（电气工程专业论文）发电机转子过热原因分析探讨.pdf

a b st r a c t ： t h ef o u r2 2 0 m w t u r b i n e g e n e r a t o r s( q f s n - 2 2 0 - 2 ) o nu n it3 6a r e m a n u f a c t u r e db yb e i j i n gh e a v ye l e c t r o m e c h a n i c a lp l a n t t h eq f s n 一2 2 0 - 2g e n e r a t o r s c o o li n g w a t o t h y d r o g e n h y d r o g e nr e f e r t ow a t e r c o o l e d s t a t e r w i n d i n g 、 h y d r o g e n c o o l e d r o t o rw i n d i n ga n d h y d r o g e n c o o l e d s t a t o rc o r e t h eg e n e r a t o r v e n t i f a t i o ns y s t e mc o o l i n gi sg a pp i c k u pc o o l i n g d u r i n gt h ec o m p l e t eo v e r h a u l o nu n it5 ，t h el o o s ei n s u l a ti n gb l o c ka tt h et u r b i n ee n do ft h er o t o rw a so c c u r r e d a f t e rt h er o t o rw a sd r a w no u t ，t h eb l a c k e n i n gi n s u l a ti n gb l o c kw a so b t a i n e do nt h e b a s eo fu n h i n g i n gt h er e t a i n i n gr i n g b a s e do nt h ef o u n d a ti o n ，t h ee d g eb l o c k sl e e w a r d si d es e v e r eo v e r h e a tw h il et h er o t o rr o t a ti o n ，t h ee d g eb l o c kw i n d w a r dsi d es c a r c e l y o v e r h e a ta sw e l la st h ea x i a le d g eb l o c kn oo v e r h e a t m e a n w h il e ，t h eo v e r h e a t 6 8r o t o rt u r na r em o r es e v e r et h a n1 5r o t o rt u r n i s s u e so fe n dh e a t i n gw h i c hw a s r e s u lt e df r o mn o n u n i f o r mc o o li n ga r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e ra n dc o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n sa r eg i v e n w i t ht h et e s t i n g ，t e s td a t aa sb a s e ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e c r o s sc o o l i n ga i rv o l u m ei se n o u g hi ns t a t i cc e n d i t i o n ，t h eh e a t i n gd u et ot h e n o n u n i f o r md y n a m i cc o o li n ga i rv o l u m e ，t h ea i rv o l u m ew i n d w a r dsi d ei sl a r g e rt h a n t h a to fl e e w a r ds i d e ，w h i c hr e s u l ti nt h eo v e r h e a to ft h er o t o rw i n d i n gl e e w a r ds i d e t h es e v e r eo v e r h e a t6 8r o t o rt u r nb e c a u s eo fl o n gv e n tit a ti n gc i r c u i t ，l a r g ew i n d a g e a n ds m a lla i rv o