252 MW全氢冷燃气轮发电机设计

袁昌健，焦晓霞，王彦滨，王　帆，汪　伟

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)



252 MW全氢冷燃气轮发电机设计

袁昌健，焦晓霞，王彦滨，王帆，汪伟

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

哈尔滨电机厂有限责任公司生产制造的252 MW燃气轮发电机是引进GE技术，最大容量为297 MVA，额定转速3 000 r/min，冷却方式为全氢冷，是哈尔滨电机厂有限责任公司首次生产制造此容量等级燃气轮发电机。重点介绍该发电机的通风、定子、转子等结构设计，并列出了发电机型式试验结果。

全氢冷；燃气轮发电机；通风设计；结构设计

0　引言

由于近年国家电力发展政策的调整，国内火电市场，常规火电机组受到调控影响，联合循环机组日益得到业主青睐[1]。在此契机下，哈尔滨电机厂有限责任公司(以下简称哈电)得到了中电投珠海横琴项目2台9FA机组，浙江镇海项目2台9FA机组的生产制造合同，机组均为多轴一拖一

表1　燃气轮发电机基本设计参数

(MS109FA)。GE公司的重型燃气轮机是正式投入商业运行的、技术成熟度较高的燃气轮机机组之一。与燃气轮机配套的GE324发电机机型，额定容量为252 MW。燃气轮发电机技术是通过打捆招标GE、三菱、西门子三家企业向国内知名的“三大动力”转让燃气轮机制造技术。此机型为哈电引进GE燃气轮发电机制造技术。

1　燃气轮发电机结构外形及主要参数

燃气轮发电机基本设计参数见表1，发电机外形图见图1。

1.定子； 2.转子； 3.出线罩； 4.隔音刷架； 5.底脚； 6.冷却器； 7.端盖、轴承及油密封图1　燃气轮发电机外形图

2　通风设计

氢冷发电机为全封闭式，运行时以氢气作为冷却介质。通风系统是完全独立的，包括气体冷却器和风扇，因此能防止灰尘和潮气进入机内。发电机的气体冷却器垂直安装在机座4个角上的冷却器架上。在每台冷却器外底部连接水管。在冷却器顶部和底部，气密是通过在发电机机座和冷却器管板间压缩的密封垫片实现的。转子风扇为发电机提供通风，它们是轴向通风型的并具有单独的风叶，风叶被固定在靠近转子两端的风扇座环上。气体的进、出是由导风环控制的。转子本体采用斜副槽通风，转子端部两路通风。定子通风通过风扇使氢气强制流入气隙及定子铁心背部周围，定子被机座隔板在轴向分为冷热风区。在冷风区，强制流通的冷却的气体从铁心外通过径向通风道进入气隙；在热风区，气体从气隙通过通风道流向铁心外，热量被交换后，冷却的气体回流到转子风扇并重新循环，这种在定子通风方式均匀地冷却铁心和绕组避免机内过热并降低温差所产生的应力。发电机通风系统如图2所示。

图2　发电机通风系统

3　结构设计

由燃气轮机拖动的单独励磁的转子在静止定子膛内旋转， 并由发电机机座上的端盖内的轴承支承。在保持氢气压力和纯度以及提供冷却器冷却水和润滑油的条件下， 发电机可连续运行并从出线端子输出电力。通过安装的温度检测器和其它装置或与发电机连接的装置可以测量定子铁心、 绕组以及氢气温度、 氢气压力及纯度。发电机结构不但要承受正常运行工况， 而且还要承受包括三相短路和突然施加负荷而不损坏。机座通过两侧的底脚支撑的基础上，机座还支撑着冷却器并作为冷却器的外罩。为防止氢气从发电机中泄漏， 端盖、 冷却器、 人孔等都采用密封结构。

