空气冷却汽轮发电机转子的设计

林松+++高速

摘 要：随着我国经济的飞速发展，对电力的需要不断增加，作为发电厂中电能直接生产者的汽轮发电机，其对电力工业的发展有着至关重要的作用。汽轮发电机的转子会随着发电机机组能力密度的提高和能力的增大其损耗也会增大，这会导致绕组的温度升高有时还会超过限制温度，因此空气冷却汽轮发电机转子技术十分重要。

关键词：空气冷却汽轮发电机转子；设计；温度

1 大型空气冷却发电机通风冷却的特点

1.1 正向冷却技术

传统空气冷却循环技术是正向冷却，由装在大轴端部的主风扇将冷却器出来的冷风全部送入电机内，经过转子绕组变成热风，最后在经过不同的定子风室，离开电机再进入冷却器，完成整个循环，主要有多路通风和单向通风两种。

1.2 反向回路通风

和单路通风结构相同的是都要从冷去器吹出冷风，经过风扇再进入发电机的有效部位，但是可以使定子的气流量减少至少50%，逆流通风机构可以使冷却定子铁心和转子线圈气流温度降低，能够获得良好的冷却效果。

为了保证汽轮发电机运行的安全稳定，提高汽轮发电机的发电效率，节约成本，优化设计，本文将极对数设为1，下面将要从转子的安匝数、转子的计算能量转子槽宽和齿轮宽的选择、齿根拉应力的估算法、转子齿温度的降落等方面讨论空气冷却汽轮发电机转子的设计。

2 转子的安匝数

2.1 必需的过载能力

设Km为过载能力，其公式为

其中功率因素为cos？椎，气隙安匝数为AWf，转子的绕组系数为kw2 AWα为电枢安匝数，AWd为短路时候的激磁安匝。

设空载额定电压时的饱和系数为Ku，有下列公式

Ku=AW0/AW？啄 其中AW0为空载额定电压时的激磁安匝数

短路比

带入AWd公式可得出

去平均值表面冷却的Xp=0.12，KW2=0.808，Ku=1.15 DLB=0.7

所以计算出激磁安匝数大约值为 AWd=1.32AWα，

在一般情况下功率因素为cosφ=0.8 取KM=1.9，由此得到AWf=AWα

根据调查研究和数据分析得知，目前的汽轮发电机的激磁安匝数大多都是电枢安匝数的2倍，巨型发电机也不例外。这使我们在设计空气冷却汽轮发电机转子时能够精确初步估算转子安匝数的原因。

2.2 从短路比出发

取Xp=0.12，sinφ=0.16 经过理论计算得知DLB=0.57，AWf=2AWα

由此可知Km=1.9和DLB=0.57基本相适应，在必须的过载能力和短路比这两种情况下，AWf都大致是AWα的两倍，所以这就要求我们在设计空气冷却汽轮发电机转子时激磁安匝数和电枢安匝都必须按照这个比例增加，这样才能保证同一过载能力和短路比。

3 转子的计算容量

定子通过磁场联系衡量转子容量，所以我们先要清楚定子容量和磁场之间的关系才能决定定子容量。

PN=■UIN×10-3千伏安，IN=AWα/1.06Kw1W1安

所以PN=62.8×10-10AWα？准1千伏安

其额定容量、温度电压、定子每极磁通、定子绕组系数、额定电流分别用PN、UN'、？准1、KW1、IN表示，上述公式充分表明了定子安匝数和磁通决定了电机容量，同理转子的容量Pr也可以这么计算。

其中Cr是一个特定的常数，因为设计时电机容量是已知的，而定子的磁通和安匝数的乘积是一个常数，所以转子的磁通和安匝数的乘积也是一个常数，但是在单独选择安匝数或者磁通的时候，要合理地调整这两个的关系才能够设计出合理的空气冷却汽轮发电机转子。

4 转子的槽宽和齿宽的选择

研究表明，其他情况一定，增大槽宽，安匝数也会增加，但磁通的许可值就会减少，转子的电负荷和磁负荷是存在矛盾的。所以转子容量并不是越大越好还是需要根据实际情况来选择，齿根密度B2Z控制转子磁通？准2的进一步提高，当齿根密度达到极限时，转子磁通和齿根截面积呈正比例关系，在其他条件不变的条件下，槽宽和转子匝数呈正比例关系，

所以在一般情况下一定范围内，增大齿根密度会增加转子容量。槽绝缘温度降落控制槽宽的增大，其次是槽宽增大还受齿根表面附加损耗和继续应力的影响，由此可得出槽宽的计算公式：

所以槽宽的增大只与电流密度j2和绝缘温度降落有关，与槽宽增大的极限、直径、容量无关。所以我们在设计时要充分分析转子槽加工、槽絕缘和铜线规格制作的通用性，不同容量的空气冷却汽轮发电机常常取同一槽宽，电流密度也比较接近，而容量小的电机为了增加槽分度以减低表面损耗，不会选择2.59厘米的槽宽。因为齿根密度的减小有利于提高容量，所以一般在设计工艺之时往往会选择最小极限的齿根密度之后然后再去计算机械应力来决定齿根密度是否合适。

5 齿根应力估算法

中心孔表面和齿根处是转子本体最大的应力所在处，转子外径能够确定中心孔表面的应力，在一定范围内的外径下，齿根拉应力和槽形有着很大的关系，只有在电磁计算全部完成，转子尺寸最后确定时才能精确地估算出齿根拉应力，本文先放弃考虑契合绝缘的离心力，假定铜线以同样的填充率在槽内均匀分布，然后将真正的齿轮重心半径替换为平均半径，并假设可以用系数1.24乘以总的离心力弥补上面简化造成的离心力的减少，则对应的离心力为

知道容许应力和槽型之后，就可以利用面的曲线规律核对机械强度是否能够允许选选择的槽型了。另外关于最大转子计算容量、耗铜量、槽部铜耗，转子齿温度的降落、槽高hn2的选择这些就不一一赘述了。

6 设计转子的步骤

在设计空气冷却汽轮发电机转子时，先初步确定定子铁心内径Di，相当于Di来说，气隙的变化范围和本身值都很小，可以按照设计书的方法选取，然后依照转子的短路比或过载能力，估算出转子的安匝数，再假定转子能够充分利用，再根据查找资料和计算，得到齿根密度B2Z，如果B2Z值接近极限，那么就表示充分利用，如果达不到，那么可以考虑采取缩短长度或直径的方法，在其直径和槽型选定好，可以利用曲线图来确定其是否适合实际应用标准。

参考文献

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[2]路义萍，阴文豪，韩家德，等.汽轮发电机转子端部及槽内绕组温升[J].电工技术学报，2010，02：1-5.

[3]霍菲阳.大型同步发电机复杂结构下发热与冷却机理的研究[D].北京交通大学，2013.