l u m e i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s oa p p r o a c h e st h em a t t e r sn e e d i n g r a i s i n ga n di m p r o v e m e n t w i t ht h es t r u c t u r a ld e f e c ta b o u tt h eg e n e r a t o rr o t o ro nu n i t 5t h r o u g ht h eh a n d li n gs c h e m eo f0 0 0 li n gv e n tif a ti n gc i r c u it ，c o m b i n e dw i t h i m p r o v i n gt h ee d g eb l o c kt h e r m a lr a ti n g ，s oa st ot h ee n du n i f o r mh y d r o g e n ，i m p r o v i n g a i rc o o li n g ，li g h t e n i n gl o c a lo v e r h e a ti n g t h r o u g ho p ti m i z i n gt h ee q u i p m e n t ，t h es a f e a n ds t e a d yo p e r a t i o nr e q u i r e m e n to fu r l i ta r es a t i s f l e d t h er e p a i ra n dm a i n t e n a n c e o fs a m et y p ee q u i p m e n to ft h eo t h e rt h r e eu n i t so nu n i t3 、4 、6m a yu s et h i se x p e r i e n c e o nu n it5f o rr e f e r e n c e e y w o r d s ：g e n e r a t o r ；r o t o r ；e n d ；i n s u l a ti n gb l o c k ；h e a ti n g 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：t 仰包釜一一签字日期：渺? 年尹月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堑鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 锄碰 签字日期；砌7 年7 月7 日 撇名。黔 辩明2 下p 致谢 衷心感谢吴国忠教授的尽心指导! 感谢他的认真负责的态度，感谢他的高深渊博的知识， 感谢他的高瞻远瞩的目光 斗转星移，岁月匆匆回首硕士生活，学到了很多东西 感谢父母，感谢他们含辛茹苦把我养大，感谢他们的辛勤劳动 感谢所有帮助过的人，包括北京重型电机厂的工作人员在发电机转子改造处理过程中 得到北京重型电机厂不少经验，在此表示诚挚的谢意! 对支持完成学业的我厂有关领导在此一并表示感谢对文中疏漏欠缺之处，恳望同行们 不吝赐教，批评指正 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 汽轮发电机的冷却方式 随着我国国民经济的快速增长，电力的需求不断增加，电网的建设规模也不断扩大我 国电网的发电量中约8 0 是由大型汽轮发电机提供的，单机容量3 0 0 m w 一6 0 0 m w 级汽轮发电机 组正在逐渐成为我国电力工业的主力机组汽轮发电机单机容量的增大及其运行可靠性的提 高，在很大程度上取决于汽轮发电机冷却方式及其结构的发展。汽轮发电机最初采用空气表 面冷却，最大容量不超过1 0 0 m w 随着氢内冷和水内冷发电机的出现，才使单机容量提高到 3 0 0 t , f f ；以上单机容量的提高对冷却技术提出了更高的要求，汽轮发电机超负荷运行也需要 良好的通风冷却作为保障。因此，汽轮发电机的通风系统研究成为汽轮发电机研究中的重要 课题之一 大容量汽轮发电机由于具有良好的经济性而成为电力工业和电机制造业的发展重点。汽 轮发电机通风冷却方式与单机容量和性能之间存在制约的关系，是汽轮发电机向大容量、高 参数发展时需要解决的关键问题之一大型发电机是电网的主要设备之一，是电能的直接生 产者回顾电机向大型化的发展历程，能够发现冷却技术的改进对于电机的大型化起着至关 重要的作用，电机大型化的历程同时也是冷却技术逐步发展完善的过程传统的冷却方式主 要分为气冷和液冷两大类这些传统的冷却方式都各有其优缺点 1 1 1 冷却技术与单机容量的关系 汽轮发电机单机容量越大，经济性能越好这是因为总发电容量相同的发电机组，汽轮 发电机单机容量越大，单位千瓦消耗的材料越少，建设同样规模发电机组所耗费的工时越少， 电站相对安装工时和电站造价越低，安装维护以及正常运行的消耗越低，效率越高。