3.1定子装配

3.1.1定子机座(见图3)由一个焊接结构的气密圆柱体的外壳构成，径向由静止隔板、轴向由弹簧棒和筋板在内部给予加强。一组浮动隔板与支撑定子铁心的定位筋焊接在一起，定位筋在两端头通过浮动隔板固定在弹簧棒上。弹簧棒由固定隔板支撑。这种铁心弹性固定方式将定子铁心的径向和切向磁振动与外机座隔离，这样，机座仅产生轻微振动并能平稳地运行。同时其刚强度足以承受内部的氢气爆炸对发电机壳体和周围部件的破坏效果。

图3　发电机定子机座

3.1.2定子铁心是由经退火的高质量低损耗的取向硅钢片叠压的。根据电磁设计计算结果以及发电机结构尺寸布置，只能采用铁损更低的取向硅钢片，才能满足铁心损耗以及温升的要求。采用交错平叠方式将冲片装到定位筋的鸽尾上，并分为若干段，段之间用通风槽钢隔开以形成通风道。有嵌定子线圈的开口槽和固定槽楔已将定子线圈固定到位的鸽尾槽。冲片背部的鸽尾槽是用于叠装并安装和固定在定位筋上。借用定位筋通过球墨铸铁压圈施加的压力将已装好的冲片压成一个刚性的柱形铁心。压力是通过端部压圈下的无磁性压指施加到铁心齿部。18根弹簧板上的5道夹紧环将铁心的径向位移限制在安全的幅值范围内，有效减小了铁心的振动和运行噪声。为了降低因端部漏磁通引起的发热和随之产生的电磁损耗，本型发电机未设置磁屏蔽和电屏蔽，铁心端部冲片呈阶梯形式以增加冲片与转子的间隙，以减少相应损耗。冲片绝缘是采用一种含有Santocel成份的热固型清漆。

3.1.3定子绕组由定子槽内的绝缘线圈构成，在两端连接后形成线圈并经并联环引线连接成相应的相带。每相分成间隔180°的线圈组。定子线圈由采用Roebel方法换位的绝缘铜导线(多股)构成，这样，在定子线圈中每股导线沿线圈在径向方向上平均等效为相同的位置。这种配置可避免负载下由于定子槽内磁通量自感分布而造成环流损耗。数根换拉的单独绝缘股线构成了定子线圈，它的“对地绝缘”是采用了云母绝缘系统。该绝缘系统由热固粘结剂粘结的数层云母带构成。这样就形成了高密度、高电介质强度系统，其在整个运行温度的范围内具有高的抗拉强度。为防止定子线圈在槽内磨损，在铁心部位应用防护带。为了将电晕效应降至最低，在槽内和超出铁心数英寸的定子线圈位置涂上微导电漆(含石墨)。定子线圈端部外部包有数层带子，保护云母绝缘，随后喷上环氧漆。端部绕组被固定在模压玻璃纤维环上，模压玻璃纤维环是由定子铁心压圈支承的。采用了GE改进的湿式绑扎结构，用适型材料将压力均布于绕组端部表面，用热固型树脂将玻璃纤维带、间隔块和适型材料粘结在一起，避免了线棒振动引起的主绝缘磨损。定子线棒在槽内是通过打紧在鸽尾槽内的胶木板定子槽楔所固定。为测量绕组运行温度最高温度点，在定子绕组的每相线圈间均设置6个电阻式测温计。用8个风温测温计来测量4个冷却器中每一个冷却器的进口和出口处气体温度。测温计引线穿过发电机机座上的气密穿线法兰连接到接线端子箱，从而与测温仪器或继电器相连接。

3.1.4发电机定子主出线从发电机机座励端顶部的出线板引出。为了将感应电流的损失和导线负载电流导致的热降低至最低点，出线板采用非导磁的铝材料。出线板与定子机座间配有密封垫片以防止氢气泄漏。引出线通过气密的高压瓷套管引出，套管由配有铜导体的陶瓷绝缘子构成。套管每端端子镀银。套管式电流互感器水平布置于顶部出线罩内，其固定全面考虑了绝缘和散热空间问题，出线罩底部开通风孔，整个出线罩采用自然通风冷却。考虑到安全问题，配备氢气探测装置监测氢气泄露情况。(见图4)

