《GEC_Alsthom公司的大型氢_水冷汽轮发电机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GEC_Alsthom公司的大型氢_水冷汽轮发电机（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 东方电机 年第期 一 公司的大型氢水 冷 汽轮 发电机 张利 民编译 引言 为了适应新 的要求和进一步改善 两极发电机的可靠性及 可维修性 一 通用 电气 公司 一 阿尔斯通公司充 分利用了 以前 两公司的设计实践和运行经验 输出功 一率夭 于 的发电机为转速较 低 的 四极机 本文只论及两极 氢 水 冷发电机 在确定氢水冷发电机的范围时 考虑了以前两个公司的设计实践和运行 经验 合并前 一 公司提 供的氢 水冷两极发电机组的总数为
2、 其容量 范围为到 机或机 因 此 一 公司具有丰富的经验 能在性能 可靠性及可维修性方面达到最佳 设计 由于所用材料和运行要求通常是一 样 的 故世界 上所有制造厂 的发 电机的发展过 程大致相 似 因此 一 公司生 产的发电机在总的原理方面是基本 上相 同 的 发电机的定子绕组采用直接水冷 转子 绕组采用直接氢冷 定子铁芯由流经径向风 道中的氢气冷却 结构之间的 区别 在细 节 上 满足发电机所要求的可靠性的关键是注 图发 电机布置图 意结构细节和制造质量 设计方法的进展和大型计算机的发展使 设计分析比过去更详细 因此 可以更深入 地了解结构细节的重要性 避免不慎采 用危 险的零部件 这些
3、分析方法用 于确定范围 也可应用于确定现有电站 的改进 设计原理 所有公司 一 公 司氢 水 冷 发电机均采用 通用 的结构和通风系统 发电 机的有效部件定子和转子置于由定子机 座和端盖组成 的充氢容器内 轴密封装在端 盖中 端盖还用以支撑转子轴承 见图 转子绕组和定子铁芯包括端部固定结 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 东方电机 年 第期 构 采用 氢冷 氢气由转子 两端的轴 流风 扇使其在定子机座内循环 风扇吹出的氢气 进入转子进风区 进风区由轴端部绕组 环 状空
4、 间 气隙和定子铁芯端部组成 转子出 风进入气隙 并在气隙中与直接进入气隙的 氢气混合 然后通过定子铁芯中的径向冷却 风道 热风汇 流在铁芯背面 再进入轴向安 装的冷却器中 冷却后 氢气返回到风扇 定子绕组 定子主引线和定子出线采用 水冷 水用外泵循环 水泵是闭环定子水冷 却系统的一个组成部份 迸水汇流 管在发电 机的一端 而出水 汇流管在发电机的 另一 端 定子绕组通过单个绝缘软管与汇流管连 接 这种标准结构已用作 级发 电机四种系列 的基本结构 每 个系列中 发电机的横断面和轴端布置是一 样的 但 中心段的长度是随功率而变化的 通常输出功率为级 它可以使发电机 的输出功率 与水轮机额定功率
5、相匹配 且能 满足特殊场合下 的无功功率需要 发电机中 这是由于部份机座处于转子基 波或定子倍频谐波扰动力频率产生的 共振状态中 振动使筋产生小的裂纹 但氢 气密封容器没有发生过事故 在目前的发电机中 通过用计算机分析 机座振动特性 以及在制造和原型试验的适 当阶段进行验证测试 从而可避免产生上述 问题 定子 定子 机座 定子机座是钢板焊接结构 机座直接安 装在基础 上 并通过弹簧系统支撑定 子铁 芯 通过端盖轴承支撑转子 定子机座还是 气密容器的一部份 以及支撑冷却 器 形成 风道以在冷却器和有效部件之间传输氢气之 用 定子机座的结 构要求具有上述功能 避 免产生定 转子扰动力频率激励的共振
