董江偉，胡金巖，陳 旭，辛 雷，袁 林

(山東齊魯電機制造有限公司，山東濟南 250100)

0 引言

隨著國外市場對60 Hz空冷汽輪發(fā)電機產(chǎn)品需求的不斷增加，公司需開發(fā)更多60 Hz產(chǎn)品以滿足市場的需求，VPI(Vacuum Pressure Impregnation)整浸空冷汽輪發(fā)電機具有效率高，故障率低的特點，深受用戶青睞。公司決定把國內(nèi)技術(shù)與國外技術(shù)結(jié)合起來，借用WX14Z產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，開發(fā)一種6 MW 60 Hz新型VPI整浸空冷汽輪發(fā)電機。

1 方案設(shè)計

我公司引進的WX產(chǎn)品采用系列化、模塊化設(shè)計，從便于制圖、采購和制造角度出發(fā)，保持截面不變，而只改變長度最為方便經(jīng)濟。因此電磁設(shè)計通常建立在有規(guī)律分布的幾檔直徑和長度上。模塊化設(shè)計時，針對每個截面可選定最小和最大長度、確定最小和最大功率，在機械特性、通風(fēng)和效率等相應(yīng)的極限下進行設(shè)計。最大長度限定的要求是：不需要昂貴的結(jié)構(gòu)部件并能解決問題。最小長度則受到性能要求的限定，應(yīng)在合理的利用系數(shù)下保持理想的效率[1]。

設(shè)計基本參數(shù)

額定功率：6 000 kW

功率因數(shù)：0.8

額定電壓：13 800 V

額定轉(zhuǎn)速：3 600 r/min

6 MW發(fā)電機用引進電磁計算程序進行計算，最大效率96%，遠低于6 MW效率97.8%的國標(biāo)最低要求。因此需要用國內(nèi)的電磁計算程序進行計算，首先是定子鐵心內(nèi)徑的確定，WX14Z產(chǎn)品定子鐵心內(nèi)徑760 mm，該內(nèi)徑與國產(chǎn)12 MW定子鐵心內(nèi)徑762 mm基本一致，可以在12 MW計算單的基礎(chǔ)上改進，有了定子鐵心內(nèi)徑就可以對定子鐵心長度進行選擇，計算電機利用系數(shù)。

電磁功率S公式為：

S=CD2ln

式中：C為電機利用系數(shù)；D為定子鐵心內(nèi)徑；l為定子鐵心有效長度；n為轉(zhuǎn)速。

對于一般空氣冷卻的電機，其利用系數(shù)約為1.5～9，并且隨著容量增加利用系數(shù)也在增大[2]，原有12 MW發(fā)電機利用系數(shù)計算12 000=C×0.7622×2×3 000，得出C=3.4。WX14Z最短檔1 020 mm(方案1)、1 260 mm(方案2)檔數(shù)據(jù)見表1。

表1 方案對照參數(shù)表

從電機利用系數(shù)看，方案1更好一些。發(fā)電機設(shè)計主要的公式：

W1=Sn1·p·q1/a1；q1=Z1/(6p)

式中：E為相電勢；KW1為定子繞組系數(shù)；W1為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；f為頻率；Bδ為氣隙磁密；aδ為極弧系數(shù)；lδ為氣隙長度；D為氣隙平均直徑；p為極對數(shù)；Z1為定子槽數(shù)；Sn1為每槽導(dǎo)體數(shù)；q1為每極每相槽數(shù)。由上述公式可確定槽數(shù)等其他輸入數(shù)據(jù)。

方案1長度1 020 mm短，槽數(shù)66多，經(jīng)計算出槽口線圈間距21；方案2長度1 260 mm長一些，槽數(shù)54，出槽口線圈間距29。因額定電壓13.8 kV，出槽口線圈間距不能過小，21雖然偏小但也滿足設(shè)計要求。輸入數(shù)據(jù)設(shè)計完畢，具體輸出數(shù)據(jù)見表2。

表2 方案輸出數(shù)據(jù)表

60 Hz一般用于國外項目，國內(nèi)項目短路比FK0≥0.35。國外項目有的要求比較高，需要≥0.5；超瞬變電抗Xd”v國內(nèi)項目≥0.1，國外項目有的≥0.15；效率N%方案1滿足國標(biāo)要求，方案2稍小。從方案1和方案2的定子繞組溫升@CU1、定子鐵心溫升@FE、轉(zhuǎn)子繞組的平均溫升@CU2來看，離限制溫度還比較遠，發(fā)6 MW都不處于滿發(fā)狀態(tài)，有比較大的超發(fā)裕量。分析方案1和方案2，方案1更適合6 MW，方案2可用于更大容量的產(chǎn)品。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該型空冷汽輪發(fā)電機主要由定子(含端蓋)、轉(zhuǎn)子、軸承、勵磁機幾大部分組成，采用定子空外冷、轉(zhuǎn)子空外冷冷卻方式，經(jīng)濟性好。結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 發(fā)電機結(jié)構(gòu)