3.2转子装配

发电机转子由整根高合金钢锻件机加工而成，锻件经过全面的试验以确保其能满足所需的物理和化学性能。在转子本体上径向加工纵向槽以嵌入转子线圈。在大齿部位加工的附加槽为转子本体提供通风。转子线圈由非磁性钢制槽楔固定在转子的鸽尾槽内以克服线圈离心力作用，本型发电机采用长槽楔结构，减少了槽楔间的接头，具有更好的负序承载能力。转子绕组由弯曲成形的矩形铜排组成，分布在每个极的线圈构成绕组。匝间相互绝缘，线圈与槽壁之间由压制的槽衬绝缘。为了提供最好的通风和冷却条件，除交替的匝间绝缘之外，转子绕组端部均为裸露，以利于散热。在线圈与护环之间设有压制的绝缘瓦，在绕组端部配有环氧玻璃块以间隔和支承线圈并限制线圈在热应力和旋转力下串动。端部绕组由高强度、经热处理的合金锻钢18Mn18Cr重型护环固定以克服其线圈离心力，护环是热套并锁紧在转子本体上的。通过集电环向转子绕组提供励磁电流，集电环是通过插入转子锻件中心孔的导电杆与转子绕组电气连接。在励端，装在转子径向孔内的引线螺钉将绕组连接到导电杆上。励端端部连接件采用弹性密封系统以保持氢气密封。(见图5、图6)

图5　转子集电环导电螺钉

图6　转子护环、端部绕组及引线螺钉结构

3.3端轴油装配

发电机转子轴承，氢密封及密封油和润滑油管路均装在外端盖内，端盖在水平中心分开以利于其拆卸。为密封机内气体，在端盖两半之间及端盖与机座之间的合缝面上加工密封凹槽并填充密封胶。转子轴承上配有球座安装可自调心轴瓦。每个外端盖、轴承内侧装有轴封以防止氢气沿轴泄漏。这种布置允许检查发电机轴承而不用放机内气体。为防止轴电流，励端轴承和密封座是与发电机机座绝缘的。汽端设有接地电刷装置。内端盖位于在定

子绕组和外端盖之间，并将由风扇排出的气体和进入风扇的气体隔开。装在内端盖上的气封环是为了防止由风扇排出的气体漏回到风扇的入口。端盖上还装设有测量轴振和轴承座振动的接口。(见图7)

3.4座板及底脚

发电机采用分体式底脚，底脚与机座采用键槽定位及螺栓把紧配合，发电机中心高调节采用特殊的20个弹性支撑装置，无调节垫片。

图7　端轴油装配

3.5隔音刷架装配

发电机隔音罩刷架结构采用双排碳刷交错安装， 保证空间紧凑， 底架下部开有专门的排尘通风道。刷架内还安装有氢气探测装置和防火探头， 底部装有电加热器， 防止停机时机组受潮。

4　发电机型式试验

由于本型发电机在哈电公司是首台制造，厂内进行了型式试验，用以检测设计和制造质量。表2、表3列出了主要的试验结果数据。

表2　燃气轮发电机振动测试结果

表3　燃气轮发电机型式试验结果汇总表

5　结语

全氢冷燃气轮发电机是GE燃气轮发电机产品中重要的系列，发电机辅助设备少，维护简单，运行可靠性高。工厂型式试验结果表明，发电机各个部位温升较低，转子各个部位振动幅值均在国家标准GB/T 7064—2008优质范围内，效率可达99.10%。

[1]汪耕，李希明.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.

袁昌健，1973年生，1998年毕业于湖南大学机械与汽车工程学院机械专业，现于哈尔滨电机厂有限责任公司产品设计部从事大型汽轮发电机结构设计、分析工作，高级工程师。