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        汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相關(guān)問(wèn)題探討

        2015-02-02 09:10:02黃帥
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年1期

        黃帥

        摘 要:早期汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子都是以空氣作介質(zhì)進(jìn)行表面冷卻。近年來(lái),汽輪發(fā)電機(jī)容量的增大主要通過(guò)增加電磁負(fù)荷實(shí)現(xiàn)。但增加電磁負(fù)荷的同時(shí)也加大線棒銅耗,繞組的溫度會(huì)不斷升高,嚴(yán)重時(shí)甚至超過(guò)容許溫升。為此,必須采用有效技術(shù),將汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫升控制在可承受范圍內(nèi),確保其安全穩(wěn)定的工作與運(yùn)行。

        關(guān)鍵詞:汽輪發(fā)電機(jī);轉(zhuǎn)子;相關(guān)問(wèn)題

        自改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,對(duì)電力的需求也在不斷增加。作為電能的直接生產(chǎn)者,汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展在電力工業(yè)中占有舉足輕重的地位,其發(fā)展歷史是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新,尤其體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子相關(guān)問(wèn)題的研究上。

        1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子常見(jiàn)的相關(guān)問(wèn)題

        1.1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子流量、溫度分布特點(diǎn)

        汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)會(huì)不可避免的產(chǎn)生摩擦,一般來(lái)說(shuō)空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻介質(zhì)都是空氣,而摩擦所產(chǎn)生的損耗會(huì)通過(guò)熱傳遞的方式影響周圍的冷卻介質(zhì),因此汽輪發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)的分布會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子風(fēng)道內(nèi)冷卻介質(zhì)的流場(chǎng)分布產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí),溫度過(guò)高造或溫度分布不均會(huì)引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)的情況,這也是發(fā)電機(jī)發(fā)生故障的預(yù)兆。所以要保障一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行,就需要使其轉(zhuǎn)子內(nèi)部各部件的溫度不超過(guò)絕緣材料所允許的最大限度,保障溫度分布均勻,杜絕局部過(guò)熱的現(xiàn)象,這也是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的宗旨。所以設(shè)計(jì)者在選擇最佳冷卻方案時(shí),往往會(huì)比較不同方案的流量分布,預(yù)測(cè)出高溫區(qū)所在位置及溫度分布的均勻性,再依靠這些特征做出最好的冷卻方案。

        1.2 汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)

        汽輪發(fā)電機(jī)組軸系有兩種振動(dòng)方式,即彎曲振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。汽輪發(fā)電機(jī)組在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)難以完全消除及外部阻力的影響,運(yùn)行過(guò)程中一定會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。就發(fā)電機(jī)本體而言,其振源來(lái)自定子鐵芯及轉(zhuǎn)子本身轉(zhuǎn)子。振動(dòng)的原因大致可分為兩個(gè)方面,其中機(jī)械原因大多是由于機(jī)組設(shè)計(jì)制造,安裝時(shí)存在漏洞,這些漏洞極易形成引起振動(dòng)幅值的加大。另外一個(gè)是電氣原因,也就是汽輪發(fā)電機(jī)外部干擾引起的激振力的變化,例如,發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子氣隙不均勻、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路或兩點(diǎn)接地、發(fā)電機(jī)三相負(fù)荷不對(duì)稱及不對(duì)稱短路、氫內(nèi)冷及水內(nèi)冷轉(zhuǎn)子內(nèi)冷同路局部堵塞導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子熱彎曲等。

