空气冷却350MW汽轮发电机

摘要

本发明提供一种350MW的空气冷却汽轮发电机，其冷却系统满足整机的要求，运行可靠，解决转子绕组及转子中间段温升高问题。其转子开有与嵌线槽底部相通的嵌线风道；转子绕组开有连通嵌线风道与气隙的嵌线槽风道；嵌线槽之间的转子上开有通风槽；沿转子轴向形成五个风区；从前后进风区吹出的风分四路，第一路风从引风管进入中间进风区，经径向风道进入气隙，第二路风进入气隙，第三路风经嵌线风道、嵌线槽风道进入气隙；第四路风进入通风槽，再沿转子径向进入气隙；进入气隙内的风经径向风道进入前后出风区；前、后出风区与空气冷却器的进口相通，空气冷却器的出口与前、后进风区相通。

说明书

技术领域

本发明涉及空气冷却汽轮发电机。

技术背景

电机的诞生已有一百多年的历史了，19世纪末欧洲就已经开始生产小型汽轮发电机了。我国的汽轮发电机制造起步较晚，1954年，国产第一台空冷汽轮发电机制造成功，容量为6MW。1958年，制造成功了25MW汽轮发电机。

20世纪30年代末以前，汽轮发电机基本处于单一的空气冷却阶段。从历史的观点看，汽轮发电机的发展趋势是增加单机容量。因经济性好而采用的大型汽轮发电机，其要求的冷却效果超过了空冷技术可能提供的程度，所以人们必然会把精力集中到寻求冷却水平更高级的介质上。当今世界上汽轮发电机使用的冷却介质，按其冷却效果的递增次序，分别是空气、氢和水，大型发电机的另一个重要的发展方向是利用超导技术。研制低温超导发电机的工作目前正蓬勃开展，因为这种技术显示有希望制造更大单机容量的发电机。然而，伴随着冷却水平的提高，发电机的结构变得越来越复杂，不仅需要越来越多的辅助装置和设备，而且给运行和维护也增添了许多麻烦。

空气是最简单的冷却介质，使用也最方便，但其冷却能力比较有限。例如与氢相比时，在单位体积热容量一定时，空气的导热率是氢的七分之一，在同样的绝对压力下，空气的密度为氢的十倍；更不用说与水相比了。然而，空冷发电机与其它冷却方式的发电机相比，结构最为简单，既不需要有耐压和防爆的机座，也不需要有特殊的密封系统，更不需要冷却介质的附加制造设备和调节装置。空冷机组的第一个优点是初次投资费用较少，虽然空冷发电机的单位材料耗量与氢冷发电机相比有效材料利用得差些，但是氢冷发电机由于氢气设施以及机组所需的气体密封性能、防爆性能等所需的额外耗费，使得氢冷发电机的制造费用比空冷发电机的制造费用要贵50％；空冷机组的第二个优点是运行和维护比较简单，从而其运行和维护费用较低，氢冷或水冷机组的管理人员需要经过专门的培训；空冷机组的第三个优点是大修所用的时间较短，提高了可用性，相反氢冷发电机的检修则比较复杂，在拆机修理前要用二氧化碳气体置换机内的氢气，修理好以后需要重新充氢才能再次使用；空冷机组的第四个优点是由于其结构简单、辅助设备少而有较好的可靠性与安全性。从机组整个运行时间考虑，尽管空冷机组效率稍低一点，但上述优点加在一起使空冷发电机在大多数场合比较经济实惠。

由于结构材料、绝热材料和有效材料的发展，计算机技术的应用，大型氢冷汽轮发电机制造经验的积累，以及由于受到燃气轮机——空冷发电机最常用的原动机——单机容量增长的推动作用，对空冷发电机的开发研究工作一直没有间断，空冷发电机的单机容量正在逐年提高，许多原为氢冷或水冷机组占居的容量等级正逐渐被空冷机组所替代。在20世纪60年代，国际上制造水平最高的生产厂家，其空冷发电机的单机容量不超过80MVA，我国的水平为30MVA。但进入20世纪70年代后，空冷发电机的单机容量迅速突破80MVA。七十年代初90MVA空冷机组投入运行。

