60 Hz中小型空冷汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研制

蔡恒川，翁祥玲，薛守棟，荊中金，焦 明

(山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東濟(jì)南 250100)

0 引言

為了節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)新技術(shù)和熱電聯(lián)產(chǎn)等節(jié)能項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外得到了大力推廣，與之相配套的中小型汽輪發(fā)電機(jī)組需求旺盛。采用空冷方式的中小型汽輪發(fā)電機(jī)由于具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、制造成本低、運(yùn)行維護(hù)方便、可靠性好、電站輔助設(shè)備少等優(yōu)點(diǎn)，最為經(jīng)濟(jì)合理。

此次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的60 Hz汽輪發(fā)電機(jī)，主要針對(duì)30 MW以下的中小型機(jī)組，為兩極全速發(fā)電機(jī)。端電壓為13 800 V。容量分別為25，15 MW和6 MW。絕緣等級(jí)采用F級(jí)。冷卻方式為IC91W。防護(hù)等級(jí)為IP54。勵(lì)磁方式可根據(jù)用戶需要采用靜止晶閘管勵(lì)磁和無(wú)刷勵(lì)磁兩種方式。

1 設(shè)計(jì)方案確定

在開(kāi)發(fā)30 MW以下中小型60 Hz發(fā)電機(jī)的過(guò)程中，為降低制造成本，提高產(chǎn)品的通用性，需要借鑒國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的QF系列50 Hz發(fā)電機(jī)的部分結(jié)構(gòu)和工裝設(shè)備，以期取得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1)主要尺寸調(diào)整

得出60 Hz發(fā)電機(jī)的體積較50 Hz在理論上［1］應(yīng)該隨著頻率增加而減小。設(shè)計(jì)中通?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整鐵心內(nèi)、外徑和長(zhǎng)度兩種方法來(lái)達(dá)到。但是在工業(yè)生產(chǎn)中，絕大多數(shù)加工設(shè)備、工裝和模具都與電機(jī)的內(nèi)、外徑有關(guān)。因此，在發(fā)電機(jī)尺寸的計(jì)算時(shí)，應(yīng)盡可能不調(diào)整鐵心的內(nèi)、外徑尺寸，而將調(diào)整鐵心長(zhǎng)度作為首選，這樣工廠內(nèi)原有的50 Hz發(fā)電機(jī)的加工設(shè)備和工裝大都可以借用，有效降低生產(chǎn)成本。

2)絕緣結(jié)構(gòu)調(diào)整

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有30 MW以下發(fā)電機(jī)的端電壓最高為10.5 kV。根據(jù)市場(chǎng)反饋來(lái)看，60 Hz發(fā)電機(jī)通常選取13 800 V的端電壓，因此需對(duì)電機(jī)線棒的絕緣厚度重新核算并做相應(yīng)增加。防暈結(jié)構(gòu)可采用高阻、中阻和低阻相結(jié)合的防暈結(jié)構(gòu)，線棒直線部分采用低阻防暈結(jié)構(gòu)，端部彎形部分采用高阻防暈結(jié)構(gòu)，而在直線和端部彎形的過(guò)渡部分采用中阻防暈結(jié)構(gòu)。

3)25，15，6 MW三個(gè)容量發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案的說(shuō)明和比較

電磁計(jì)算公式采用《汽輪發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算公式》［2］。在選取 25，15，6 MW 三個(gè)容量發(fā)電機(jī)的主要尺寸時(shí)，只有25 MW發(fā)電機(jī)在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有50 Hz產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，僅調(diào)整定子線棒的線規(guī)和絕緣厚度后，將發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度縮短，其各項(xiàng)電氣性能參數(shù)就可以滿足設(shè)計(jì)要求。而在確定15 MW和6 MW發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案時(shí)，僅僅通過(guò)改變發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，不改變其他主要尺寸，電機(jī)的電氣性能參數(shù)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。因此，綜合考慮了發(fā)電機(jī)短路比、超瞬變電抗、電磁負(fù)荷、溫升、效率等主要性能參數(shù)后，將15 MW和6 MW的定子槽數(shù)分別選為48和54是比較合理的。槽形較50 Hz加深變窄，轉(zhuǎn)子可采用50 Hz時(shí)的結(jié)構(gòu)。這樣，將整個(gè)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)度做相應(yīng)的縮短后，經(jīng)電磁計(jì)算得出的電氣性能參數(shù)可以滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)電磁計(jì)算后，以上三個(gè)容量發(fā)電機(jī)的主要電氣性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三種容量發(fā)電機(jī)主要性能參數(shù)表

