透平发电机

下面介绍国外几家著名公司的典型全氢冷透平发电机。

2 美国西屋公司的新系列模块化全氢冷透平发电机

20世纪80年代中期，美国西屋公司根据它对90年代以后电力工业需要的预测，开始进行新系列100~600MW全氢冷透平发电机的设计(图1)。整个系列有3组直径，包括200多个规格的60Hz发电机及200多个规格的50Hz发电机。对每组而言，转子外径Dr、定子铁心内径Db、定子槽底直径Dsb、定子铁心外径Dc和机座外径Dl，均保持不变，改变定子铁心、转子本体长度(轴向长度增量为101.6mm)或定子槽形，就可以获得一种新规格发电机。到90年代中期，西屋公司完成了整个系列透平发电机施工设计，试制样机也已投入运行。

2.1 冷却系统

该系列透平发电机采用全氢冷系统。氢压为0.414MPa，对燃气轮机拖动的较小发电机可在0.21MPa下运行。在定子绕组，氢气通过布置在两根罗贝尔线棒间的一排矩形薄壁不锈钢管，从线圈边的一端流到另一端，即采用轴向冷却方式。在转子绕组方面，氢气从两端通过空心导线进入，然后从转子中部排入气隙。在发电机汽端，一台多级轴流式风扇吸入来自气隙、铁心、定子线圈的氢气，以及经过管道来自出线盒的氢气，并将氢气送入两台立式氢气冷却器中，冷却后，氢气又从两端进入定子线圈、转子线圈、定子铁心和定子连接线。流经连接线的氢气进入出线套管后再进入出线盒。

先进的全氢冷透平发电机

众所周知，氢气是一种良好的冷却介质，具有密度小、比热高、导热率大等优点。氢气的这些优点很早就引起电机工程界的注意。1913年，德国西门子公司提出用氢气作为电机的冷却介质，还制作了一个模型进行试验，但因试验中发生氢气爆炸而中途夭折。继后，德国学者舒勒(M.Schuler)和西屋公司工程师费尔德(Field)、吉尔曼(Gilman)、纽伯里(Newburry)等相继对氢气冷却电机进行过分析和实验研究。1923年，美国通用电气公司(GE)开始对氢冷电机进行实验研究。1926年，GE公司制成世界上第一台试验型氢外冷汽轮发电机(50MW)。1928年，西屋公司改制成首台氢外冷汽轮发电机(6MW)。同年，西屋公司制成首台工业用氢外冷同步调相机(15MVA)。从1930年后，GE公司和西屋公司正式承接氢外冷汽轮发电机的订货，批量生产氢外冷汽轮发电机。欧洲和前苏联的电气公司从1937年后也开始生产氢外冷汽轮发电机。

在开发氢外冷汽轮发电机的同时，国外一些公司又开展了直接氢气冷却(氢内冷)汽轮发电机的研究。1951年，美国AllisChalmers公司率先制成定子表面空冷、转子氢内冷的试验型汽轮发电机(60MW)。1953年，GE公司、西屋公司和德国AEG公司分别研制成转子氢内冷的汽轮发电机。第2年，AllisChalmers，GE和西屋公司相继研制成定、转子绕组均采用氢内冷的汽轮发电机。而在欧洲国家和前苏联，各主要电气公司或工厂从1954年后也开始生产氢内冷汽轮发电机。

1956年定子水冷汽轮发电机在英国问世，两年后转子水内冷汽轮发电机在中国诞生。水冷技术的诞生，使大型汽轮发电机的冷却系统呈现多元化格局，各个公司根据用户需要和本公司技术特色、经验，发展不同的定转子绕组冷却系统。美国西屋公司对氢冷技术情有独钟，在100~1000MW的广大范围内采用全氢冷方式;美国GE公司在100~350MW内采用了全氢冷方式，而在300~1200MW范围内多采用水氢冷却系统;西门子公司在120~250MW间采用全氢冷方式，而在大于250MW的范围内则发展了水氢冷却和全氢冷却两大系统，其中THRI，THDI和THDD系列透平发电机为全氢冷系统，涵盖69MVA到830MVA;ABB公司仅在100~250MW范围内采用全氢冷方式;Alsthom公司的透平发电机技术与ABB公司类似，公司也只在中等容量机组中采用全氢冷系统。

20世纪80年代后，燃气轮机技术取得重大进展，大型燃气轮机的诞生和推广应用点燃了人们研究较大容量新型全氢冷透平发电机的热情，也因此近年来全氢冷透平发电机技术取得了长足进步。

