空冷40 MW汽轮发电机的设计与分析

翁祥玲，蔡恒川，王正平，周 平

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100)

空冷40 MW汽轮发电机的设计与分析

翁祥玲，蔡恒川，王正平，周 平

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100)

对40 MW空冷汽轮发电机的主要技术参数、结构特点、强度分析和整机试验结果做了描述。介绍了此台空冷发电机的结构设计和强度分析工作。通过工厂整机型式试验，可以看出样机的试验结果与设计参数基本一致，成功地完成了40 MW空冷汽轮发电机的研制。该发电机的设计经验和主要参数为其它容量发电机的设计研发积累了经验。

汽轮发电机；空冷；结构设计；强度分析

0 引言

蒸汽燃气联合循环和热电联产项目要求以汽定电、以热定电。从近几年电力工业迅速发展对发电机需求增加的信息看，QF-40-2 10 500 V发电机在国内外有着广泛的用户需求。

1 技术数据

型号：QF-40-2 额定功率：40 MW

功率因数：0.8 额定电压：10.5 kV

额定电流：2 749 A 额定转速：3 000 r/min

效率：98.1% 转子质量：16.1 t

定子质量：45.3 t 轴承质量：1.7 t

最大运输质量：48.3 t 转子静止挠度：0.586 mm

突然短路力矩倍数：10 冷却空气量：20 m3/s

发电机轴承耗油量：110 L/ min

临界转速(1阶/2阶)：1 370/4 020 r/min

2 结构设计

发电机为卧式、隐极式结构[1]，由定子、转子、轴承、电刷装置和冷却系统等主要部件组成。发电机的外形图见图1。

图1 40 MW发电机外形图

2.1 定子

定子由机座、定子铁心和定子绕组组成。发电机机座为钢板焊接。定子铁心采用优质硅钢片冲制叠压而成。定子线圈设计为双层叠绕组，采用多股玻璃丝包扁铜线，桐马粉云母带连续包扎模压成型，表面选用不同阻值的防晕带进行防晕处理。

机座采用三段机座：中间段为固定、支撑定子铁心和绕组装置部分之用，两端端罩段为保护绕组端部部分之用。同时它还构成了发电机通风循环回路[2]。机座与定子铁心之间为弹性连接。

2.2 转子

转子的主要部件由转子大轴、转子绕组和绝缘、阻尼绕组、护环、风扇等部分组成。

转子大轴由优质合金钢整体锻件加工而成。转子轴的励端有一个轴向中心孔，延伸至转子绕组端部的下方。中心孔的内部装有两个相互绝缘的半圆铜棒，为转子绕组提供励磁电流。

转子绕组为同心式分布绕组，由若干个线圈组成。线圈由含银0.1%的银铜合金导体冷拉成的矩形空心导线制成，比一般铜线具有更好的抗蠕变性能和更高的屈服极限，从而有效地防止了运行过程中转子绕组有害变形的发生。转子线圈的空心导线上开有进出风口，由空气直接冷却导线，提高了冷却效果。各出风口在槽中呈V形分布，使得线圈各处风量均匀，冷却效果好，有效地避免了过热点形成。转子所用的所有绝缘材料均为F级，槽衬和匝间绝缘采用Nomex纸。矩形空心导线见图2。

图2 矩形空心导线

阻尼绕组是由转子槽楔构成的。槽楔由高导电率的铜镍合金制造。每根槽楔与转子等长，两端护环内设有阻尼环，形成一个完整的阻尼笼。

转子两端装有轴流式风扇。护环材料为50 Mn 18Cr5反磁钢材料，提高了抗应力腐蚀能力。护环以悬挂的方式热套在转子本体上，避免了转子在运行中所产生的交变应力导致的配合面的损伤。

2.3 轴承

发电机轴承为压力油循环的座式滑动轴承。轴承上装有可自动调心的球面轴瓦。轴瓦材料为巴氏合金。为减少开机时的轴承摩擦，便于起动，轴承装有高压顶油装置。发电机转子汽端通过接地电刷直接接地，励端采用绝缘轴承，有效地阻断了轴电流，减少了电气腐蚀。

2.4 冷却系统

发电机采用密闭循环空气冷却方式。定子采用空外冷冷却方式，转子采用空内冷冷却方式。

发电机有两条对称于发电机中心的空冷回路。冷却空气由电机转子两端风扇打入。一部分冷却空气进入转子线圈端部区域，冷却转子绕组端部，然后进入气隙。一部分冷却空气直接进入气隙， 在此处与来自转子端部线圈的冷却空气汇合，然后冷却转子本体表面。另一部分冷却空气对定子线圈端部冷却后，沿轴向风道进入机座中部，冷却铁心和绕组后，进入气隙，再冷却转子本体中部。然后与前两部分冷却空气汇合，经过定子铁心中的径向通风道冷却定子绕组和铁心后回到空气冷却器。经冷却后，再回到风扇，形成密闭循环。

3 强度分析

在40 MW发电机设计中，机械强度计算是主要的工作。通过计算，合理选取各主要零部件的形状、尺寸和材料，使电机结构设计得既安全又经济。

采用ANSYS11.0软件[3]有限元法分析在超速3 600 r/min的状况下转子齿部的应力分布特点。

3.1 模型建立

通过CAD软件创建了物理模型，通过ANSYS导入接口将物理模型转入ANSYS程序中。物理模型见图3。

图3 物理模型

3.2 网格划分

转子的齿头、齿根是计算分析的重要部分。这些部分采用精细的网格剖分。所有的单元均采用四面体四节点，接触自动生成，按实际情况对其进行调整。此模型共有32 209个节点，3 868个单元。网格划分见图4、图5。

图4 整体的网格划分

图5 转子本体的网格划分

3.3 计算结果

在超速状况下，旋转角速度ω=376.8 弧度/秒，转子各部分受力最大。转子本体应力计算结果见图6。

图6 转子齿部的最大应力

根据图6，转子齿部的各主要部位的计算结果如下。

齿根处的最大应力：

σ1=274.9 MPa

齿头处的最大应力：

σ2=139.2 MPa

根据上述应力分析计算，合理选取转子锻件材料，满足设计要求。

4 整机试验

在整试验中，该电机的主要电气性能参数都满足国家标准要求。主要试验数据见表1、表2。

表1 整机电气性能参数对照表

表2 发电机转子动平衡、超速试验参数表

5 结语

以上就40 MW空冷汽轮发电机的主要技术参数、结构特点、强度分析和整机试验结果做了描述。为设计这台空冷发电机，对结构设计和强度分析的研究做了大量的工作。通过工厂整机型式试验，可以看出样机的试验结果与设计参数基本一致，成功地完成了40 MW空冷汽轮发电机的研制。该发电机的设计经验和主要参数为其它容量发电机的设计研发积累了经验。

[1] 汤蕴璆,史乃. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，1999.4.

[2] 汪耕.大型汽轮发电机设计、制造与运行[M].上海：上海科学技术出版社，2000.11.

[3] 张洪信，管殿柱.有限元基础理论与ANSYS11.0应用[M].北京：机械工业出版社，2009.10.

翁祥玲，女，1980年生，本科，工程师，2004年毕业于哈尔滨理工大学，主要从事电机设计、电磁场分析等理论研究。