发电机转子课程设计说明书.doc

2007 级机械工程及自动化专业专业课程设计说明书设计题目：大型发电机转子部件结构设计与加工工艺班 级： 大型发电机转子部件结构设计与加工工艺摘要：本文介绍发电机的工作原理、主要组成部件， 重点介绍大型汽轮发电机的转子部件结构及加工工艺。并对发电机的冷却方式和励磁控制系统做了简单介绍。关键词：大型发电机 转子部件结构 转轴 加工工艺一、发电机概述 发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。 发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。 发电机分直流发电机和交流发电机两大类，后者又可分为同步发电机和异步发电机。现代电厂中最常用的是同步发电机。同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。最常用的是转场式同步发电机,其定子铁心的内圆均匀散布着定子槽，槽内嵌放着按规律排列的三相对称绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成必定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的散布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。 原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割活动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。所谓的同步就是转子的转速等于定子旋转磁场的转速。它由直流电流励磁，既能提供有功功率，也能提供无功功率，可满足各种负载的需要。异步发电机没有独立的励磁绕组，其结构简单，操作方便，但不能向负载提供无功功率。因此，异步发电机运行时必须与其他同步发电机并联，或并接相当数量的电容器。直流发电机有换向器，结构复杂，价格较贵，易出故障，维修困难?效率也不如交流发电机。故自20世纪50年代以后，直流发电机逐渐为交流电源经功率半导体整流获得的直流电所取代。发电机还可分为单相发电机与三相发电机。 汽轮发电机 与汽轮机配套的发电机。为了得到较高的效果，汽轮机平常做成高速的，通常为3000转分（频率为50赫）或3600转分（频率为60赫）。核电站中汽轮机转速较低,但也在1500转/分以上。高速汽轮发电机为了削减因离心力而发生的机械应力以及下降风摩耗，转子直径平常做得比力小，长度比力大，即采取细长的转子。额外是在3000转分以上的大容量高速机组，由于原料强度的关连，转子直径受到严厉的节制，平常不及超出 1.2米。而转子本体的长度又受到临界速率的节制。当本体长度到达直径的6倍以上时,转子的第二临界速率将靠近于电机的运转速率，运行中也许产生较大的振动。以是大型高速汽轮发电机转子的尺寸受到严厉的节制。10万千瓦左右的空冷电机其转子尺寸已到达上述的极限尺寸,要再增大电机容量,只有靠增加电机的电磁负荷来实现。为此务必增强电机的冷却。以是 510万千瓦以上的汽轮发电机都采取了冷却成效较好的氢冷或水冷技能。70年代以来，汽轮发电机的最大容量已到达130150万千瓦。从1986年以来，在高临界温度超导电原料切磋方面取得了重大突破。超导技能可望在汽轮发电机中得到应用，这将在汽轮发电机成长史上发生一个新的飞电磁感觉定律。 发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。 二、发电机的工作原理 按照电磁感应定律，导线切割磁力线感应出电动势，这是发电机的基本工作原理。图 1 为同步发电机的工作原理图。发电机转子与汽轮机转子为同轴连接，当蒸汽推动汽轮机高速旋转时，发电机转子随着转动。发电机转子绕组内通入直流电源后，便建立了一个磁场，这个磁场有一对主磁极，它随着汽轮机发电机转子旋转。磁通自转子的一个极（N 级）出来，经过空气隙、定子铁芯、空气隙，进入转子另一个极（S 极）构成回路。图1 同步发电机的工作原理 图2 发电机出线的接线发电机转子具有一对磁极，转子旋转一周，定子绕组中感应电动势正好交变一次（假如发电机转子为 P 对磁极是，转子旋转一周，定子绕组中感应电动势交变 P 次）。