空氣冷卻汽輪發電機轉子的設計

林松+++高速

摘 要：隨著我國經濟的飛速發展，對電力的需要不斷增加，作為發電廠中電能直接生產者的汽輪發電機，其對電力工業的發展有著至關重要的作用。汽輪發電機的轉子會隨著發電機機組能力密度的提高和能力的增大其損耗也會增大，這會導致繞組的溫度升高有時還會超過限制溫度，因此空氣冷卻汽輪發電機轉子技術十分重要。

關鍵詞：空氣冷卻汽輪發電機轉子；設計；溫度

1 大型空氣冷卻發電機通風冷卻的特點

1.1 正向冷卻技術

傳統空氣冷卻循環技術是正向冷卻，由裝在大軸端部的主風扇將冷卻器出來的冷風全部送入電機內，經過轉子繞組變成熱風，最后在經過不同的定子風室，離開電機再進入冷卻器，完成整個循環，主要有多路通風和單向通風兩種。

1.2 反向回路通風

和單路通風結構相同的是都要從冷去器吹出冷風，經過風扇再進入發電機的有效部位，但是可以使定子的氣流量減少至少50%，逆流通風機構可以使冷卻定子鐵心和轉子線圈氣流溫度降低，能夠獲得良好的冷卻效果。

為了保證汽輪發電機運行的安全穩定，提高汽輪發電機的發電效率，節約成本，優化設計，本文將極對數設為1，下面將要從轉子的安匝數、轉子的計算能量轉子槽寬和齒輪寬的選擇、齒根拉應力的估算法、轉子齒溫度的降落等方面討論空氣冷卻汽輪發電機轉子的設計。

2 轉子的安匝數

2.1 必需的過載能力

設Km為過載能力，其公式為

其中功率因素為cos？椎，氣隙安匝數為AWf，轉子的繞組系數為kw2 AWα為電樞安匝數，AWd為短路時候的激磁安匝。

設空載額定電壓時的飽和系數為Ku，有下列公式

Ku=AW0/AW？啄 其中AW0為空載額定電壓時的激磁安匝數

短路比

帶入AWd公式可得出

去平均值表面冷卻的Xp=0.12，KW2=0.808，Ku=1.15 DLB=0.7

所以計算出激磁安匝數大約值為 AWd=1.32AWα，

在一般情況下功率因素為cosφ=0.8 取KM=1.9，由此得到AWf=AWα

根據調查研究和數據分析得知，目前的汽輪發電機的激磁安匝數大多都是電樞安匝數的2倍，巨型發電機也不例外。這使我們在設計空氣冷卻汽輪發電機轉子時能夠精確初步估算轉子安匝數的原因。

2.2 從短路比出發

取Xp=0.12，sinφ=0.16 經過理論計算得知DLB=0.57，AWf=2AWα

由此可知Km=1.9和DLB=0.57基本相適應，在必須的過載能力和短路比這兩種情況下，AWf都大致是AWα的兩倍，所以這就要求我們在設計空氣冷卻汽輪發電機轉子時激磁安匝數和電樞安匝都必須按照這個比例增加，這樣才能保證同一過載能力和短路比。

3 轉子的計算容量

定子通過磁場聯系衡量轉子容量，所以我們先要清楚定子容量和磁場之間的關系才能決定定子容量。

PN=■UIN×10-3千伏安，IN=AWα/1.06Kw1W1安

所以PN=62.8×10-10AWα？準1千伏安

其額定容量、溫度電壓、定子每極磁通、定子繞組系數、額定電流分別用PN、UN'、？準1、KW1、IN表示，上述公式充分表明了定子安匝數和磁通決定了電機容量，同理轉子的容量Pr也可以這么計算。

其中Cr是一個特定的常數，因為設計時電機容量是已知的，而定子的磁通和安匝數的乘積是一個常數，所以轉子的磁通和安匝數的乘積也是一個常數，但是在單獨選擇安匝數或者磁通的時候，要合理地調整這兩個的關系才能夠設計出合理的空氣冷卻汽輪發電機轉子。

4 轉子的槽寬和齒寬的選擇

研究表明，其他情況一定，增大槽寬，安匝數也會增加，但磁通的許可值就會減少，轉子的電負荷和磁負荷是存在矛盾的。所以轉子容量并不是越大越好還是需要根據實際情況來選擇，齒根密度B2Z控制轉子磁通？準2的進一步提高，當齒根密度達到極限時，轉子磁通和齒根截面積呈正比例關系，在其他條件不變的條件下，槽寬和轉子匝數呈正比例關系，

所以在一般情況下一定范圍內，增大齒根密度會增加轉子容量。槽絕緣溫度降落控制槽寬的增大，其次是槽寬增大還受齒根表面附加損耗和繼續應力的影響，由此可得出槽寬的計算公式：

所以槽寬的增大只與電流密度j2和絕緣溫度降落有關，與槽寬增大的極限、直徑、容量無關。所以我們在設計時要充分分析轉子槽加工、槽絕緣和銅線規格制作的通用性，不同容量的空氣冷卻汽輪發電機常常取同一槽寬，電流密度也比較接近，而容量小的電機為了增加槽分度以減低表面損耗，不會選擇2.59厘米的槽寬。因為齒根密度的減小有利于提高容量，所以一般在設計工藝之時往往會選擇最小極限的齒根密度之后然后再去計算機械應力來決定齒根密度是否合適。

5 齒根應力估算法

中心孔表面和齒根處是轉子本體最大的應力所在處，轉子外徑能夠確定中心孔表面的應力，在一定范圍內的外徑下，齒根拉應力和槽形有著很大的關系，只有在電磁計算全部完成，轉子尺寸最后確定時才能精確地估算出齒根拉應力，本文先放棄考慮契合絕緣的離心力，假定銅線以同樣的填充率在槽內均勻分布，然后將真正的齒輪重心半徑替換為平均半徑，并假設可以用系數1.24乘以總的離心力彌補上面簡化造成的離心力的減少，則對應的離心力為

知道容許應力和槽型之后，就可以利用面的曲線規律核對機械強度是否能夠允許選選擇的槽型了。另外關于最大轉子計算容量、耗銅量、槽部銅耗，轉子齒溫度的降落、槽高hn2的選擇這些就不一一贅述了。

6 設計轉子的步驟

在設計空氣冷卻汽輪發電機轉子時，先初步確定定子鐵心內徑Di，相當于Di來說，氣隙的變化范圍和本身值都很小，可以按照設計書的方法選取，然后依照轉子的短路比或過載能力，估算出轉子的安匝數，再假定轉子能夠充分利用，再根據查找資料和計算，得到齒根密度B2Z，如果B2Z值接近極限，那么就表示充分利用，如果達不到，那么可以考慮采取縮短長度或直徑的方法，在其直徑和槽型選定好，可以利用曲線圖來確定其是否適合實際應用標準。

參考文獻

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