单机容 量的增长是外形尺寸和电磁参数共同增长的结果。由于外形尺寸的增大受到定子运输尺寸和 转子锻件及转子挠度的限制，所以，提高单机容量必须更多的依靠电磁参数的提高。而电机 的铁芯、铜线以及绝缘材料等部件在电磁场中的发热是限制电磁参数提高的主要障碍这是 因为：若维持尺寸l 不变，则提高电磁密度将使发热量增加；若维持电磁密度不变，由于损耗 与1 3 成正比，而散热面积只与l2 成正比，增大几何尺寸l 后，热负荷和温升会以更大比例提 高如果不采用较好的散热系统( 采取加强通风、增大散热系数，扩大冷却表面等措施) ，单 机容量增大后发电机内部的温度将比原来高因此，冷却技术的进步，在单机容量的发展过 程中发挥着非常重要的作用 1 1 2 冷却技术与发电机性能的关系 不同冷却方式下，电机性能参数中最主要的变化是线负荷随冷却强化而增大线负荷的 浙江大学硕士学位论文绪论 增加使电磁损耗增加，但是由于采用了冷却能力强的介质，例如用氢气取代空气，通风损耗 将下降到原来水平的1 0 左右对于同等容量电机来说。总损耗非但不会增加，反而会明显 减少因此，以氢气取代空气作为冷却介质，效率将有所提高。电机的损耗主要包括铁损耗、 铜损耗、励磁损耗和机械损耗电机中采用风扇强迫冷却介质在电机内部流动所消耗的能量， 属于机械损耗，例如风扇的通风损耗和风道的风摩损耗二极空冷汽轮发电机的通风损耗和 风摩损耗大约占总损耗的三分之一以上对于不同的冷却介质，冷却能力越强，所需要的流 量越小，通风损耗和风摩损耗越小，电机效率越高例如氢气冷却能力比空气强，同等容量 的氢冷电机的效率一般都高于空冷电机对于同一种冷却介质来说，流量越大，流速越高， 压力、密度越大，冷却效果越好，但是相应的流动损耗和风摩损耗越大，电机效率越低例 如氢内冷的效率比氢外冷效率有所下降，空冷的效率又比氢冷有所下降但是冷却强化后， 电机线负荷增大，将会导致材料消耗的降低一般来说，水冷的材料消耗最低，水氢冷次之， 氢内冷低于氢外冷，空冷材料消耗最高电机冷却方式对于材料的性能也有一定影响电机 内部对温度最敏感的是绝缘材料，例如包裹在绕组导线上的玻璃纤维等。这些绝缘材料，在 电机发热的影响下，其物理、电气及力学性能都要发生变化，当温度升高到一定值时，绝缘 材料将失去绝缘作用。德国学者蒙幸格尔最早提出：绝缘材料的绝缘寿命与电机持续运行温 度呈指数规律变化，对b 、f 、h 级绝缘，温度每上升1 0 1 3 、1 2 1 3 、1 4 c ，寿命将缩短一半除 了绝缘材料外，电机中金属件的强度和硬度也会随着电机温度的升高而下降当温度超过2 2 0 时，常用电解铜的硬度会迅速下降，温度达到2 8 0 ( 3 时，硬度只有原来的1 2 左右此外， 电机的发热还会造成材料热变形，振动、磨损等运行问题。 1 1 3 汽轮发电机冷却方式分类 汽轮发电机的冷却方式是指在发电机内部循环的冷却介质与发电机内部损耗进行热交换 的方式，冷却介质的种类及其循环方式汽轮发电机的冷却方式与以下因素有关： ( 1 ) 发电机容量、结构尺寸、电磁负荷的损耗密度； ( 2 ) 冷却选用的冷却介质及其热力特性，冷却介质与发热部件的接触方式； ( 3 ) 发电机选用的绝缘等级、金属材料受热性能； ( 4 ) 发电机效率、经济性和寿命 1 1 3 1 空气冷却 1 9 世纪末，欧洲已经开始生产小型汽轮发电机，1 9 1 2 年英 p a r s o n s 公司开始生产4 极 2 5 m w 汽轮发电机到2 0 年代，美国和欧洲其它一些国家也开始生产类似的汽轮发电机2 0 世 纪3 0 年代以前，汽轮发电机基本上处于单一的空气冷却阶段 2 浙江大学硕士学位论文绪论 1 9 5 4 年，上海电机厂制成了国产第一台容量为6 1 v l w 的空冷汽轮发电机1 9 5 8 年该厂与哈尔 滨电机厂相继制成2 5 m w2 极空冷汽轮发电机。到1 9 9 9 年，哈尔滨电机有限责任公司已经设计 开发出了1 3 0 m w 的空冷汽轮发电机，安装在内蒙古包头的天骄电厂上海汽轮发电机有限公司 也在2 0 0 0 年投运了第一台1 2 5 删空冷汽轮发电机 作为汽轮发电机的冷却介质，空气密度高，风摩损耗和通风损耗较大，散热能力也不如 氢气当发电机容量增大后，利用空气冷却不但温升高，而且效率低，所以空冷汽轮发电机 逐渐被氢冷系列的电机所取代虽然空冷电机的效率比氢冷低，体积比氢冷大，但是还是可 以带来一定的经济效益瑞士a b b 公司在1 9 9 2 年完成了对1 6 0 m w 空冷发电机和1 8 3 m w 氢冷发电机 的比较研究，得到的结论是：尽管空冷发电机的单位容量材料消耗多，但是造价依然只相当 于氢冷发电机的l 3 左右，因为氢冷发电机需要许多额外的耗费 目前，a b b 公司通过加大转子直径、改进转子轴向通风和定子绕组间接冷却等措施，已经 将最新型的空冷电机的最高容量提高到3 0 0 1 0 ，当频率为5 0 h z 时，效率仅比氢冷汽轮发电机 低0 i 一0 2 日本三菱公司也通过开发高效风扇降低风耗的方法制造出额定容量2 5 0 m w 的空冷汽轮发电机，其实测效率为9 8 6 ，按照i e c 标准，接近同容量的氢冷发电机水平因 此，当容量不大于3 0 0 1 0 时，由于在设计、成本、安装、运行及维护等方面具有一定优势，在 国际市场上空冷汽轮发电机有取代氢冷汽轮发电机的趋势 空气冷却在结构上最简单，费用最低廉，维护最方便，这些显著的优点使得空气冷却首 先得到了应用和发展随着电网容量的增大，要求提高汽轮发电机的容量。