可見(jiàn)，就發(fā)電機(jī)的電磁、溫度和絕緣結(jié)構(gòu)而言，與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有50 Hz發(fā)電機(jī)相比，25 MW發(fā)電機(jī)的通用性最強(qiáng)，生產(chǎn)成本最低，6 MW和15 MW通用性相對(duì)差一些，定子鐵心沖片需要重新開(kāi)模具，生產(chǎn)成本略高，但轉(zhuǎn)子都可以借用現(xiàn)有的50 Hz發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，因而從總體上看，這三個(gè)容量的發(fā)電機(jī)只要在尺寸選取得當(dāng)?shù)那闆r下，設(shè)計(jì)制造60 Hz電機(jī)都具有較高的可行性，并且可以大量借用50 Hz發(fā)電機(jī)的加工設(shè)備和工裝，生產(chǎn)成本可大大降低。

2 15 MW 60 Hz空冷汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以山東齊魯電機(jī)制造有限公司首次開(kāi)發(fā)的15 MW 60 Hz無(wú)刷勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)為例介紹一下中小型60 Hz空冷汽輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。該發(fā)電機(jī)主要包括轉(zhuǎn)子、定子、軸承和勵(lì)磁機(jī)四部分。圖1為該發(fā)電機(jī)的外形圖。

圖1 15 MW 60 Hz發(fā)電機(jī)的外形圖

2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

當(dāng)發(fā)電機(jī)頻率由50 Hz提高至60 Hz時(shí)，其額定轉(zhuǎn)速將由3 000 r/min分提高到3 600 r/min，發(fā)電機(jī)的超速試驗(yàn)時(shí)為4 320 r/min。這勢(shì)必對(duì)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)子的機(jī)械性能提出更高的要求。眾所周知，離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而在確定設(shè)計(jì)方案時(shí)，已經(jīng)確定了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與50 Hz發(fā)電機(jī)相同，這樣，60 Hz發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的所有部件所承受的離心力將增大至50 Hz時(shí)的1.44倍。這樣，需要對(duì)轉(zhuǎn)子上所有零部件進(jìn)行核算，尤其是轉(zhuǎn)子齒、槽楔、風(fēng)扇和護(hù)環(huán)。

轉(zhuǎn)子齒主要起到導(dǎo)磁和固定轉(zhuǎn)子線圈的作用，轉(zhuǎn)子線圈和槽楔的離心力全部作用在轉(zhuǎn)子齒上。這樣就要求轉(zhuǎn)軸材料的機(jī)械強(qiáng)度足夠高以保證轉(zhuǎn)子齒部的安全系數(shù)。而提高轉(zhuǎn)軸材料的機(jī)械強(qiáng)度勢(shì)必會(huì)增加原材料成本。因此在選擇轉(zhuǎn)軸材料時(shí)綜合考慮了上述兩方面因素，認(rèn)為鍛件材料選用25Cr2Ni4MoV比較合理。

轉(zhuǎn)子槽楔作為固定轉(zhuǎn)子線圈的部件，電機(jī)運(yùn)行時(shí)作用在它上面的應(yīng)力主要來(lái)自轉(zhuǎn)子槽內(nèi)導(dǎo)線和自身的離心力。目前國(guó)內(nèi)中小型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽楔材料大都選用硬鋁材料。該材料機(jī)械性能雖然不高，卻具有密度小的優(yōu)勢(shì)，在中小型發(fā)電機(jī)上應(yīng)用比較廣泛。若改用銅槽楔，槽楔自身的機(jī)械性能雖能提高，但重量會(huì)大大增加，從而增加作用在轉(zhuǎn)子齒部的應(yīng)力。經(jīng)過(guò)與硬鋁生產(chǎn)廠家的溝通，確定該材料的屈服極限可以在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)改變其生產(chǎn)工藝來(lái)滿足60 Hz發(fā)電機(jī)需求，而原材料成本浮動(dòng)不大。

風(fēng)扇采用固定在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端的后傾葉片離心式風(fēng)扇［3］。這種風(fēng)扇壓頭高、流量小，比較適合中小型發(fā)電機(jī)。作為焊接結(jié)構(gòu)，提高其安全系數(shù)最理想的方法是減小風(fēng)扇自身的重量?？紤]到風(fēng)扇的風(fēng)量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，60 Hz發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較50 Hz大大提高，可以適當(dāng)減小風(fēng)扇尺寸。這樣，可以在保證發(fā)電機(jī)所需的冷卻風(fēng)量的同時(shí)減小風(fēng)扇重量。在綜合考慮了風(fēng)量和機(jī)械安全系數(shù)后，最終確定將風(fēng)扇縮短，使其機(jī)械安全系數(shù)和風(fēng)量均滿足設(shè)計(jì)要求。