当汽轮机以每分钟 3000 转旋转时，发电机转子每秒钟要旋转 50 周，磁极也要变化 50 次，那么在发电机定子绕组内感应电动势也变化 50 次。这样，发电机转子以每秒 50 周的恒速旋转，在定子三相绕组内感应出相位不同的三相交变电动势，即频率为 50Hz 的三相交变电动势。这时若将发电机定子三相绕组引出线的末端（即中心点）连在一起，绕组的首端引出线与用电设备相连，就会有电流流过，如图 2 所示。三、发电机的结构目前我国热力发电厂的发电机皆采用二极、转速为 3000r/m 的卧式结构。如图 3 所示，发电机最基本的组成部件是定子和转子。 图3 发电机的主要部件定子由铁芯和定子绕组构成，固定在机壳（座）上；转子由轴承支撑置于定子铁芯中央， 转子绕组上通以励磁电流。图5 600MW汽轮发电机结构示意图（一）定子定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。1.定子铁芯定子铁芯是构成发电机磁路并固定定子绕组的重要部件，如图6所示。为了减少铁芯的磁滞和涡流损耗，现代大容量发电机定子铁芯常常用磁导率高、损耗小、厚度为 0.350.5mm 的优质冷轧硅钢片叠装而成。每层硅钢片由数张扇形片拼成一个圆形，每张扇形片都涂了耐高温的无极绝缘漆。 图6 定子铁芯2. 定子绕组定子绕组嵌放在定子铁芯内圆的定子槽中，分三相布置，互成 120电角度，以保证转子旋转时在三相定子绕组中产生互成 120相位角的电动势。大容量发电机定子绕组和一般交流发电机定子绕组的共同点，都采用三相双层短节距分布绕组，目的是为了改善感应电动势的波形，即消除绕组的高次谐波电动势，以获得近似的正弦波电动势。 定子绕组采用叠式绕组，每个绕组都是由两根条形线棒各自做成半匝后，构成所谓单匝式结构，然后在端部线鼻处用对接或并头套焊接结成一个整单匝式绕组。绕组按双层单叠的方式构成的一个极相组。600MW 发电机的定子绕组都采用单匝短距上层叠绕，三相接成双星型（YY）。 绕组每匝绕组的端部（伸处铁芯槽外部分）都向铁芯的外侧倾斜，按渐开的形式展开。端部绕组向外倾斜角为 1530左右，形式花篮，故称篮型绕组，如图 7 所示图7 定子绕组端部结构3、机座与端盖机座的作用主要是支撑和固定定子铁芯和定子绕组，同时在结构上还要满足电机的通风和密封要求。如果用端盖轴承，它还要承受转子的质量和电磁力矩。氢冷发电机的机座除了满足上述一般发电机要外，还要能防止漏氢和承受氢气的爆炸力。机座由高强度优质钢板焊接而成。端盖是电机密封的一个重要组成部分，为了安装、检修、拆装方便，一般端盖由水平分开的上下两半构成，采用钢板焊接结构或铝合金铸造而成，大容量的发电机常采用端盖轴承， 轴承装在高强度的端盖上。（二）转子 发电机的转子主要由转子铁芯、励磁绕组（转子线圈）、护环、和风扇等组成。由于发电机转速高，转子受到的离心力很大，所以转子都呈细长形，且制成隐极式，以便更好地固定励磁绕组。 图8 转子装配图转子的作用转子的作用是传递汽轮机供给的负载转矩，同时由于转子绕组固定在转子本体上，当转子绕组通以励磁电流时，在转子本体上产生强大的磁场，该旋转磁场等你大部分经转子铁心 气隙和定子铁心形成闭合回路，构成主磁通，一小部分磁通经转子本体和气隙形成回路即转子路磁通；这两部分磁通以不变的磁通量和方向随旋转的转子作用在定子绕组和定子铁心上，传递电磁功率。转子的结构 转子总体上包括转轴（包含转子本体）、转子绕组、槽绝缘、槽碶、护环、中心组、阻尼绕组、转子绕组引线、风扇、滑环、联轴器等，图8为一转子装配图。若是水冷转子绕组还需要有进、出水的汇水箱、转子绝缘引水管及固定引水管构件。 大型汽轮发电机在800-900MW以下容量大都为2极隐极式，即转子转速为3000R/min或3600r/min。而900MW及以上容量大都是4极隐极式。即转子转速1800r/min或1500r/min。1 .转轴 转轴中间部分比其他部分直径大，长度长，其表面加工转子槽，放置转子绕组，这部分称为转子本体，转子本体的两侧阶梯行轴上布置着转子绕组端部、护环、中心环、风扇装置、转子绕组引线、滑环、联轴器等。转轴的一端联轴器与汽轮机转子轴连接，另一端联轴器与励磁机转子连接，如图9所示。 图9 转轴大容量的汽轮发电机转子铁芯采用机械强度高、导磁性能好的优质合金钢锻件（如镍铬钼钒、镍铬钒、钒镍钼等），经检验合格后，经加工制成。转子的直径最大已达 1.25m,其中心孔的切向应力已接近目前锻件允许应力的极限。