为了提高容量， 需要增加电磁负荷，导致电磁损耗增大，从而引起电机发热量的增加，要强化冷却就必须加 大通风量，这必将引起通风损耗的增大，而通风损耗( 含风摩耗) 占总损耗的4 0 ，这就使得 电机的效率降低另外，空气冷却的定转子绕组的温升也较高，影响绝缘的寿命 1 1 3 2 氢冷却 当电机的单机容量达到一定水平时，空冷技术在效率和温升等方面逐渐暴露出不足，为 了寻求更加有效的冷却方式，人们发展了氢冷技术。1 9 3 7 年美国g e 公司开始生产氢冷却2 5 1 0 2 极汽轮发电机，次年美国w h 公司开始生产氢冷5 0 m w2 极汽轮发电机，从此容量大于5 0 m w 的 汽轮发电机逐步过渡到氢冷阶段最初的氢冷却都仅应用于绕组表面，冷却效果不是十分理 想为了改善冷却效果，在实心铜线中夹进若干空心不锈钢管，让氢从不锈钢管中流过，直 接与铜线进行对流换热以导出铜线热量，这就是所谓的氢内冷方式氢内冷电机型式繁多， 但异曲同工，各有特点，现在各国生产的5 0 0 m w e ：下汽轮发电机，氢冷占主要地位除了氢内 冷外，2 极大容量汽轮发电机转子可以采用水内冷，水内冷的冷却效果比氢内冷更好，但是技 浙江大学硕士学位论文绪论 术也更复杂相比之下，氢冷是目前技术较为成熟、冷却效果良好的主要冷却方式不断发 展中的转子氢内冷技术已经可以满足容量发展的需要据初步统计，2 0 世纪8 0 年代，国外2 极汽轮发电机采用转子氢冷的，容量2 0 0 m w 一6 0 0 m w 约占7 0 ，8 0 0 m w 一1 2 0 0 m w 达9 8 以上转 子氢冷的发展还有很大的空间3 0 0 m w 和8 0 0 1 v l w 汽轮发电机上所进行的通风发热试验说明，转 子采用氢气冷却可以制造更大单机容量的汽轮发电机转子氢内冷的汽轮发电机，定子线圈 大多数采用水冷却，虽然冷却效果好，应用广泛，但是需要两种冷却介质，冷却系统较为复 杂采用氢作为单一冷却介质的全氢冷汽轮发电机，具有冷却系统简单，制造、维护方便的 优点，但由于需要多级高压风扇，风扇结构复杂，风损偏大，从而导致发电机效率降低目 前随着单机容量的提高，w h ，k w u 、m i t s u b i s h i 等厂家已将全氢冷方式改为水氢冷方式，上海 汽轮发电机有限公司引进的全氢冷方式汽轮发电机也已经被优化为水氢冷方式但全氢冷机 型在我国仍然有一定的应用 氢气的比重小，纯氢的密度仅为空气的1 1 4 ，导热系数为空气的7 倍，在同一温度和流速 下，放热系数为空气的1 4 1 5 倍由于密度小，因此，在相同气压下，氢气冷却的通风损 耗风摩耗均为空气的1 1 0 ，而且通风噪声亦可减小氢冷电机的效率提高了，而且温升明 显下降由于电机内氢气必须维持规定纯度，为此必须额外设置一套供氢装置，给设计和安 装带来了困难。另外，密封防爆问题始终是氢气冷却电机安全运行的一个隐患。 1 1 1 3 液( 水) 一氢冷 1 9 1 7 年，匈牙利g a n z 公司就曾用变压器油作牵引电机的冷却介质。2 0 世纪3 0 年代后，g a n z 公司又从事水外冷的研究，但长期没有取得重大进展1 9 5 4 年，美国g e 公司曾用变压器油作 发电机定子绕组直接内部冷却的介质 1 9 5 6 年，英国开始使用净化水冷却电机定子绕组到8 0 年代，定子绕组用水冷却已很普 遍。此后，水氢混合冷却的“水氢氢”方式在世界各国被广泛采用。瑞士a b b 公司制造的采 用“水氢氢竹冷却方式的汽轮发电机，其产品范围从2 0 0 m w 到1 5 0 0 1 ，显示了这种冷却方式的 成熟与可靠性在。水氢氢”冷却方式的汽轮发电机冷却系统中，转子氢内冷方式按气流在 风道内的流动方向可分为两类：一类是轴向一径向通风方式，即冷却风从护环下部进入轴向 冷却风道，然后径向逸至气隙；另一类是气隙取气斜流通风系统，即利用槽楔风斗的流体动 力效应将冷风吸入转子，经径向斜流冷却一段转子本体后，从槽楔上的排风口将热风逸至气 隙气隙取气通风系统的转子沿轴向长度可分为若干个进风区和出风区国内外众多电机制 造厂家发展了各具特点的转子绕组氢冷却技术，各种通风方式各具特点，其中气隙取气型和 副槽通风型在我国应用更为广泛 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 1 1 4 双水内冷 我国习惯上将定、转子线圈都采用水内冷、铁芯采用空气冷却的电机称作“双水内冷并 电机这种形式的电机是由我国首创的，早在1 9 5 8 年，我国上海电机厂就试制成第一台这种 冷却方式的汽轮发电机已有多台双水内冷3 0 0 1 v 9 汽轮发电机长时间可靠运行的记录 双水内冷型汽轮发电机的主要优点是：定转子线圈温升低，机内无氢气从而无需密封； 重量减轻，节省材料；维护方便，运输重量轻，价格较低不足的是，由于定子铁芯端部采 用空气冷却，在定子端部压圈内圆损耗较集中的部位容易发生过热，从而不得不采用如设冷 却水管通水冷却等措施此外由于空冷风损较大也导致发电机效率偏低另外，水冷转子在 水系统高速旋转元件上存在可靠性问题，这是国外许多厂家不愿意采用水冷转子的理由但 是国外如德国k w u ，瑞士b b c 及前苏联电力厂等一些厂家，都有制造多台大型水冷转子的记录， 而且拥有运行经验因此，双水内冷机型与其它机型可以在相当时问内并存 1 1 1 5 全液冰) 冷 液体的散热能力一般都比气体强，与氢冷相比，汽轮发电机采用水冷能使绕组温度降低 3 0 一5 0 同时，由于水冷不存在通风损耗，效率也得到提高 “水氢氢”或。