6、 定 子机座还必须能经受得住氢气在内部爆炸产 生的影响 为达此目的 机座技压力容器国 际标准方面所提出的原理进行制造 经验表明 发生的运行问题中 与定子 机座有关的不 多 仅出现过与振动和 噪音有 关的问题 通常运行问题发生在老式结 构的 图在 负载模型上的定 子机座振动 结果 例如 对一台 经历过共振 工 况 的 发电机的定子机座振动进行了追溯 分析研究 构建了有限元模型图 它 包括铁芯 弹簧系统和机座零件 铁芯内膛 承受气隙磁通产生的力 并产生相应于运行 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rig
7、hts reserved 东方电机年 第期 工况的频率范围的振动 在 频率下的定子机座最大计算位移如图 所示 模型结果与发电机上的测量 结果一致 说 明了模型和模拟技术是 正确的 因此正确了解共振状况的方 法是采用模型估算和将来在模型中验 证 定 子铁芯支撑 运行中 两极发电机铁芯上的磁 拉力使铁芯产生椭圆变形 它以转子 速度旋转 并产生节点振型 为了 使这些振动尽可能小地传至机座 端 部结构和基础 采用弹性装配支撑装 有铁芯的内机座 历史上采用过许多种弹簧装配结 构 目前选用轴 向弹簧棒结构 弹簧 棒与铁芯内机座和定子机座筋焊为一 体 弹性支撑系统设计已考虑正常工 况和故障工况下 电磁力引起
8、的径向位移 选择弹簧装配方法 是基于对各种情况 下保证精细零件安全的有限元分析 图中 绘出了所用的模型 定子铁芯 定子 铁芯 由电工钢片叠成 铁芯用定位 筋固定在内机座内 电工钢片为晶粒取向钢 片 它在圆周磁通方向的磁导率较高 这样 能缩短铁芯径向长度 在制造和运输上有其 优点 叠片叠成 铁芯段 铁芯段之间有风道 隔片 以形成冷却气体用径向风道 大量发电机运行经验表明铁芯问题 较 少 当的确发生问题时 必与振动或过热产 生的 铁芯叠片绝缘系统故障有关 在零件设 计阶段 夕 通过精确合理 的计算能避免由于振 动造成的损坏 过热计算更加复 杂 定 子铁芯端部承受 漏磁通 从而可能产生较高的损耗密度
9、和较 高的温度 为了确保铁芯端部的温 度 不过 高 需要对端部进行非常仔细的设计 温度 图定子机座振型 基本上可以采用控制漏磁通和用辅助冷却的 办法来加以限制 减小漏磁通作用的方法有 两种 一是用磁屏蔽来屏蔽铁芯压板 夕 二是 端部铁芯段制成阶梯形以增加漏磁 路的磁 阻 尽管采用这些改进措施 铁芯端部的损 耗密度仍很高 故边端铁芯必须增加径向风 道和减薄铁芯段厚度以增加冷却强度 磁通分布是复杂的 随空 间和 时间而不 同 具有非线性特性 尽管如此 采用有限 元计算机程序能够计算磁通分布 损耗密度 和产生的温度 这些程序已为发电机工厂试 验和运行试验数据所确认 图为 发电机铁芯在最终的优化条件下
10、的计算温度 分布 从图能看出铁芯段的布置和阶梯形 铁芯段 定子绕组 定子绕组采用了两个公司成功应用多年 的基本结构 线棒由稍加绝缘的空心铜线 管和 用 系统绝缘的实心铜线组成 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 东方电机年第期 定子槽 内元件图定子端部绕组振型 八 图 已经 使用多年未见由这种绝缘系统直接 造成的故 障 然而 如果在设计过程 中不充 分考虑机械因素或过热 则它们 也可能造成 绝缘损 伤 定子 线 圈必须在槽部和端部固定 虽然 结构零件各种各样 但通常槽部
11、是采用波纹 板和槽楔进行固定 所选的结构如图所 示 在槽底和线圈之间放固化的适形材料 衬垫 以保证沿线圈长度方 向均 匀地支撑线 圈 槽 内元件的径 向固定和预加 载是采用在 槽楔和线圈之间加斜键的办法 此外还垫有 波纹板作为随动件 切向固定是在线圈和 铁 芯齿间打入侧向波纹板 定子端部绕组由与铁芯压板相连的锥形 支架支撑 另外 通常的办法是采用固化的 适形材料来保证线圈的均匀支撑 此外 线 圈层 间加有中间垫条 上层线圈采用径向螺 栓固定在内支架上而加以固定 原公司和公司的较 小 容 量发电机 在设计原理方面 的一个显著区别 是 公司把支架刚性固定在铁芯 压板 上 而公司是把支架轴向柔性地固