转子本体表面沿圆周铣有若干轴向槽，在横断面上槽的分布方式有平行槽和辐射槽两种，采用最多的是辐射槽，如图10所示。槽与槽之间的部分为齿，未加工的部分通称为大齿，其余称小齿。大齿作为磁极的极身，是主要磁通回路。 图10 转子槽分布图 126MW以上容量发电机转子本体在大齿表面上沿轴向铣出一定数量的圆弧形横向月牙槽，使大齿区域和小齿区域两个方向刚度接近相等，以降低转子双频振动。横向月牙槽数量和尺寸依转子直径确定，也可由计算确定，即将转子断面上各槽的惯性矩采用分块计算，按弹性模量等效，按角度求和的方法，可较准备地计算转子的断面上的惯性矩差。若大齿上开有轴向阻尼槽时，计算大齿横向槽惯性矩差应考虑它对相交的槽的影响。在加工后尚需检验两个轴线上的静饶度是不是相同。3、转子护环 护环对转子绕组端部起着固定、保护、防止变形的作用。承受着转子的弯曲应力、热套应力和绕组端部及本身的巨大离心力。护环通常用非磁性高合金奥氏体钢锻制而成，所以钢种大多属 MnCr 系列。鉴于过去常用的 18Mn5Cr、18Mn4Cr 护环钢在湿度较高环境中易于发生应力腐蚀产生裂纹。近年来的发展以证明，含有 18%锰（Mn）及 18%铬（Cr）的奥氏体合金钢可以避免应力腐蚀裂纹。必须指出的是，护环的破裂会导致电机的严重损坏，至少需要几个月的停机检修。 护环的嵌装有以下三种基本形式： （1）护环只通过中心环嵌装，护环端头与转子本体脱离，叫做分离式嵌装。 （2）护环同时嵌装在转子本体和中心环上，叫做两端固定式嵌装。 （3）护环只嵌装在转子本体上，叫做悬挂式嵌装。 脱离式嵌装的护环边端与绕组之间有相对位移，只适用与小容量电机。两端固定式嵌装的护环，采用弹性中心环后，可用于较大容量的电机。大容量汽轮发电机常采用悬挂式嵌装的护环。4、风扇两个同样的风扇装于发电机转子的两侧，用以加快氢气哎定子铁芯和转子部位的循环，用以提高冷却效果。通常采用离心式或轴流式风扇。5、中心孔转轴内部通有长轴向中心孔，对应与本体部分的中心孔用导磁中心轴填塞，以减少铁轭部磁阻。四、发电机转轴加工工艺从整体上来看，汽轮发电机的工艺特点如下：汽轮发电机的生产类型是单件或小批量的。即使在一些最大的机电厂中，也只有少量的汽轮发电机同时进行生产。同型号的几台发电机通常不会同时投产。汽轮发电机的试生产实际上是没有的。新型产品的样机是供某电站使用的；其设计与工艺文件的修改是与发电机在车间的生产并行的。样机必须在试验台经过仔细试验，这是因为在下一台电机投产之前还不可能得到样机运行的结果。大型零部件的生产通常是单件的，但定子绕组是批量生产的，多种型号的绕组生产过程可以连续不断的。此外，定子铁心扇形冲片、转子槽楔和风扇叶片等的生产批量也是较大的。零部件制造的工艺过程是根据工序集中的原则安排的，这完全符合重型电机制造的特点。大而复杂的零件放置、找正和固定的辅助工时占发电机制造总工时的大部分。零部件制造所用的设备，除大型通用机床和可移动的机床外，还需要较大的非标准设备。某些零件（如定子铁心压指）以尽可能多的数量同时在机床的工作台上进行加工，使其尺寸达到完全互换。许多部件（如轴瓦、轴承座、密封、端盖等）的工艺特点是以组装的形式进行最后机械加工的。转轴是由昂贵的合金钢锻件制成的，其机械加工量很大，转子本体上总长数百米嵌线深槽的铣削是其他机械制造部门所没有的，这道工序是在大型的专用转子铣槽机上进行的。转轴在实验室内用试样进行全面检查。整个转轴应用超声波探伤法检查，以发现可能存在的气孔和其他内部缺陷。对转子护环也应进行仔细检查，其机械特性相当于冶金能力的上限。中心环、护环、集电环和风扇均采用热套法安置。1. 转轴的材料大容量的汽轮发电机转子铁芯采用机械强度高、导磁性能好的优质合金钢锻件（如镍铬钼钒、镍铬钒、钒镍钼等）加工制造。对于火电站大型汽轮发电机这类要求运行期间负荷变化及频繁启停的电机，国内外大型汽轮发电机转子轴大都采用NiCrMoV钢材料。2. 转轴主要参数及结构特点国内转子主要尺寸和质量机组（冷却方式）转子本体直径（mm）转子本体长（mm）转子全长/跨距（mm）轴颈 汽/励（mm）转子质量t中国QFSN-200-2109048101068042.8QFS-300-21100542012420/10110430/43057QFSN-300-21100530011265/9640430/43053QFSN-600-21103625012025/10400500/50072图11 转轴结构3. 