水水氢” 方式共同的缺点是要求同时配备两种不同介质的辅助设备和控制系统相反，全液冷仅需要 一种介质，一套控制设备，有利于运行和管理因此很多国家很重视全液冷电机的研制 早在1 9 6 2 年，前苏联新西伯利亚重型电机厂( h t f 3 ) 就研制成全液冷t 3 b 一6 0 一2 型汽轮发电 机( 6 0 m w ，2 极) 这种发电机的定子浸泡在变压器油中，气隙用绝缘圆筒隔开，转子线圈用水 内冷，机座及气隙抽真空( 负压) 以减少风摩损耗1 9 6 9 年，前苏联的第一台全水冷试验性汽 轮发电机( 6 3 m w ，3 0 0 0 r m i n ) 投入运行，此后成功持续运行约lo 万小时。瑞士b b c 公司从2 0 世 纪5 0 年代开始研制全水冷电机，1 9 6 7 年该公司首次为丹麦制造了一台3 0 0 m w 全水冷汽轮发电 机，该电机的定转子绕组、定子铁芯以及定子压圈全部利用水冷却 全水冷电机具有效率高、尺寸小、材料消耗少等优点，不过技术较复杂，工艺要求也较 高，全水冷的容量在1 0 0 0 m w 以上时，经济效果才比较明显，采取水冷技术也是1 0 0 0 m 1 l 以上大 型汽轮发电机的发展趋势对于3 0 0m w 一8 0 0 m w 的汽轮发电机，全水冷的综合经济效果一般不 占明显优势，技术上也不如氢冷或“水氢氢竹方式h u 1 1 1 6 蒸发冷却 蒸发冷却是汽轮发电机一种有发展前途的冷却方式因为蒸发冷却不仅具有极强的传热 能力和介电性能，而且是提高汽轮发电机效率，消除大型电机定子端部结构件局部过热的一 项有效措施，是解决制造大容量无氢汽轮发电机技术关键的重要途径之一蒸发冷却是利用 浙江大学硕士学位论文绪论 冷却介质液体汽化吸热的原理来冷却电机的蒸发冷却从原理上说是一种高效的冷却方式， 汽化热大，所需流量小，绕组各部分之间温差小，因此成为目前冷却技术研究的新方向蒸 发冷却的研究经历了从低温蒸发冷却到常温蒸发冷却再到常温自循环蒸发冷却的过程低温 蒸发冷却技术使用沸点较低的介质，汽化后的饱和蒸汽温度低于二次冷却介质温度，必须经 过压缩，使其饱和蒸汽温度高于二次冷却介质温度，才能进行热变换，冷凝为液体。在电机 的允许温升范围内，冷却介质沸点太低没有必要而且，温度低也容易造成热量逆流，外部 热量往电机内部传递。因此考虑用常温蒸发冷却技术，去掉压缩机，用泵来替换，提供压头 克服各种阻力损失以上两种均属于强迫循环方式后来的研究发现，利用电机结构的特点( 例 如：立式水轮发电机的定子绕组) ，以及液体汽化后密度发生交化而引起压差变化，可以形成 自然循环。蒸发冷却方式应用于汽轮发电机的显著优势是介质具有极强的电绝缘性，与其他 冷却方式配台时能够扬长避短，特别是采用浸泡式蒸发冷却后加强了端部的冷却效果，改善 了电晕和电磁屏蔽问题，使电机运行安全可靠，因此是一种极具发展前途的冷却方式h 射 i 1 1 7 结论 汽轮发电机通风冷却技术对于汽轮发电机的容量和性能具有决定性的影响汽轮发电机 向大容量发展，对通风冷却技术提高出了更高的要求汽轮发电机冷却方式的发展实际上就 是不断引入冷却能力更强的冷却介质和换热方式的过程目前，空气冷却只在中小容量的汽 轮发电机上具有一定的优势；氢气冷却则是目前技术最成熟、应用最广泛的冷却方式，并仍 然具有一定的发展潜力；水冷却是大容量汽轮发电机冷却技术的发展方向，但是技术上还不 如气体冷却成熟此外，蒸发冷却等新型冷却方式目前尚处于研制阶段 1 2 氢内冷转子的通风系统 汽轮发电机的冷却技术是一个重大的技术问题，因为它涉及到制造厂家工艺装备、传统 工艺技术，涉及发电机本身结构、性能、技术经济指标，涉及电力部门的运行和维护，进而 影响运行可靠性所以，国内外都非常重视它目前，世界上有相当大一部分厂家生产的汽 轮发电机皆采用“水氢氢静( 定子绕组水冷、转子绕组和定子铁芯氢冷) 冷却系统由于定子 绕组水冷己经成熟，改进和不断完善转子绕组的冷却系统己成为一个关键的研究课题经过 世界各国的广泛实践与研究，氢内冷转子己有多种不同风格的结构现将几种典型的氢内冷 转子通风系统和结构介绍如下 1 2 1 气隙取气斜流通风系统 这种通风系统是一种利用转子表面的风斗兜风、甩风的自通风方式沿转子本体轴向分 好多个风区，进风区与出风区交替配置其气流通路由两组交叉倾斜的、经过绕组铜排的斜 6 浙江大学硕士学位论文绪论 沟所形成这些斜向风道使气体从气隙取气进风孔进入线圈底部。