(1)三个直径组与容量(MVA)的关系见图2;不同直径组下，定子铁心长度与容量(MVA)的关系见图3。

(2)优化设计，使该系列发电机具有合适的效率(最小为98.5%，包括轴承及密封损耗)，同时满足用户对短路比(最小为0.50)的要求。

(3)该系列发电机最初设计成供60Hz使用，但做少量改动后可适用于50Hz。频率由60Hz变为50Hz时，定子线棒截面保持不变。

(4)该系列发电机的电压范围为13.8~24kV。在整个100~600MW功率范围，相应3个固定直径的3个功率段(彼此间有重叠)，发电机容量(MVA)与额定电压(kV)的关系如图4所示。

(5)发电机容量(MVA)与发电机电抗xd的关系如图5所示。从图5看出，全氢冷发电机的超瞬变电抗x″d较高(25%~30%)。

(6)在最大功率密度下，该系列发电机的容量(MVA)与效率η的关系见图6。从图6看出，对各功率段而言，效率η随容量增加而上升;对3个功率段而言，其最高效率和最低效率基本相同。

(1)铁心采用轴向弹簧棒装配结构(图7)，定子铁心端部采用铝板屏蔽。

(2)为了缩短制造周期，采用铁心及机座平行制造的工艺。铁心叠装时，先将铁心叠片堆叠在铁心笼内，堆叠时用定位筋定位，多次加压后用永久定位棒代替临时定位筋，然后装上压板和绝缘穿心螺杆，再液压压紧，使铁心成为一个坚固的整体。最后把定位块连接到定位棒上，同时机座装上弹簧棒。一切就绪后，即可将铁心笼弹性装入机座内。图8为定子铁心和机座的断面图。

(3)对弹簧装配和机座结构的动力学要求是:机座倍频振动不大于铁心振动的1/7;能承受可能产生的最大短路力矩;铁心-弹簧件-机座系统的自然频率不得接近电网频率或两倍电网频率;弹簧棒的尺寸选择应使铁心振动的旋转频率不超过40Hz。

(4)由于采用轴向冷却，没有径向通风道，所以铁心具有很高的机械整体性;定子铁心的端部阶梯铁心段设有几条径向风道，以补充轴向冷却;定子铁心两端设有高强度无磁性齿压板及铝压板(兼作磁屏蔽)，采用奥氏体穿心螺杆压紧。

(5)机座结构简单，既无大的沟槽，又无铁心箍环。机座底板沿长度方向不是连续的(只有1/3左右)。

(6)采用自找正球面座式轴承。对所有发电机而言，轴承座都是一样的(但轴承、密封的直径随发电机功率和发电机轴向长度而变)。

(7)主出线盒位于机座励端，为不锈钢盒。电流互感器采用简单紧凑的板上安装型结构。

3 美国通用电气公司(GE)的NHI全氢冷透平发电机

GE公司是世界上最大的电气公司，其透平发电机技术水平，在相当长一段时间里，居世界前茅。GE公司大型汽轮发电机的传统冷却方式为水氢氢冷却方式。但是，近年来，GE公司为适应发电设备结构简单、成本低廉、可靠性高等的要求，在1998年推出了采用新型全氢冷的NHI透平发电机(图9)。

3.1 发电机主要参数

NHI汽轮发电机有50Hz和60Hz两种机型，其主要参数见表1。

3.2 冷却系统

NHI发电机的转子绕组采用直接氢冷，定子采用氢外冷。

发电机通风型式采用7段设计。立式冷却器直接布置在端罩后。

发电机转子绕组通风一改GE公司传统的气隙取气方式而采用带副槽的径向通风型式。气体从护环下进入，经副槽然后通过转子导体中加工出的许多径向风道流出，并带走铜导线中的热量。

为了降低通风损耗、改善通风冷却性能，GE公司对风路各部分的风量、风压降，气隙中的气流分布，热交换状态等采用CFD(计算流体动力学)技术进行仿真分析和实验;对转子副槽和径向风道进行了仿真分析和优化;对循环冷却氢气用轴流风扇叶片进行CFD分析和实物实验(图10)。

3.3 设计及结构特点

(1)在整个设计、制造、发运过程中，应用"六σ"法，建立严格的质量临界值(CTQ)轨道。通过严格的设计评审和每道工序质量的严格控制及改进，将产品缺陷座控制在百万分之三以下。

采用面向用户设计方法，通过去掉或合并一些零件将发电机的零部件数减少10%;注意设计通用性，不但零件通用，而且一些较大部件(如端罩、冷却器、电刷装置)也能通用;采用装配设计，改善机组的可拆卸性和可维护性。