转轴的加工工艺过程转轴加工主要工艺过程为： 转轴锻件检查、 切试， 转轴车序加工，转轴铣序加工，转轴镗序加工， 转轴钻序加工等。 1）转轴锻件检查、 切试 转轴锻件进厂开箱后，应严格按照设 计图纸及有关订货技术规范进行验收， 供货方提供的所有资料必须齐全，不合要求的锻件不能投入切试、 加工等有损原始状况的工序。2）转轴车序加工工艺 转轴车序的加工在重型数控卧车上进行。 目前汽( 燃气) 轮发电机转轴车序加工常规工艺方法为万向节双托架支撑方式，即由万向联轴节传递力矩， 在转轴汽、 励端轴颈或挡油台等部位采用中心架支撑的方式， 采用这种加工工艺能很好地解决 由于机床 自身传动机构 ( 机械部件) 间隙等因素对加工精度带来的负面影响。万向节 双托架支撑方式如图12所示。 图12 万向节 双托架支撑方式 图13 15m数控转子卧床此车床具有加工1000MV级转子的能力，有效提高转子的加工质量。3）转轴铣序加工工艺转轴铣序加工在I N N S E数控转子铣床上进行。 下线槽的铣削加工工艺， 即用盘铣刀粗铣、 半精铣下线槽， 用棒铣刀精铣下线槽， 利用设备的数控分度精度来保证下线槽的分度精度。I N N S E数控转子铣床采用静压支撑系统， 为此为汽轮发电机转轴特制了静压支撑瓦。 图14 数控转子槽铣床 图14 所示数控转子槽铣床具有加工1000MV级转子的能力，通过主槽铣头及3个附件头的主轴数控功能，加工发电机转轴上的各类型槽型。4）转轴镗序加工工艺 利用专用的联轴器镗模加工联轴器孔。五、汽轮发电机冷却方式简介 发电机运行时，其内部产生的各种损耗转化为热能，会引起发电机发热。尤其是大型汽轮发电机，因其结构细长，中部热量不易散发发热问题更显得严重。发电机的发热部件，主要是定子绕组、定子铁芯、转子绕组以及铁芯两端的金属部件，必须通过高效的冷却措施，使这些部件发出的热量及时散发出去，保证发电机各部分温度不超过允许值。 在汽轮发电机的发展过程中，冷却方式的发展一直占有主导地位。它关系到整个发电机的技术经济指标以及运行的可靠性，各国对此问题都极为重视，一直在试验的基础上不断取得新的进展，主要采用了冷却效果好的冷却介质，并发展了把冷却介质引入载流导体内的直接冷却技术，即所谓绕组的内部冷却方式。目前大型发电机的冷却介质主要有空气、氢气、水和油。相对冷却能力的比较，水的冷却能力最好。 在发电机冷却系统中，冷却介质可以按不同哦的方式组合。600MW 汽轮发电机的冷却方式主要有以下几种。 （1） 全氢冷：定、转子绕组采用氢内冷，定子铁芯（包括其附件，下同）采用氢冷。 （2） 水氢氢冷：定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定子铁芯氢冷。 （3） 水水氢冷：定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、定子铁芯氢冷。 （4） 双水内冷：定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、定子提心空冷。六、发电机励磁控制系统 同步发电机的励磁系统主要由励磁功率单元和励磁调节器（装置）两大部分构成。励磁功率单元，是指同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的电源部分。而励磁调节器，则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则，控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统，称为励磁控制系统。（一） 励磁系统的主要作用励磁系统是发电机的重要组成部分，它对电力系统级发电机本省的安全稳定运行有很大的影响。励磁系统的主要作用是： （1）发电机正常运行是，按主机负荷情况供给和自动调节励磁电流，以维持一定的端电压和无功功率的输出；（2）发电机并列运行时，是无功功率分配合理； （3）当系统发生突然短路故障时，能对发电机的进行强励，以提高系统运行的稳定性，短路故障切除后，使电压能够迅速恢复正常； （4）当发电机负荷突减时，能进行强行减磁，以防电压过分升高； （5）发电机发生内部故障，如匝间短路或转子发生两点接地短路故障跳闸后，以及正常停机能对发电机自动灭磁。（二）励磁方式获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励