身轉子。振動的原因大致可分為兩個方面，其中機械原因大多是由于機組設計制造，安裝時存在漏洞，這些漏洞極易形成引起振動幅值的加大。另外一個是電氣原因，也就是汽輪發電機外部干擾引起的激振力的變化，例如，發電機定子及轉子氣隙不均勻、轉子繞組匝間短路或兩點接地、發電機三相負荷不對稱及不對稱短路、氫內冷及水內冷轉子內冷同路局部堵塞導致的轉子熱彎曲等。

1.3 汽輪發電機轉子通風道對其溫度分布的影響

對于汽輪發電機轉子組件來說，空冷通道的散熱能力至關重要。如果空冷通道的散熱能力存在問題，局部產生的熱量發散不出去，就會大大的縮短汽輪發電機的使用壽命。空冷汽輪發電機轉子通風道都是由副槽通風溝、槽楔出風口、楔下墊條和徑向通風溝這四部分組成，內部幾何構造比較復雜，從而使得通過風道的流體形態變化多端，沿軸向及徑向通風道內的速度和溫度分布差異很大，嚴重影響了風道內冷卻介質的流動和散熱。因此，為了能夠得到均勻的溫度分布，可以在以往150MW空冷汽輪發電機轉子實驗研究的基礎上，采用有限體積法，改變副槽的徑向通風溝的幾何量，求解轉子本體及通風道內空氣的傳熱及紊流流動等二維離散方程組。研究結果表明，在同一個入風口不變的情況下，兩條徑向風溝相對于一條徑向風溝時，傳熱與散熱的效果好，并存在最佳中心距。

1.4 汽輪發電機轉子通風道結構設計

近年來，隨著空冷汽輪發電機風路不斷加長，單機容量不斷增大，轉子端部繞組通風道結構比較常見的有軸向內冷、軸向加補風等結構。通風道結構的不同直接導致通風方式與效果的不一樣，還會直接影響轉子的風量分布、冷卻效果、峰值溫度大小及所在位置。現在國內外越來越重視空冷汽輪發電機的通風及冷卻研究，國內運用CFD原理進行發電機內通風分布規律的研究也逐漸展開。然而，現如今研究所用的物理模型大多不連續，有局限性，無法揭示整槽整齒連續的風量分布及溫度分布變化特性，軸向導熱考慮不充分。

2 汽輪發電機轉子常見相關問題的分析與解決

2.1 理想通風結構特性分析

轉子的熱傳導的方式存在特殊性，其傳導特征也隨發生位置的不同而不同。轉子表面雜散損耗是以熱的形式向轉子齒部傳遞的，所以順著半徑減小方向的轉子齒部溫升逐漸降低。而在副槽兩側齒部這個位置的溫升，則是沿軸向逐漸增大，這是因為副槽兩側的齒部溫度沿著副槽內空氣的軸向流動，副槽內的空氣流速不斷減小。由于轉子端部熱量主要來自銅耗，所以轉子表面的雜散損耗可以忽略不計，因此端部直段繞組的溫升最低。在轉子端部弧段處設置一個扇形絕緣擋塊可以有效的使冷熱風區差別明顯。對于大容量空冷汽輪發電機轉子而言，當在端部直段加補風口，弧段布置兩處進風口的通風結構，然后再調整補風口的幾何大小，從而調節端部弧段間與軸徑向段的冷卻風量，但其結果會是總進風量小，繞組溫度高。而采用獨立風路分別對轉子端部弧段繞組和軸徑向段繞組進行冷卻，通過改變端部進風口和位置，調節冷卻風量分布，可以得到各段繞組溫升低且分布較均勻的理想通風方案。副槽前端徑向風溝迎風側比背風側的空氣溫度相對較低，中心對稱面附近徑向風溝中，迎背風側空氣溫度趨于均勻，另外，沿著半徑方向繞組溫度逐漸升高，徑向溫差逐漸變小。

2.2 發電機組振動的危害

發電機組的振動狀態對其能否持續可靠的運行有著很大的影響，對發電機組來說，產生超限幅值的振動，將會破壞機組密封系統，使連接部件松馳和壓力增大，還會導致轉子滑環和電刷嚴重磨損以及產生環火，使機組連軸器發生故障，嚴重時會危及發電機的基礎組成部分，對發電機組自身及周圍物品產生災難性影響。影響發電機組安全運行甚至損毀的事故中，由振動異常引起的實例不在少數，所以認識到發電機組振動的危害尤為重要。

2.3 改進轉子通風道的結構

轉子通風道幾何形變對其內部的速度場與溫度場都有著決定性的影響。合理調整副槽形狀、徑向風溝的間距及楔下墊條內的通風道尺寸，再加上較準確地預測轉子通風道內部的表面傳熱系數等基礎數據，可以使得轉子各部件內部溫度分布更加均勻，從而保證電機安全穩定運行及其正常使用壽命，同時提高發電機的效率。經研究表明，在同樣入口流速下，兩條徑向風溝比一條徑向風溝散熱量多，此時轉子截面相同半徑處，溫度分布均勻并且中心距存在最佳值。把副槽從矩形改裝成為梯形，風道上底的面積大小對轉子溫度均勻分布及最高溫度值的影響可以忽略不計。另外，轉子風道末端設計中的關鍵是槽楔出風口的尺寸，減小該尺寸可以提高最高溫度值，這為改進轉子通風道的結構設計提供了依據。

2.4 端部進、補風口的布置

在端部進風加直線段補風的空冷汽輪發電機轉子通風設計研究中，控制端部、副槽通風段長度與軸徑向段等變量后發現：溫度場的整體分布受端部進、補風口設置方式的影響較大。在端部弧段開設一組進風口，端部軸向段開設一組補風口時，轉子繞組整體溫差最小，溫度場的均勻性較好。僅在端部弧段開設兩組進風口，端部繞組溫度最低，軸徑向段繞組溫度最高。而在端部弧段開設兩組進風口，直線段同時開設補風口時，軸徑向段繞組溫度最低，而繞組最高溫度出現在中心對稱面處。所以端部進、補風口布置位置和個數能對冷卻空氣及繞組溫度分布產生巨大影響，不僅可以決定溫度峰值的位置，還可調節溫度峰值大小，從而進一步改變軸向溫差大小。

3 結束語

汽輪發電機轉子結構較為復雜，因此之前研究幾乎都是針對轉子進行局部特征研究，把計算區域劃定在轉子的一個軸向單元。而這些研究很難反映風溝內各處對流換熱性能不均勻的本質，以及轉子溫度的軸向變化情況。這些研究很難反映風溝內各處對流換熱性能不均勻的本質，以及轉子溫度的軸向變化情況。

參考文獻

[1]丁舜年.大型電機的發熱與冷卻[M].北京：科學出版社，2002：209-249.

[2]魏永田，孟大偉，溫嘉斌.電機內熱交換[M].北京：機械工業出版社，2008：5-13.

[3]廖毅剛，侯小全.全空冷汽輪發電機通風冷卻研究[J].東方電氣評論，2008（1）：1-8.