護(hù)環(huán)位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大身兩端，主要起到磁屏蔽和保護(hù)轉(zhuǎn)子端部線圈的作用，通常采用高機(jī)械性能的反磁鋼加工而成。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，主要承受轉(zhuǎn)子端部線圈和自身的離心力，設(shè)計(jì)制造中提高其安全系數(shù)的有效方法是提高材料鍛件等級(jí)，經(jīng)計(jì)算后確定該15 MW發(fā)電機(jī)選用四級(jí)鍛件。

此外，由于轉(zhuǎn)子軸、中心環(huán)和護(hù)環(huán)之間采用熱套過(guò)盈配合方式，隨著轉(zhuǎn)速提高，其分離轉(zhuǎn)速必須相應(yīng)提高。經(jīng)計(jì)算，以上三個(gè)部件的的配合緊量均須加大過(guò)盈量，才能保證在運(yùn)行時(shí)不脫開(kāi)。

2.2 定子和軸承

由于60 Hz發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較50 Hz發(fā)電機(jī)其著重點(diǎn)主要在旋轉(zhuǎn)部件上。定子和軸承為固定不動(dòng)的部件，對(duì)其機(jī)械性能的要求相對(duì)較低，可參考現(xiàn)有50 Hz發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。按照電磁設(shè)計(jì)方案中確定的主要尺寸設(shè)計(jì)，此處不再詳細(xì)闡述。

2.3 勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子

勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)整流裝置，該裝置存在因轉(zhuǎn)速升高而產(chǎn)生的安全隱患。因而，需重新設(shè)計(jì)了勵(lì)磁機(jī)的整流裝置。該整流裝置由匯流排、阻容環(huán)、二極管、散熱器、導(dǎo)電環(huán)、風(fēng)扇、整流環(huán)、接線排、導(dǎo)電排等零部件組成。整流環(huán)采用優(yōu)質(zhì)合金鋼整體鍛造而成，位于整流裝置的外側(cè)。整流裝置的所有部件全部位于整流環(huán)內(nèi)側(cè)并固定在整流環(huán)上，保證了強(qiáng)度要求。整流橋設(shè)計(jì)為雙支路，保證一條支路出現(xiàn)故障后仍能正常運(yùn)行，冗余度高，安全性好。附圖2是該整流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 整流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 整機(jī)試驗(yàn)

該15 MW 60 Hz發(fā)電機(jī)制造完畢后進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)3 400 r/min時(shí)出現(xiàn)軸振達(dá)到190 μm的振動(dòng)，而轉(zhuǎn)子一次臨界轉(zhuǎn)速和二次臨界轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)值分別為1 610 r/min和4 500 r/min，因此在3 400 r/min時(shí)不應(yīng)該出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)的情況。起初分析認(rèn)為可能時(shí)由于一次臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)偏低導(dǎo)致油膜震蕩，此時(shí)提出了兩種解決方案:一是對(duì)軸瓦重新加工，減小軸瓦寬徑比;二是套裝勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子，增加轉(zhuǎn)子重量后再進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。但在隨后的調(diào)整時(shí)發(fā)現(xiàn)了軸承座存在制造缺陷，導(dǎo)致軸承強(qiáng)度不夠而引起振動(dòng)，更換軸承座后，振動(dòng)消失。但由于60 Hz發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速提高，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)，盡可能將一次臨界轉(zhuǎn)速提高至1 800 r/min以上，避免發(fā)生油膜振蕩。

在隨后的整機(jī)試驗(yàn)中，該電機(jī)的主要電氣性能參數(shù)都滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 整機(jī)電氣性能參數(shù)對(duì)照表

3 結(jié)語(yǔ)

以滿足南美、東南亞等地60 Hz發(fā)電機(jī)需求為引導(dǎo)，經(jīng)過(guò)分析，以國(guó)內(nèi)現(xiàn)有50 Hz發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行電磁、結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)改進(jìn)。綜合分析了25，15，6 MW三種容量發(fā)電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)這三種容量60 Hz發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了說(shuō)明和比較。以15 MW 60 Hz發(fā)電機(jī)為例說(shuō)明了60 Hz發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、特別是一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)和技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)整機(jī)型式試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)與試制參數(shù)基本一致，成為60 Hz中小型發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與研制的成功案例。該發(fā)電機(jī)為中小型60 Hz發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和主要參數(shù)為其它容量60 Hz發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］第一機(jī)械工業(yè)部.電指(DZ)28-63.汽輪發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算公式［M］.北京:第一機(jī)械工業(yè)部，1965.

［3］機(jī)械工程手冊(cè)電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).電機(jī)工程手冊(cè)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1996.