在那里它们与另一边的斜 向风道相通，从而将气体导向转子表面的轴向移过一定位置的出风孔这些进风孔与出风孔 通常和定子铁芯进风及出风沟相对应这种通风系统是在1 9 4 7 年由美国g e 公司开始研制的， 主要经过四个发展阶段 ( 1 ) 齿部进风、径向一轴向一径向风道( g e 初型) ( 2 ) 槽楔兜风、侧面铣槽斜流风道 ( 3 ) 槽楔兜风、中间冲孔斜流风道( g e 改进型) ( 4 ) 径向隔板气隙取气通风系统 1 - 2 2 付槽径向通风系统 从转子的两端，将氢气顺轴向压入槽下的风道中，导体的径向出风口分布在整个转子长 度上护环下的端部绕组具有轴向风道，氢气从端部进风口进入，从转子本体端的径向出风 口排出槽部绕组由付槽轴向风道供氢给绕组中部的径向风沟进行冷却，这部分的轴向风道 最长，其长度约等于线圈长的7 0 因此，它对转子的平均温升影响最大 1 2 3 空心导线轴向通风系统 氢气从一端或两端进入，然后从另一端或中间逸出欧洲许多国家主要采用两端进风、 中间逸出的轴向通风系统 1 2 4 轴向隔板气隙取气通风系统 为了增加转子冷却效果，在气隙取气通风系统的基础上，发展了一种带轴向隔板的气隙 取气通风系统，即在定子的一些槽内( 通常是相隔9 0 度空间的4 个槽) ，装上带突出槽楔的轴 向气隙隔板这些突出槽楔和普通槽楔在定子全长上是互相交替的，在突出槽楔上有特制的 通风孔，并正对着铁心通风沟突出槽楔的材料为真空橡皮，其高度一般伸入到气隙的2 3 处，利用它阻滞气隙中气流的切向运动，从而增大进入风斗的相对速度 1 2 5 匝问横向风沟气隙取气通风系统 在这种结构中，每匝导线也由两根铜排迭合而成，印用一根带筋条的铜排和另一根宽度 相等的平整而光滑的铜排配合在一起转子线圈在全长上，即转子本体和线圈端部的直线与 弯曲部分都是由这种导线构成的此外，这种转子绕组端部的冷却是很特殊的，绕组端部通 过一个装入的绝缘筒，由固定在转子本体前端的所谓定位筒支撑住厚壁定位筒的内、外表 面上均有若干轴向风道，它除了使定位筒具有弹性外，还可对绕组端部供风从定位筒内层 风道进入的冷却气体，通过定位筒和绝缘筒上的孔，流进上、下两面均被封闭的线圈之间的 空问里，再通过线圈的横向风沟流到线圈的另一侧，然后通过绝缘筒上的另一些孔使线圈问 7 浙江大学硕士学位论文绪论 的空间和定位筒外表面的轴向风道相通，最后在护环端头上的径向风扇的吸气作用下，通过 中心环上的孔将气体排出由于这种结构在铜排侧面铣槽的基础上横向开有一通风沟，使整 个绕组的散热面积约增加4 5 倍同时，由于气流在狭窄短风道内产生高紊流，可以提高散 热系数，这就进一步增大了这种结构的散热能力此外，采用横向风沟可以取消原来槽底的 绝缘垫块，提高了槽利用率 1 2 6 结论 随着单机容量的不断提高和转子容量的相应增大，氢内冷发电机普遍出现定子温升分布 不均匀和转子绕组端部温升过高的问题。造成这些问题的原因在于风量分配和发热状态互相 不适应例如：多路气隙内冷自通风方式的氢内冷发电机，由端部进入气隙的风量偏大，占 总风量的5 0 - 6 0 ，从而造成发电机定子中部风量不足，温度偏高由于端部进入气隙的风 量较大，抑制了转子端部内部风道的出风，又造成两端出风区转子线圈温度偏高。 为了更有效地冷却氢内冷发电机，国外的一些厂家在原来氢内冷系统的基础上发展了具 有定转子气隙隔板结构的冷却系统例如：美国g e 公司在气隙取气斜流式通风系统上发展的 定转子气隙隔板，可以使转子容量提高3 0 左右美国w h 公司则认为在其轴向一径向通风系 统上发展的定转子气隙隔板，可以使转子容量提高6 8 。我国哈尔滨大电机研究所等单位曾 进行多次试验，证实气隙隔板的应用可使发电机内部风量分布更为合理，转子温度降低1 0 c 一 2 0 ( 2 ，定子温度降低1 0 c 左右“瓤 1 3 转子通风系统冷却介质流动特性分析 1 3 1 轴一径向通风系统流动特性 轴向一径向通风是一种主要依靠外加高压多级风扇来维持气体在导体内流动的通风方 式。冷却气体由转子两端护环下进风孔进入导体轴向风道，经转子中部径向风道由槽楔上的 出风孔排至气隙在轴一径向通风系统中，转子冷却气体流量的大小取决于转子端部与中部 气隙处压差的大小压差增大，流量增加，冷却效果提高转子轴向通道过流面积的选择原 则是既保证有较小的铜损，又要有较低的气体温升。当槽型一定时，风沟面积大，则铜线截 面小，电流密度增加，气体温升增高；与此同时，风沟面积大，冷却气体流量增加，在铜线 发热量一定的条件下，气体温升降低因此，这两个因素是相互矛盾的，必须合理地选择 一般地讲，风沟的截面积约为总截面的3 0 左右 1 3 2 槽底副槽通风系统流动特性 槽底副槽通风是一种自通风方式。冷却气体由转子本体两端的风扇送入转子槽底副槽中， 经过转子绕组上的一系列径向直风道，从转子表面上的槽楔出风孔进入气隙在槽底副槽通 浙江大学硕士学位论文绪论 风系统中，转子表面与副槽底部间的离心压力是气体循环的主要动力其离心力的大小与流 体密度、转子旋转角速度和转子径向通道的几何尺寸有关。