25 MW 6.3 kV 60 Hz空冷汽輪發(fā)電機設(shè)計

董江偉，陳 旭，于魯閩，袁 林，辛 雷

(山東齊魯電機制造有限公司 發(fā)電機研究所，山東濟南 250100)

0 引言

隨著60 Hz空冷汽輪發(fā)電機設(shè)計的越來越多，積累的經(jīng)驗也越來越豐富，完善現(xiàn)有的系列型號以滿足市場需求，成了發(fā)電機設(shè)計的方向。定子空外冷，轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)經(jīng)過大量計算、應(yīng)用后已很成熟，定子鐵心真空壓力整浸汽輪發(fā)電機因其效率高，故障率低的突出優(yōu)點，一直有良好的用戶口碑。

1 方案設(shè)計

我公司W(wǎng)X產(chǎn)品系列化、模塊化設(shè)計。按容量不同，劃定幾檔定子鐵心截面，截面不變的情況下，可選定最小和最大長度，確定最小最大功率。25 MW 6.3 kV 60 Hz空冷汽輪發(fā)電機是目前開發(fā)的WX14Z系列最大長度的產(chǎn)品之一。

1.1 用戶需求

額定功率：25 000 kW 功率因數(shù)：0.8

額定電壓：6 300 V 額定轉(zhuǎn)速：3 600 r/min

發(fā)電機進風(fēng)溫度：40 ℃ 海拔高度：1 000 m

短路比KC≥0.45 超瞬變電抗Xd”v≥0.15

1.2 不同截面方案對比(見表1)

表1 技術(shù)參數(shù)對照表

針對用戶的不同需求，我們可以出多個方案，通過比對找到性價比高的方案，提高產(chǎn)品的市場競爭力。先比較兩種不同截面的發(fā)電機。

通過比對可知，兩個方案都能發(fā)25 MW 6.3 kV 60 Hz，WX14Z-040屬于細(xì)長型，WX16Z-032屬于粗短型，單從短路比、效率來看，WX16Z-032要優(yōu)于WX14Z-040，但WX16Z-032成本要比WX14Z-040成本高20%。WX14Z-040性價比高，是優(yōu)選方案。

1.3 不同長度方案對比(見表2)

037、040、042是鐵心長度代碼，具體換算關(guān)系為代碼*50±20 mm即為定子鐵心長度范圍，在范圍之內(nèi)就是合理的。發(fā)電機本體長度不宜過長，過長會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下降，軸系穩(wěn)定性降低。從表中可見改變長度后定子電密J1、定子線負(fù)荷AS1不會改變。WX14Z-037與WX14Z-040相比，因長度縮短后，為維持相同的定子端電壓，需要更多的勵磁電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流密度J2、氣隙磁密等增加，變化規(guī)律為本體長度↓→轉(zhuǎn)子電流密度↑→氣隙磁密↑→短路比↑→超瞬變電抗↓→效率↓→溫升↑；WX14Z-037方案被否定的原因就是定子鐵心最高溫度太高，已經(jīng)超標(biāo)。WX14Z-042與WX14Z-040相比，轉(zhuǎn)子電流密度J2、氣隙磁密、溫升都降低，超瞬變電抗Xd”v、效率增加，這都是好的趨勢；WX14Z-042被否定的原因是短路比KC低，不滿足≥0.45的設(shè)計要求。

1.4 不同電壓等級方案對比(見表3)

一般25 MW 6.3 kV 60Hz發(fā)電機也能用于25 MW 6.6 kV 60 Hz發(fā)電機，所以設(shè)計時要考慮方案的通用性。采用較高的電壓時，除要求有良好的絕緣外，還會導(dǎo)致間接冷卻電機定子線圈的散熱困難，從而導(dǎo)致電機尺寸增大；采用較低電壓時，因電流增大，出線及母線截面加大，并且因線棒電動力增大而常常帶來結(jié)構(gòu)設(shè)計的困難。

通過表中數(shù)據(jù)可知，25 MW 6.3 kV 60 Hz發(fā)電機能用于25 MW 6.6 kV 60 Hz，并且能看出端電壓改變對輸出數(shù)據(jù)的影響。

1.5 每槽導(dǎo)體數(shù)對方案的影響(見表4)

表4 技術(shù)參數(shù)對照表

發(fā)電機端電壓與定子槽數(shù)(假設(shè)每槽導(dǎo)體數(shù)不變)成正比關(guān)系。原有的成熟產(chǎn)品25 MW 13.8 kV 60 Hz每槽導(dǎo)體數(shù)4。如果6.3 kV還用4導(dǎo)體，槽數(shù)應(yīng)該選24，槽數(shù)少使每槽電流增加，槽內(nèi)電動力增大，冷卻條件(間接冷卻電機)變得更差，24槽是不合適的，所以每槽導(dǎo)體數(shù)選2比較合適。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

25 MW 6.3 kV 60 Hz空冷汽輪發(fā)電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、勵磁機等幾部分組成(見圖1)。

圖1 發(fā)電機結(jié)構(gòu)

2.1 定子

機座有足夠的強度和剛度，使其能承受各種機械作用力、電磁力而不致產(chǎn)生有害的變形[1]。

設(shè)計時對定子鐵心振動進行了計算，定子鐵心振動主要有基頻振動和倍頻振動。定子鐵心內(nèi)有交變磁場通過，就會產(chǎn)生交變的電動力，如果鐵心未壓緊，或壓制緊松不均勻，這種基頻振動就會產(chǎn)生強烈的振動和噪聲。兩極的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一次，鐵心的變形重復(fù)兩次，因而形成了定子鐵心的雙倍頻率振動。這是定子鐵心振動的主要來源[2]。電磁計算時定子鐵心振動值應(yīng)避開50～150 Hz，本產(chǎn)品實際計算值為216 Hz。徑向定子鐵心振動P-P值設(shè)計值≤38 μm，本產(chǎn)品實際計算值為29 μm。

2.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)軸材料25Cr2Ni4MoV，機械強度高、導(dǎo)磁性能好。轉(zhuǎn)子細(xì)長型，轉(zhuǎn)子大齒部分開有橫向月牙槽，降低大齒部分的剛度和撓度，減小轉(zhuǎn)子的雙頻振動。轉(zhuǎn)子槽楔CuNi2Si無磁性合金鋼，機械強度高、相對密度小，還有良好的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能。為了減少轉(zhuǎn)子端部繞組產(chǎn)生的漏磁、附加損耗及發(fā)熱，護環(huán)材料采用具有高機械性能的、高電阻非磁性合金冷鍛鋼1Mn18Cr18N，比一般的50Mn18Cr5性能好，防止產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕[2]。

2.3 軸承

前后軸承軸瓦內(nèi)徑為φ250 mm，軸承潤滑油流量84 L/min。相比較50 Hz產(chǎn)品，60 Hz產(chǎn)品轉(zhuǎn)速高，軸承摩擦損耗高，要注意計算潤滑油油溫不要超標(biāo)。

3 結(jié)論

25 MW 6.3 kV 60 Hz發(fā)電機是WX14Z系列開發(fā)的第一臺6.3 kV 60 Hz的發(fā)電機，豐富了公司產(chǎn)品品種，劃清了WX14Z、WX16Z兩個系列的界限，為其他新產(chǎn)品的研發(fā)打下基礎(chǔ)。60 Hz發(fā)電機用于出口項目，25 MW 6.3 kV 60 Hz發(fā)電機的研發(fā)成功，開拓了國際市場，提高了國外的市場占有率，對于穩(wěn)外貿(mào)、穩(wěn)出口有積極的意義。