空氣冷卻汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的設(shè)計

林松+++高速

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對電力的需要不斷增加，作為發(fā)電廠中電能直接生產(chǎn)者的汽輪發(fā)電機，其對電力工業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子會隨著發(fā)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(dǎo)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(fā)電機轉(zhuǎn)子技術(shù)十分重要。

關(guān)鍵詞：空氣冷卻汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子；設(shè)計；溫度

1 大型空氣冷卻發(fā)電機通風(fēng)冷卻的特點

1.1 正向冷卻技術(shù)

傳統(tǒng)空氣冷卻循環(huán)技術(shù)是正向冷卻，由裝在大軸端部的主風(fēng)扇將冷卻器出來的冷風(fēng)全部送入電機內(nèi)，經(jīng)過轉(zhuǎn)子繞組變成熱風(fēng)，最后在經(jīng)過不同的定子風(fēng)室，離開電機再進(jìn)入冷卻器，完成整個循環(huán)，主要有多路通風(fēng)和單向通風(fēng)兩種。

1.2 反向回路通風(fēng)

和單路通風(fēng)結(jié)構(gòu)相同的是都要從冷去器吹出冷風(fēng)，經(jīng)過風(fēng)扇再進(jìn)入發(fā)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(fēng)機構(gòu)可以使冷卻定子鐵心和轉(zhuǎn)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(fā)電機運行的安全穩(wěn)定，提高汽輪發(fā)電機的發(fā)電效率，節(jié)約成本，優(yōu)化設(shè)計，本文將極對數(shù)設(shè)為1，下面將要從轉(zhuǎn)子的安匝數(shù)、轉(zhuǎn)子的計算能量轉(zhuǎn)子槽寬和齒輪寬的選擇、齒根拉應(yīng)力的估算法、轉(zhuǎn)子齒溫度的降落等方面討論空氣冷卻汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的設(shè)計。

2 轉(zhuǎn)子的安匝數(shù)

2.1 必需的過載能力

設(shè)Km為過載能力，其公式為

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

設(shè)空載額定電壓時的飽和系數(shù)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(shù)

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(shù)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(jù)調(diào)查研究和數(shù)據(jù)分析得知，目前的汽輪發(fā)電機的激磁安匝數(shù)大多都是電樞安匝數(shù)的2倍，巨型發(fā)電機也不例外。這使我們在設(shè)計空氣冷卻汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子時能夠精確初步估算轉(zhuǎn)子安匝數(shù)的原因。

2.2 從短路比出發(fā)

取Xp=0.12，sinφ=0.16 經(jīng)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(yīng)，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(shè)計空氣冷卻汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子時激磁安匝數(shù)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(zhuǎn)子的計算容量

定子通過磁場聯(lián)系衡量轉(zhuǎn)子容量，所以我們先要清楚定子容量和磁場之間的關(guān)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(zhǔn)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(shù)、額定電流分別用PN、UN'、？準(zhǔn)1、KW1、IN表示，上述公式充分表明了定子安匝數(shù)和磁通決定了電機容量，同理轉(zhuǎn)子的容量Pr也可以這么計算。

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

4 轉(zhuǎn)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(shù)也會增加，但磁通的許可值就會減少，轉(zhuǎn)子的電負(fù)荷和磁負(fù)荷是存在矛盾的。所以轉(zhuǎn)子容量并不是越大越好還是需要根據(jù)實際情況來選擇，齒根密度B2Z控制轉(zhuǎn)子磁通？準(zhǔn)2的進(jìn)一步提高，當(dāng)齒根密度達(dá)到極限時，轉(zhuǎn)子磁通和齒根截面積呈正比例關(guān)系，在其他條件不變的條件下，槽寬和轉(zhuǎn)子匝數(shù)呈正比例關(guān)系，

所以在一般情況下一定范圍內(nèi)，增大齒根密度會增加轉(zhuǎn)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(xù)應(yīng)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(guān)，與槽寬增大的極限、直徑、容量無關(guān)。所以我們在設(shè)計時要充分分析轉(zhuǎn)子槽加工、槽絕緣和銅線規(guī)格制作的通用性，不同容量的空氣冷卻汽輪發(fā)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(shè)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(yīng)力來決定齒根密度是否合適。

5 齒根應(yīng)力估算法

中心孔表面和齒根處是轉(zhuǎn)子本體最大的應(yīng)力所在處，轉(zhuǎn)子外徑能夠確定中心孔表面的應(yīng)力，在一定范圍內(nèi)的外徑下，齒根拉應(yīng)力和槽形有著很大的關(guān)系，只有在電磁計算全部完成，轉(zhuǎn)子尺寸最后確定時才能精確地估算出齒根拉應(yīng)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(nèi)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(shè)可以用系數(shù)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(yīng)的離心力為

知道容許應(yīng)力和槽型之后，就可以利用面的曲線規(guī)律核對機械強度是否能夠允許選選擇的槽型了。另外關(guān)于最大轉(zhuǎn)子計算容量、耗銅量、槽部銅耗，轉(zhuǎn)子齒溫度的降落、槽高h(yuǎn)n2的選擇這些就不一一贅述了。

6 設(shè)計轉(zhuǎn)子的步驟

在設(shè)計空氣冷卻汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子時，先初步確定定子鐵心內(nèi)徑Di，相當(dāng)于Di來說，氣隙的變化范圍和本身值都很小，可以按照設(shè)計書的方法選取，然后依照轉(zhuǎn)子的短路比或過載能力，估算出轉(zhuǎn)子的安匝數(shù)，再假定轉(zhuǎn)子能夠充分利用，再根據(jù)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(dá)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(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

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