(2)采用先进的设计手段和设计方法

(3)与空气冷却发电机比，由于NHI发电机的电负荷较高，故体积可缩小20%~30%，x′d也较高;与相同容量的水氢氢冷却发电机相比，由于NHI发电机的系统数较少，故机组可靠性较高，可维修性也较好，且发电机的效率由98.7%提高到99%。

(4)NHI发电机可用蒸汽轮机驱动，也可采用燃气轮机驱动，可用于燃气-蒸汽联合循环。

(5)定子铁心与机座间采用弹性连接，铁心的弹性采用带沟槽的定位筋设计。机座为柔性结构，减少了零部件和紧固件数。铁心和机座结构不但考虑了它们的加工性，而且考虑它们是否便于清理，以提高其清洁度。

(6)转子设计中应用了基于转子动态特性的有限元法和精确的高速平衡程序，因此转子具有极好的振动性能。转子线圈采用C形线圈，简化了结构。

(7)绝缘系统设计不但考虑绝缘的电气性能，而且注意绝缘的机械性能和热性能。NHI发电机的转子绕组采用F级绝缘，定子绕组采用F级及以上的绝缘，但温升按B级绝缘设计(50Hz机按IEC标准，60Hz机按ANSI标准)。

(8)励磁系统采用GE公司传统的母线供电静止励磁系统。

(9)NHI发电机与燃气轮机相连时，可作为燃气轮机的启动电动机用。

4 阿尔斯通(Alstom)公司的模块化全氢冷透平发电机

阿尔斯通电力公司是近年来迅速扩张的一家发电设备公司。1998年和2000年将英国通用电气公司(GEC)和ABB公司的发电设备业务纳入麾下后，已成为一个与GE公司和Siemens公司三足鼎立的西方最大的发电设备企业之一。

20世纪80年代前，阿尔斯通(Alsthom)公司(含阿尔斯通-大西洋公司时期)仅在100~250MW范围内部分采用全氢冷冷却方式(实际上，GEC，ABB，Alsthom公司在20世纪60年代都曾生产过250MW全氢冷机)。90年代后，随着燃气-蒸汽联合循环技术的发展和燃气轮机单机功率的增大，阿尔斯通公司针对燃气-蒸汽联合机组的需要，进行了模块化全空冷和全氢冷系列透平发电机的研制，完成了250MW全氢冷模型机的设计、制造和运行试验工作。下面介绍这种250MW模型机的特点。

4.1 冷却方式

(1)采用定子绕组间接氢冷，定子铁心氢冷。氢气流经径向风沟，再由两端的轴向风扇扇入气隙。

(2)转子直接氢冷，采用阿尔斯通公司传统的副槽通风结构。

(3)氢压:0.3MPa。

(4)采用逆流通风方式(图11)。热风向内通过铁心径向风沟后，再利用轴向风扇从气隙两端排出。

4.2 电磁设计特点

(1)发电机额定功率259MW，cosφ=0.84，额定电压15.5kV。发电机输出功率可以满足209F联合循环中9000F燃气轮机和蒸汽轮机的功率要求。如果需要，该机可以将有效部件的长度增加550mm，将电压由15.5kV提高到18kV，从而可使发电机的出力增加15%左右(即达到286MW)。

(2)发电机按室温50℃进行设计，所以本机在15℃室温下额定运行时约有20%的裕度。

(3)发电机采用F级绝缘系统，但设计为按B级温度运行。

(4)当用9000F燃气轮机驱动本发电机发电时，本机还可用作燃气轮机的启动。启动时由静止变频器向本机供电，此时发电机作电动机运行。

(5)通常采用旋转二极管励磁(无刷励磁)方式;也可采用静止励磁方式。

4.3 结构特点

(1)机座为两个偏凡圆筒组成的焊接结构。机座与定子铁心间采用轴向弹簧板连接。氢气冷却器装在两个偏向圆筒之间。

(2)蒸汽轮发电机的冷却器位于顶部，出线端在底部;燃气轮发电机的冷却器布置在底部，出线端布置在顶部。两者都采用同样的机座，只需将发电机有效部件旋转180°，将机座内的支撑件作小小改变。

(3)定子铁心叠片采用晶体取向硅钢片。定子铁心采用外压装。

(4)定子绕组采用Isotenax绝缘系统。定子线棒槽内固定采用带波纹板的弹性侧向和径向楔紧结构。定子绕组端部用锥形楔块楔紧，然后用预应力内笼将端部绕组固定在外部支撑结构上。

