6 MW 60 Hz整浸空冷汽轮发电机设计

董江伟，胡金岩，陈 旭，辛 雷，袁 林

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100)

0 引言

随着国外市场对60 Hz空冷汽轮发电机产品需求的不断增加，公司需开发更多60 Hz产品以满足市场的需求，VPI(Vacuum Pressure Impregnation)整浸空冷汽轮发电机具有效率高，故障率低的特点，深受用户青睐。公司决定把国内技术与国外技术结合起来，借用WX14Z产品的结构，开发一种6 MW 60 Hz新型VPI整浸空冷汽轮发电机。

1 方案设计

我公司引进的WX产品采用系列化、模块化设计，从便于制图、采购和制造角度出发，保持截面不变，而只改变长度最为方便经济。因此电磁设计通常建立在有规律分布的几档直径和长度上。模块化设计时，针对每个截面可选定最小和最大长度、确定最小和最大功率，在机械特性、通风和效率等相应的极限下进行设计。最大长度限定的要求是：不需要昂贵的结构部件并能解决问题。最小长度则受到性能要求的限定，应在合理的利用系数下保持理想的效率[1]。

设计基本参数

额定功率：6 000 kW

功率因数：0.8

额定电压：13 800 V

额定转速：3 600 r/min

6 MW发电机用引进电磁计算程序进行计算，最大效率96%，远低于6 MW效率97.8%的国标最低要求。因此需要用国内的电磁计算程序进行计算，首先是定子铁心内径的确定，WX14Z产品定子铁心内径760 mm，该内径与国产12 MW定子铁心内径762 mm基本一致，可以在12 MW计算单的基础上改进，有了定子铁心内径就可以对定子铁心长度进行选择，计算电机利用系数。

电磁功率S公式为：

S=CD2ln

式中：C为电机利用系数；D为定子铁心内径；l为定子铁心有效长度；n为转速。

对于一般空气冷却的电机，其利用系数约为1.5～9，并且随着容量增加利用系数也在增大[2]，原有12 MW发电机利用系数计算12 000=C×0.7622×2×3 000，得出C=3.4。WX14Z最短档1 020 mm(方案1)、1 260 mm(方案2)档数据见表1。

表1 方案对照参数表

从电机利用系数看，方案1更好一些。发电机设计主要的公式：

W1=Sn1·p·q1/a1；q1=Z1/(6p)

式中：E为相电势；KW1为定子绕组系数；W1为定子绕组每相串联匝数；f为频率；Bδ为气隙磁密；aδ为极弧系数；lδ为气隙长度；D为气隙平均直径；p为极对数；Z1为定子槽数；Sn1为每槽导体数；q1为每极每相槽数。由上述公式可确定槽数等其他输入数据。

方案1长度1 020 mm短，槽数66多，经计算出槽口线圈间距21；方案2长度1 260 mm长一些，槽数54，出槽口线圈间距29。因额定电压13.8 kV，出槽口线圈间距不能过小，21虽然偏小但也满足设计要求。输入数据设计完毕，具体输出数据见表2。

表2 方案输出数据表

60 Hz一般用于国外项目，国内项目短路比FK0≥0.35。国外项目有的要求比较高，需要≥0.5；超瞬变电抗Xd”v国内项目≥0.1，国外项目有的≥0.15；效率N%方案1满足国标要求，方案2稍小。从方案1和方案2的定子绕组温升@CU1、定子铁心温升@FE、转子绕组的平均温升@CU2来看，离限制温度还比较远，发6 MW都不处于满发状态，有比较大的超发裕量。分析方案1和方案2，方案1更适合6 MW，方案2可用于更大容量的产品。

2 结构设计

该型空冷汽轮发电机主要由定子(含端盖)、转子、轴承、励磁机几大部分组成，采用定子空外冷、转子空外冷冷却方式，经济性好。结构示意见图1。

图1 发电机结构

2.1 定子

我国国内定子线圈传统方法是模压线圈，相比模压线圈，引进技术的整浸线圈有以下优点：

(1) 设计简单，研发时间短。模压线圈图纸设计计算复杂，耗费时间多；整浸线圈采用引进的专用程序计算，设计时间短，新产品研发快，可用于交货时间短的产品。

(2) 制造工艺简单。采用少胶云母带连续包绕绕组，嵌入定子铁心后再整体浸渍，相比整浸线圈节省工时，简化制造过程，降低成本，不易损伤绕组绝缘。

(3) 整浸可提高电机绕组的整体性，消除定子绕组位移引起的绝缘磨损，不容易发生匝间短路故障及更严重的定子绕组接地故障。

(4) 整浸提高定子绕组和定子铁心的导热性，降低电机的运行温度，提高了寿命。

(5) 电机适应环境条件的能力强，保证了机组在高湿度、高带电粒子、高海拔情况下的安全运行。

(6) 填充了绝缘内部微孔和薄层间隙，并在绝缘表面形成了一层光滑而富有弹性的漆膜，使绝缘的均匀性、连续性和密实程度得到极大的改善，可有效地防止发生电晕现象。

2.2 转子

从电磁计算可知，转子绕组的平均温升@CU2为55 K，远小于90 K，因此放弃了性能好的转子空心导线设计，转而用经济性更好的实心导线。定子绕组温升@CU1、定子铁心温升@FE也很低。转子风扇选用离心式风扇，该风扇产生的压头高，流量较小，效率约为30%[2]。中小型发电机通风系统最常采用离心式风扇，因为它能产生较高的压力。

2.3 轴承

发电机轴承采用φ200 mm×180 mm窄轴承，不再采用φ200 mm×200 mm宽轴承，小宽径比更适合60 Hz产品，其优点是增大压力(单位面积载荷)而提高运转稳定性；增加流量而降低温升；减小摩擦面积而降低摩擦损耗；减小轴向尺寸而减少占用空间[3]。

轴瓦材料选用ZG230-450，轴承座材料为HT200。轴瓦测温元件选用WZPM2-201端面热电阻，使测温探头与轴瓦充分接触，提高了测量准确度。

2.4 励磁机

励磁机用JL-50励磁机，发电机空载额定电压时励磁机所需励磁功率1.17 A×12.5 V(20 ℃)，发电机额定负载时励磁机所需励磁功率3.33 A×49.7 V(120 ℃)，发电机强励时励磁机所需最大励磁功率(强励时间不大于15 s)5.8 A×87 V。结构上考虑到通用性，60 Hz励磁机与50 Hz励磁机通用。

3 性能对比

型式试验后设计值、试验值与GB/T 21663—2008《小容量节能环保隐极同步发电机技术要求》进行对比，见表3。

表3 性能要求

由表中数据可知，6 MW 13.8 kV 60 Hz整浸发电机在效率、振动、温升等参数上均能满足国标要求，且留有较大的温升裕量，短路比、超瞬变电抗值高，适合几乎所有国外项目的特殊要求，具有通用性强的特点。

4 结语

6 MW 60 Hz整浸空冷汽轮发电机是WX14Z能设计的最小功率的发电机，该发电机的成功研制为系列电机的研发奠定基础，今后6～25 MW之间的60 Hz整浸发电机研发不需要改动截面，改变长度就能设计完成，并能借用原来的工装工艺，降低设计研发成本，缩短设计研发时间。该型整浸空冷汽轮发电机的成功研发，为用户提供了更多选择，提高了公司国外60 Hz市场的竞争力。