        1.3 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道對(duì)其溫度分布的影響

        對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組件來(lái)說(shuō),空冷通道的散熱能力至關(guān)重要。如果空冷通道的散熱能力存在問(wèn)題,局部產(chǎn)生的熱量發(fā)散不出去,就會(huì)大大的縮短汽輪發(fā)電機(jī)的使用壽命??绽淦啺l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道都是由副槽通風(fēng)溝、槽楔出風(fēng)口、楔下墊條和徑向通風(fēng)溝這四部分組成,內(nèi)部幾何構(gòu)造比較復(fù)雜,從而使得通過(guò)風(fēng)道的流體形態(tài)變化多端,沿軸向及徑向通風(fēng)道內(nèi)的速度和溫度分布差異很大,嚴(yán)重影響了風(fēng)道內(nèi)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)和散熱。因此,為了能夠得到均勻的溫度分布,可以在以往150MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,采用有限體積法,改變副槽的徑向通風(fēng)溝的幾何量,求解轉(zhuǎn)子本體及通風(fēng)道內(nèi)空氣的傳熱及紊流流動(dòng)等二維離散方程組。研究結(jié)果表明,在同一個(gè)入風(fēng)口不變的情況下,兩條徑向風(fēng)溝相對(duì)于一條徑向風(fēng)溝時(shí),傳熱與散熱的效果好,并存在最佳中心距。

        1.4 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        近年來(lái),隨著空冷汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)路不斷加長(zhǎng),單機(jī)容量不斷增大,轉(zhuǎn)子端部繞組通風(fēng)道結(jié)構(gòu)比較常見(jiàn)的有軸向內(nèi)冷、軸向加補(bǔ)風(fēng)等結(jié)構(gòu)。通風(fēng)道結(jié)構(gòu)的不同直接導(dǎo)致通風(fēng)方式與效果的不一樣,還會(huì)直接影響轉(zhuǎn)子的風(fēng)量分布、冷卻效果、峰值溫度大小及所在位置?,F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外越來(lái)越重視空冷汽輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)及冷卻研究,國(guó)內(nèi)運(yùn)用CFD原理進(jìn)行發(fā)電機(jī)內(nèi)通風(fēng)分布規(guī)律的研究也逐漸展開(kāi)。然而,現(xiàn)如今研究所用的物理模型大多不連續(xù),有局限性,無(wú)法揭示整槽整齒連續(xù)的風(fēng)量分布及溫度分布變化特性,軸向?qū)峥紤]不充分。

        2 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子常見(jiàn)相關(guān)問(wèn)題的分析與解決

        2.1 理想通風(fēng)結(jié)構(gòu)特性分析

        轉(zhuǎn)子的熱傳導(dǎo)的方式存在特殊性,其傳導(dǎo)特征也隨發(fā)生位置的不同而不同。轉(zhuǎn)子表面雜散損耗是以熱的形式向轉(zhuǎn)子齒部傳遞的,所以順著半徑減小方向的轉(zhuǎn)子齒部溫升逐漸降低。而在副槽兩側(cè)齒部這個(gè)位置的溫升,則是沿軸向逐漸增大,這是因?yàn)楦辈蹆蓚?cè)的齒部溫度沿著副槽內(nèi)空氣的軸向流動(dòng),副槽內(nèi)的空氣流速不斷減小。由于轉(zhuǎn)子端部熱量主要來(lái)自銅耗,所以轉(zhuǎn)子表面的雜散損耗可以忽略不計(jì),因此端部直段繞組的溫升最低。在轉(zhuǎn)子端部弧段處設(shè)置一個(gè)扇形絕緣擋塊可以有效的使冷熱風(fēng)區(qū)差別明顯。對(duì)于大容量空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子而言,當(dāng)在端部直段加補(bǔ)風(fēng)口,弧段布置兩處進(jìn)風(fēng)口的通風(fēng)結(jié)構(gòu),然后再調(diào)整補(bǔ)風(fēng)口的幾何大小,從而調(diào)節(jié)端部弧段間與軸徑向段的冷卻風(fēng)量,但其結(jié)果會(huì)是總進(jìn)風(fēng)量小,繞組溫度高。而采用獨(dú)立風(fēng)路分別對(duì)轉(zhuǎn)子端部弧段繞組和軸徑向段繞組進(jìn)行冷卻,通過(guò)改變端部進(jìn)風(fēng)口和位置,調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量分布,可以得到各段繞組溫升低且分布較均勻的理想通風(fēng)方案。副槽前端徑向風(fēng)溝迎風(fēng)側(cè)比背風(fēng)側(cè)的空氣溫度相對(duì)較低,中心對(duì)稱面附近徑向風(fēng)溝中,迎背風(fēng)側(cè)空氣溫度趨于均勻,另外,沿著半徑方向繞組溫度逐漸升高,徑向溫差逐漸變小。