12、 定在铁芯上 后一种方法用作减小线圈中的 机械应力 并能用于直到最大功率的整个发 电机范围 在最后确定定子端部绕组支撑结构时 必须检查是否有共振频率接近扰动力频率 为达此目的 线圈采用拱形连接以提 高刚 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 咬东方电机 年第期 包括水泵 冷却器 去离子器 过滤 器和漏氢监测设备 它们在工厂组装 和经全面测试 图贝尔福定子绕 组清洁区 度 这样可使固有频率偏离扰动力频率 以上 此外 采用现代计算机方法计算端部 绕组结构的共振频率 然后 在制
13、造期间检 查结果 图为发电机定子端部绕 组振动 圈 定子绝缘故障的 另一个可能的原因是定 子内存在外来金属体 因此 在制造和维修 期间必须保持清洁状态 在贝尔福工厂内 有专用的定子嵌线用清洁区 能对环境进行 适当控制 如图所示 定子冷却系统 定子绕组 定子主 引线 定子 出线采用 水冷 水通过定子水系统 中的泵进行循环 每个定子线棒有它自己的来 自进水汇流管 的 供水管路 定子水系统性能方面 的危险因素是影响 铜氧化速度的氧浓度 氧浓度较低即小于 可以接 受 较高的值即大于 也可以接 受 然而 浓度在两者 之间时 有产生氧化铜的危险 它能阻塞定 子线棒中的冷却水管 一 公司过去在这两个运行 范
14、围都有丰富的经验 但现在选择简单的高 氧浓度 系统 它是让水通过暴露在空气中的 开启式水箱循环而实现的 外部水系统为一成套装置 它的零部件 转子 由于转子旋转 转子要经受比定 子元件更广的应力循环 夕 承受更高的 应力 转子设计必须考虑元件上的回 转应力 绕组通风 平衡和临界转速 以及承受故障和不利环境 的 能力 转子体 转子能力与锻造成本 的比较表 明 采用现有的最高级转子钢屈服 强度最为经济 同样 最高级的 不 诱钢屈 服强度 用作护环锻件 简单的平行槽中可 嵌放最高 达 的绕组 所有规格发电机的导体均采用铝合 金槽楔固定 以克服旋转作用力 线槽的底 部为副槽 用 于将氢气传递到转子绕组
15、各 段 如图所示 图转子槽结构 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 一 东方 电机 年第息期 一 一 一 秘翻献朴 转子导体在嵌入槽以前 被预制 成一个完全粘结和绝缘的转 子半线 圈 由于整体的半线圈可以在开始嵌 线前全部进行测试 而且半线圈是封 固的 和外界完全隔绝 因此这种制 造方法可以提高质量和可靠性 而且 由于转子导体粘成一体 故运行 时线 圈内不会发生相对运动 因此 消除 了由于导体的微振磨损磨耗而产生 的绝缘系统损伤 图转子通风 图采用双作用既抵抗旋转力 又
16、 用作阻尼绕组槽楔 可以提高槽内 转子绕组铜线的占空系数 为此 可以采用全长铝合 一 公 司由于所组成公司的金槽楔 免告单独的阻尼绕组 这样可以腾 经历 具有多种转子槽结构的经 验 大体出空间嵌放铜导线 上 通风系统是从导体的径 向冷却转 向轴 向线 圈嵌入槽中 通过调节顶部槽绝缘件 冷却 及径向轴 向组合冷却系统 另外 还可以使 间隙最小同槽楔零件协调并在垫 采用过气隙取气方法 片和槽楔 间提供一个均匀的低摩擦滑差面 为了确定最 好的冷却方案 检验转子冷线圈端部用垫块和适形材料固定 靠绝缘的 却系统 要考虑 系统 中气流 差压和温度分护环支撑 护环经过处理 使摩擦系数小而 布的有效性 而且 还要考虑制造成本和可均匀 这样处理实际 上消除了差摩擦的影响 能性 所选的技术是逆流冷却系统 如 图和 由此而产生的任何转子振动 所示 在此系统中 每个转子导体由两根各从历史上看 转子问题一般与运行 中的 开两个槽的含银铜线组成 两根铜 线面对面机械问题有关 如高应力低循环疲劳 高循 放置 即组成轴 向风道 绕组槽部沿纵向分成环疲劳和磨损等 磨损能直接损坏绝缘系统 许多段 气体通过径向风道从副槽进