在转子槽底副槽通风系统中，冷 却气体经转子两端的风扇进入槽底副槽轴向风道气体在向转子中部流动的过程中，不断地 被分配到绕组的各径向通道冷却气体流量沿轴向逐渐减少，若轴向风道的截面积不变，则 气体的流速逐渐下降，静压不断升高，沿轴向静压分布不均匀，若气隙内沿轴向的静压分布 比较均匀，则各并联径向风道两端的压差不同，气体流量分配不均匀，从而导致转子绕组温 升的轴向不均匀增大转子副槽轴向风道的流通面积，或者采用端部较大中部较小的变截面 风道，可以减小风道内的静压差异但是由于副槽内流动特性相当复杂，因此副槽结构的合 理设计有待进一步的理论分析和实验研究。另一方面，冷却气体在流经轴向风道的过程中被 逐渐加热，各并联径向风道进口的气体温度沿轴向逐渐升高，温差减小，降低了其对流换热 能力，这从一定程度上减小了由于沿轴向流量分配不均匀造成的转子绕组温升轴向分布不均 匀的程度。为改善转子径向风道的散热条件，可将径向风道由一条变为两条，以扩大径向风 道的流通截面，提高风量，同时增大散热表面积；或者采用变支路数、变截面的交错风沟结 构，以增强流体的扰动，提高散热系数，改善转子绕组的冷却效果一般，两径向直风道结 构的散热效果比单路径向直风道结构的高约7 2 ，交错风道结构的散热效果比单路径向风道 高约6 0 当然，交错径向风道中截面的变化将增加局部阻力，弓l 起风量的下降但是，副 槽进风口处的流速一般在1 0 0m s 左右，此系统的阻力主要集中在副槽轴向风道内，而径向 风道的阻力只占系统阻力的很小部分，径向风道内风量的减小也很有限。实验结果表明，交 错径向风道的风量只比单路径向风道减少5 一6 此外，定、转子间气隙内气体的压力分布也影响转子径向风道的流量分配。气隙内的流 场和压力场同时受到定，转子径向风道内进入气隙的气体流动的双重影响，其分布情况相当 复杂 1 3 3 气隙取气通风系统流动特性 气隙取气也是一种自通风方式冷却气体( 氢气) 经转子表面的取风斗进入转子绕组线圈 的一排长圆形斜向通风道，通过线圈底匝风道转入到转子线圈的另一排长圆形斜向排风道， 最后经转子表面的出风孔排至气隙在气隙取气通风系统中维持气体循环的动力主要来自 转子自身的泵压作用转子进风斗和出风斗合理的空气动力形状是保证导体内有足够气体流 量的关键因素其结构直接关系到发电机的安全、可靠运行最初的转子进、出风斗的结构 采用凸出转子表面的显式结构从提高转子取风能力的角度考虑，显式进、出风斗固然有利 于内冷系统的取风，可以降低转子绕组的温升，但是，它一方面增加了转子的风摩损耗和设 9 浙江大学硕士学位论文 备的运行噪声，另一方面给转子部件的吊装、存放、运输及拆装带来诸多不便，特别是目前 相当一部分优化型6 0 0 1 v i w 汽轮发电机进、出风斗凸出转子表面高达2 5i l l m ，其风摩损耗和运行 噪声相对较大，温升裕度也较大若以后开发1 0 0 0 m w 气隙取气氢内冷通风型式的汽轮发电机 则会存在一定的困难，而隐式风斗具有风摩损耗小、噪声低和运输、安装方便等优点。因此 将显式风斗改为隐式风斗不仅是必要的，而且是可能的因此，对隐式风斗优化的研究是今 后一段时间内气隙取气斜流通风研究的一个重要方向进、出风斗的取风能力和甩风能力取 决于风斗进出口问的压力差进风斗的作用是将气隙内冷却气体的切向运动改变成斜流通道 内的近似径向运动，而出风斗与进风斗恰恰相反但入流角的增大导致冷却气体从气隙进入 进风斗时的局部阻力也增大，若局部阻力增大的程度大于进风斗入口处静压增大的程度，入 流角的增大会降低风斗的取风能力因此必须综合考虑进风斗入流角的大小出风斗出流角 的选取也是如此 此外，转子槽楔的高度、楔孔深度和楔孔横截面积对转子风斗的取风性能同样产生影响。 转子斜流通道是转子绕组与冷却介质进行热交换的主要部位，其结构型式影响转子冷却介质 的流动和换热状况 1 3 4 小结 轴一径向通风、槽底副槽通风和气隙取气通风等3 种通风系统各有特点，影响其通风性能 的关键因素各异，强化其通风性能的手段也不尽相同轴向一径向通风系统结构较简单，影 响转子通风性能的主要因素是转子轴向通道的形状和横截面积在槽底副槽通风系统中，副 槽内的轴向压力分布和径向通道的流量分配受许多因素的影响，副槽和径向通道结构的合理 设计及其流量分配和压力分布规律仍需要大量的理论分析和实验研究。在气隙取气通风系统 中，对斜流通道的研究相对较成熟，通风能力主要取决于风斗的取风能力，而影响风斗取风 能力的各因素相互关联，相当复杂，对其流动和阻力特性的研究仍需进行大量的理论分析、 数值模拟和实验研究h 盯 1 4 大型汽轮发电机转子气隙取气通风系统的技术进展 随着发电机单机容量的提高，转子容量相应增大，汽轮发电机的电负荷和磁负荷随之增 大，这就对转子的冷却提出了更高的要求目前普遍采用的气隙取气斜流通风冷却方式是一 种主要依靠转子自身旋转产生的泵压作用维持通道内气体循环的自通风方式，具有通风路径 短，散热效果好，绕组温升分布均匀，风扇结构简单，加工方便和运行可靠性高的优点为 了提高气隙取气斜流通风发电机组运行的可靠性和经济性，国内外对转子斜流通道、转子风 斗、气隙隔板和端部通风结构进行了不断改进和优化 1 0 浙江大学硕士学位论文 1 4 1 转子斜流通道的改进 在转子斜流通风方式中，转子斜流通道是转子绕组进行热交换的主要部位，其结构型式 影响转子冷却介质的流动状况，因此选用合理结构的斜流通道有利于转子的通风转子斜流 