        2.2 發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的危害

        發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)對(duì)其能否持續(xù)可靠的運(yùn)行有著很大的影響,對(duì)發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō),產(chǎn)生超限幅值的振動(dòng),將會(huì)破壞機(jī)組密封系統(tǒng),使連接部件松馳和壓力增大,還會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子滑環(huán)和電刷嚴(yán)重磨損以及產(chǎn)生環(huán)火,使機(jī)組連軸器發(fā)生故障,嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)組成部分,對(duì)發(fā)電機(jī)組自身及周圍物品產(chǎn)生災(zāi)難性影響。影響發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行甚至損毀的事故中,由振動(dòng)異常引起的實(shí)例不在少數(shù),所以認(rèn)識(shí)到發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的危害尤為重要。

        2.3 改進(jìn)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的結(jié)構(gòu)

        轉(zhuǎn)子通風(fēng)道幾何形變對(duì)其內(nèi)部的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)都有著決定性的影響。合理調(diào)整副槽形狀、徑向風(fēng)溝的間距及楔下墊條內(nèi)的通風(fēng)道尺寸,再加上較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道內(nèi)部的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可以使得轉(zhuǎn)子各部件內(nèi)部溫度分布更加均勻,從而保證電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行及其正常使用壽命,同時(shí)提高發(fā)電機(jī)的效率。經(jīng)研究表明,在同樣入口流速下,兩條徑向風(fēng)溝比一條徑向風(fēng)溝散熱量多,此時(shí)轉(zhuǎn)子截面相同半徑處,溫度分布均勻并且中心距存在最佳值。把副槽從矩形改裝成為梯形,風(fēng)道上底的面積大小對(duì)轉(zhuǎn)子溫度均勻分布及最高溫度值的影響可以忽略不計(jì)。另外,轉(zhuǎn)子風(fēng)道末端設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是槽楔出風(fēng)口的尺寸,減小該尺寸可以提高最高溫度值,這為改進(jìn)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

        2.4 端部進(jìn)、補(bǔ)風(fēng)口的布置

        在端部進(jìn)風(fēng)加直線段補(bǔ)風(fēng)的空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)設(shè)計(jì)研究中,控制端部、副槽通風(fēng)段長(zhǎng)度與軸徑向段等變量后發(fā)現(xiàn):溫度場(chǎng)的整體分布受端部進(jìn)、補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置方式的影響較大。在端部弧段開(kāi)設(shè)一組進(jìn)風(fēng)口,端部軸向段開(kāi)設(shè)一組補(bǔ)風(fēng)口時(shí),轉(zhuǎn)子繞組整體溫差最小,溫度場(chǎng)的均勻性較好。僅在端部弧段開(kāi)設(shè)兩組進(jìn)風(fēng)口,端部繞組溫度最低,軸徑向段繞組溫度最高。而在端部弧段開(kāi)設(shè)兩組進(jìn)風(fēng)口,直線段同時(shí)開(kāi)設(shè)補(bǔ)風(fēng)口時(shí),軸徑向段繞組溫度最低,而繞組最高溫度出現(xiàn)在中心對(duì)稱面處。所以端部進(jìn)、補(bǔ)風(fēng)口布置位置和個(gè)數(shù)能對(duì)冷卻空氣及繞組溫度分布產(chǎn)生巨大影響,不僅可以決定溫度峰值的位置,還可調(diào)節(jié)溫度峰值大小,從而進(jìn)一步改變軸向溫差大小。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此之前研究幾乎都是針對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行局部特征研究,把計(jì)算區(qū)域劃定在轉(zhuǎn)子的一個(gè)軸向單元。而這些研究很難反映風(fēng)溝內(nèi)各處對(duì)流換熱性能不均勻的本質(zhì),以及轉(zhuǎn)子溫度的軸向變化情況。這些研究很難反映風(fēng)溝內(nèi)各處對(duì)流換熱性能不均勻的本質(zhì),以及轉(zhuǎn)子溫度的軸向變化情況。

        參考文獻(xiàn)

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