(5)转子绕组由"E"形拉制铜线制成，铜线两两相对形成风道。

(6)护环采用18Cr18Mn钢制成。

(7)轴向风扇叶片用铝合金制成。

(8)采用端盖式椭圆形轴承，有两个进油口。由于采用端盖式轴承，轴承中心距较短，可以采用刚性转子。

另外，现属阿尔斯通公司的原BBC公司发电设备部，在20世纪70年代也开发出了60~250MVA全氢冷系列透平发电机，图13为该系列发电机的总体布置图。

5 西门子(Siemens)公司的全氢冷系列透平发电机

西门子公司生产全氢冷汽轮发电机的时间很早。早在20世纪60年代，该公司就开发出了全氢冷汽轮发电机，1969年制成600MW全氢冷汽轮发电机。1969年4月，西门子公司和德国联合电气工业公司(AEG)共同组建电站设备联合公司(KWU)后，KWU公司继续发展全氢冷技术，在70年代构建了3个全氢冷透平发电机系列产品，即THRI，THDI和THDD系列透平发电机。1987年10月，西门子公司收购AEG公司在KWU公司的股份，继续开发全氢冷透平发电机。

下面介绍西门子公司3个系列全氢冷透平发电机的特点。

5.1 THRI系列透平发电机

THRI系列为转子直接径向氢冷、定子间接氢冷的透平发电机系列。

该系列发电机的基本参数是:

功率/MVA 69~160

电压/kV 10.5~13.8

cosφ 0.8~0.95

频率/Hz 50，60

极数 2

冷却氢气压力/MPa 0.1~0.3

THRI系列透平发电机的总体布置见图14。根据用户需要，发电机可以采用旋转二极管励磁，也可采用静止晶闸管励磁方式。

5.2 THDI系列透平发电机

THDI系列为转子直接轴向氢冷、定子间接氢冷的透平发电机系列。

该系列发电机的基本参数是:

功率/MVA 150~250

电压/kV 10.5~15.75(主要为15kV

cosφ 0.75~0.85(主要为0.8)

频率/Hz 50，60

极数 2

冷却氢气压力/MPa0.2~0.4

THDI系列发电机的风路见图15，总体布置见图16。根据用户需要，发电机可以采用旋转二极管励磁，也可采用静止晶闸管励磁方式。

5.3 THDD系列透平发电机

THDD系列透平发电机的基本参数是:

冷却氢气压力/MPa0.3~0.5

THDD系列发电机的定子绕组和转子绕组均采用直接轴向氢冷。氢气冷却器布置在驱动端。定子线棒中的冷却氢气从非驱动端进入线棒中的冷却风管，然后轴向流向驱动端，最后经导风板流出定子线棒。转子绕组的冷却氢气从两端进入转子线圈。转子本体和转子端部是分开通风的。

THDD系列发电机多采用旋转励磁系统，只有少数场合采用静止励磁系统。

THDD系列发电机的风路见图17;发电机的总体布置见图18。

透平发电机转子(turbogenerato:rotor) 是透平发电机的旋转部分。主要由导电的转子绕 即励磁绕组(包括引线、集电环)，导磁的铁芯(大. 齿和扼部)以及转子轴伸、护环、中心环和风扇等组 。其作用是在励磁绕组中通人励磁电流产生磁场，书 动机带动下旋转，切割定子绕组，感应出交流电动 分类按转子绕组冷却方式的不同，透平发电机车 可分为空气外冷、氢外冷、气体内冷和水内冷等部分。

透平发电机转子按转速的不同，可分为全速二极 转子(转速为3000r/min或3600r/min)和半速四极转 子(转速为1500r/min或1800r/min)。 轴及铁芯透平发电机转子由于在高速下旋转， 离心力较大，因此不管是二极转子或四极转子，磁极一 般采用隐极式。在一定冷却条件下，透平发电机单机容 t的提高，受到转子直径和转子长度的限制，而转子直 径受锻件机械强度的限制，其长度受到刚度的限制。采 用氢内冷和水内冷技术，为进一步提高单机容量提供 了条件。 转子需承受从原动机传递来的转矩，其中绝大部 分转化为电磁转矩，一小部分用来带动励磁机，其余部 分则转化为机械损耗及某些附加损耗。当发电机二相 或三相突然短路时，由于定子绕组中电流突然增大，电 磁转矩随之骤增，转子所受的瞬时转矩，较额定转矩骤 增好几倍(一般约4~8倍). 由于转子的自重在支承之间各部位产生弯矩，在 下部截面引起拉伸应力，在上部截面引起压缩应力。因 此转子旋转时，各截面上由弯矩引起的应力具有交变 的性质，系对称循环的应力。 的导磁性能，钒在0.25%以内对材料磁性也无直接形 响，其他合金元素会削弱材料的磁性，碳对导磁性能影响最大。