通道的型式有侧面铣槽结构( 前苏联“电力厂的型式) 、中间冲孔结构( g e 公司的改进型) 和 中问铣孔结构对于侧面铣槽结构的斜流通道，冷却铜排的气体( 氢气) 由一侧风沟进入，在 槽底绕过半圆形绝缘套进入另一侧风沟，经出风孔排出此结构在运行中有时会因风沟处槽 绝缘膨胀变形使风沟截面减小，甚至堵塞风沟：导致转子绕组局部过热而损坏线圈，影响电 机的正常运行 在中间冲孔结构的斜流通道中，冷却气体由铜排上冲出的一排长圆孔进入内部风道，经 最下面铜排上的凹形风沟绕到另一排风道，由楔孔排出此结构的斜流通道不像侧面铣槽结 构的斜流通道那样容易堵塞，减小了转子绕组局部过热而损坏线圈的可能 中闻铣孔与中间冲孔的结构相同，但加工工艺不同，中间铣孔结构的表面粗糙度较小 转子冷却气体流量的大小与斜流通道横截面的型式和横截面积的大小密切相关由于在面积 相同的条件下，圆形截面的周长最小因此在侧面铣槽、中间冲孔和中问铣孔结构横截面积 相同的条件下，中间冲孔和中问铣孔结构的腰形孔的横截面的周长小于侧面铣槽结构的矩形 横截面的周长气隙取气斜流通道内的气体流速在2 0 3 5m s 之间，r e 4 0 0 0 ，气体处于紊 流状态不同结构斜流通道的局部阻力系数相当，转子进、出风区间的压差一定，横截面周 长越小，气体的流速就越高，流量越大因此，中间冲孔和铣孔结构斜流通道优于侧面铣槽 结构冷却气体与转子绕组之间的热交换方式为对流换热，换热面积和对流换热系数是影响 其换热能力的主要因素侧面铣槽结构的转子绕组与冷却气体只有3 个接触面，而中间冲孔和 铣孔结构有4 个接触面，扩大了热交换的面积，强化了转子绕组的冷却铣孔结构的斜流通道 表面粗糙度较小，沿程阻力系数较小，冷却气体流量较大，流速较高，增大了冷却气体与转 子绕组的对流换热系数因此，中间铣孔结构优于中间冲孔结构 综上所述，中问铣孔结构的斜流通风方式的冷却效果最优，中间冲孔结构次之，侧面铣 槽结构较差国外6 0 0 m w 汽轮发电机的实际运行情况也表明中间铣孔结构优于侧面铣槽和中 问冲孔结构，采用中间铣孔结构斜流通道的转子绕组平均温升为4 9 0 ，而采用中间冲孔和侧 面铣槽结构的转子绕组温升分别为5 0 c 和8 0 c 1 4 2 转子风斗的改进 转子槽楔进、出风斗合理的空气动力形状是保证导体内有足够气体流量的关键因素进、 出风斗的结构分别决定了进风斗的取风压力和出风斗的甩风压力，影响转子的取风量，因此 浙江大学硕士学位论文 绪论 转子槽楔设计的优劣直接影响到转子绕组的冷却效果为此，各汽轮发电机制造商和相关研 究机构对转子槽楔的结构进行了不断地改进和优化转子槽楔经历了从显式到半隐式，最后 到全隐式的发展过程从提高取风能力的角度考虑这3 种结构型式，显风斗的取风能力最好， 半隐式次之，全隐式最差显式进、出风斗中风斗的凸出固然有利于内冷系统的取风，可以 降低转子绕组的温度，但是，一方面增加了转子风摩损耗和设备的运行噪声；另一方面给转 子部件的吊装、存放、运输及拆装带来诸多不便特别是目前相当一部分优化型6 0 0 m w 汽轮 发电机进、出风斗凸出转子表面高达2 5m m ，其风摩损耗和运行噪声相对较大，伺时温升裕度 也较大若以后开发1 0 0 0 m w 气隙取气氢内冷通风型式的汽轮发电机则会存在一定的困难，而 隐风斗具有风摩损耗小、噪声低和运输安装方便的优点因此将汽轮发电机凸出转子表面的 显风斗改为凹入转子表面的隐式风斗不仅是必要的，而且是可能的。对凹入转子表面的隐风 斗结构优化的研究是今后一段时间内气隙取气斜流通风研究的一个重要方向进、出风斗的 取风能力和甩风能力取决于风斗进出口问的压力差进风斗的作用是将气隙内冷却气体的切 向运动改变成斜流通道内的近似径向运动，而出风斗与进风斗恰恰相反，是将斜流通道内的 近似径向运动改变成气隙内的切向运动随着对汽轮发电机性能要求的不断提高，对隐式风 斗会提出更高的要求，这就需要对隐风斗的结构进行深入的理论研究和实验研究，使风斗的 结构达到最优化，使其结构最大程度地接近流线型，在保证冷却效果的前提下尽量减小通风 损耗，提高氢内冷汽轮发电机的效率 1 4 3 气隙隔板的应用 随着单机容量的增大，气隙取气结构不断改进，首先是以导线中问冲( 铣) 孔方式代替老 式侧面铣槽方式的导线风沟结构的改进，使转子容量有所提高。当容量大于6 0 0 7 0 0 m w 时， 以上的结构还不能满足要求，又出现了以下2 种应用气隙隔板的改进方案： ( 1 ) 径向气隙隔板：在转子进风区和出风区分界处，分别在定子内圆和转子外圆装设环状气隙 隔板径向气隙隔板有效地制止气隙中冷、热风之间的混合，使进风温度降低同时，使进， 出风区形成高压区和低压区，利用风扇的压头加大了流经转子风道的风量另外还有一种所 谓外装型隔板，即在定子端部与转子护环之问装上径向气隙隔板隔板装在定子槽楔上，与 转子的闻隙为5 8 衄，这样增加了气隙的过流阻力，减少了气隙处的过流量，提高了端腔压 力( 约提高6 0 ) ，转子端部进风压力除本身高心压力外，还可以加上风扇的风压，大约提高 风压到2 7 倍，使背部风量增大，中部风区的风量提高，同时还提高了护环下面的进风量。 ( 2 ) 轴向气