2.1 定子

我國國內(nèi)定子線圈傳統(tǒng)方法是模壓線圈，相比模壓線圈，引進技術(shù)的整浸線圈有以下優(yōu)點：

(1) 設(shè)計簡單，研發(fā)時間短。模壓線圈圖紙設(shè)計計算復(fù)雜，耗費時間多；整浸線圈采用引進的專用程序計算，設(shè)計時間短，新產(chǎn)品研發(fā)快，可用于交貨時間短的產(chǎn)品。

(2) 制造工藝簡單。采用少膠云母帶連續(xù)包繞繞組，嵌入定子鐵心后再整體浸漬，相比整浸線圈節(jié)省工時，簡化制造過程，降低成本，不易損傷繞組絕緣。

(3) 整浸可提高電機繞組的整體性，消除定子繞組位移引起的絕緣磨損，不容易發(fā)生匝間短路故障及更嚴(yán)重的定子繞組接地故障。

(4) 整浸提高定子繞組和定子鐵心的導(dǎo)熱性，降低電機的運行溫度，提高了壽命。

(5) 電機適應(yīng)環(huán)境條件的能力強，保證了機組在高濕度、高帶電粒子、高海拔情況下的安全運行。

(6) 填充了絕緣內(nèi)部微孔和薄層間隙，并在絕緣表面形成了一層光滑而富有彈性的漆膜，使絕緣的均勻性、連續(xù)性和密實程度得到極大的改善，可有效地防止發(fā)生電暈現(xiàn)象。

2.2 轉(zhuǎn)子

從電磁計算可知，轉(zhuǎn)子繞組的平均溫升@CU2為55 K，遠小于90 K，因此放棄了性能好的轉(zhuǎn)子空心導(dǎo)線設(shè)計，轉(zhuǎn)而用經(jīng)濟性更好的實心導(dǎo)線。定子繞組溫升@CU1、定子鐵心溫升@FE也很低。轉(zhuǎn)子風(fēng)扇選用離心式風(fēng)扇，該風(fēng)扇產(chǎn)生的壓頭高，流量較小，效率約為30%[2]。中小型發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)最常采用離心式風(fēng)扇，因為它能產(chǎn)生較高的壓力。

2.3 軸承

發(fā)電機軸承采用φ200 mm×180 mm窄軸承，不再采用φ200 mm×200 mm寬軸承，小寬徑比更適合60 Hz產(chǎn)品，其優(yōu)點是增大壓力(單位面積載荷)而提高運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；增加流量而降低溫升；減小摩擦面積而降低摩擦損耗；減小軸向尺寸而減少占用空間[3]。

軸瓦材料選用ZG230-450，軸承座材料為HT200。軸瓦測溫元件選用WZPM2-201端面熱電阻，使測溫探頭與軸瓦充分接觸，提高了測量準(zhǔn)確度。

2.4 勵磁機

勵磁機用JL-50勵磁機，發(fā)電機空載額定電壓時勵磁機所需勵磁功率1.17 A×12.5 V(20 ℃)，發(fā)電機額定負(fù)載時勵磁機所需勵磁功率3.33 A×49.7 V(120 ℃)，發(fā)電機強勵時勵磁機所需最大勵磁功率(強勵時間不大于15 s)5.8 A×87 V。結(jié)構(gòu)上考慮到通用性，60 Hz勵磁機與50 Hz勵磁機通用。

3 性能對比

型式試驗后設(shè)計值、試驗值與GB/T 21663—2008《小容量節(jié)能環(huán)保隱極同步發(fā)電機技術(shù)要求》進行對比，見表3。

表3 性能要求

由表中數(shù)據(jù)可知，6 MW 13.8 kV 60 Hz整浸發(fā)電機在效率、振動、溫升等參數(shù)上均能滿足國標(biāo)要求，且留有較大的溫升裕量，短路比、超瞬變電抗值高，適合幾乎所有國外項目的特殊要求，具有通用性強的特點。

4 結(jié)語

6 MW 60 Hz整浸空冷汽輪發(fā)電機是WX14Z能設(shè)計的最小功率的發(fā)電機，該發(fā)電機的成功研制為系列電機的研發(fā)奠定基礎(chǔ)，今后6～25 MW之間的60 Hz整浸發(fā)電機研發(fā)不需要改動截面，改變長度就能設(shè)計完成，并能借用原來的工裝工藝，降低設(shè)計研發(fā)成本，縮短設(shè)計研發(fā)時間。該型整浸空冷汽輪發(fā)電機的成功研發(fā)，為用戶提供了更多選擇，提高了公司國外60 Hz市場的競爭力。