现有的空气冷却汽轮发电机，包括定子、轴承、转子、端盖、空气冷却器；穿过定子的转子的两端转动支撑在轴承上，定子设置在机座内；定子与转子有周向气隙；机座的两端有端盖，机座底部有底盖，机座底部两侧有底板；风罩设置在机座左右两侧并与底板相接；转子的两端设置有前后轴流风扇，转子沿轴向开有嵌线槽，设置在嵌线槽内部的转子绕组沿转子径向开有与嵌线槽的底部相通的嵌线槽风道；定子铁心段沿轴向间隔排列；沿转子轴向在转子和定子的外圆分别形成前进风区、两进三出五个风区、后进风区；前后进风区在定子前后端与前后端盖之间的转子的外圆，两进三出五个风区在定子的外圆；中间的一个出风区对应于定子的中间段部分。其中在定子中从前后轴流风扇吹出的风各分三路；第一路风经两个进风区沿定子铁心段之间的径向风道进入气隙；第二路风直接进入气隙；第三路风沿转子轴向进入嵌线槽，再沿嵌线槽风道进入气隙；所有进入气隙内的风经定子铁心段之间的径向风道进入三个出风区；三个出风区分别与空气冷却器的进口相通，空气冷却器的出口分别与前后进风区相通。由于一个出风区对应于定子的中间段部分，定子和转子的中间段均不能得到有效冷却；当汽轮发电机功率增大时，该问题尤其严重。另外，功率增大时，转子绕组温升高，现有的风路仍不能有效冷却转子绕组。

350MW(410MVA)空气冷却汽轮发电机就是在这种背景下发明出来的。

发明内容

本发明的目的就是提供一种350MW的空气冷却汽轮发电机，其冷却系统满足了整机的要求，运行可靠，有效地解决了转子绕组及转子中间段温升高的问题。

本空气冷却350MW汽轮发电机，包括定子、轴承、转子、端盖、空气冷却器和风罩；定子与转子之间有周向气隙；转子的两端设置有前后轴流风扇；转子沿轴向开有嵌线槽，沿转子轴向开有与嵌线槽底部相通的嵌线风道；设置在嵌线槽内的转子绕组沿转子径向开有连通嵌线风道与气隙的嵌线槽风道；定子铁心段沿轴向间隔排列，相邻的铁心段之间由径向风道分隔；沿转子轴向在转子和定子的外圆分别形成前进风区、前出风区、中间进风区、后出风区、后进风区；前、后进风区分别在定子前后端与前后端盖之间，前出风区、中间进风区、后出风区对应定子铁心的三个部分，中间进风区对应于定子铁心的中间段部分，前出风区、后出风区对应定子铁心的前后两段；嵌线槽之间的转子上沿轴向开有通风槽，在径向与中间进风区相对的通风槽与气隙相通，在径向与前后出风区相对的通风槽与气隙相隔开；转子的两端的前后轴流风机分别在前后进风区内，从前后进风区吹出的风分四路继续流通，第一路风从引风管进入中间进风区，经定子铁心段之间的径向风道冷却中部的定子铁心和定子线圈后进入气隙，第二路风直接进入气隙；第三路风进入嵌线风道、嵌线槽风道冷却转子线圈后进入气隙；第四路风进入通风槽，再沿转子径向冷却转子绕组和转子后进入气隙；进入气隙内的风经径向风道冷却定子线圈和定子铁心的两端后进入前后出风区；进入气隙内的风经径向风道进入前后出风区；前、后出风区分别与空气冷却器的进口相通，空气冷却器的出口分别与前、后进风区相通。

本发明摒弃了原有的在定子外圆的两进三出五个风区的结构，采用一进两出的结构，即在定子外圆有前出风区、中间进风区、后出风区；中间进风区对应于定子的中间段部分；这样，冷风从定子中间段进入气隙可对温度较高的转子中间段进行冷却，降低转子中间段的温度，保持转子轴向温度基本均匀，解决了发电机中部局部过热的问题。另外，本发明通过上述的特殊通风槽，使得冷风从转子两端进入通风槽内后只能从在径向与中间进风区相对的通风槽沿转子径向进入气隙；该通风槽能够同时冷却转子绕组和转子。上述的改进，满足了大功率的机组运行的冷却需要，机组运行安全可靠。

作为改进，风罩和机座内均沿定子轴向设置有四个隔板，四个隔板、风罩、底盖、底板及定子外圆面在定子的轴向上分别形成前出风区、中间进风区、后出风区。

作为改进，定子绕组的前后端部分别在前后进风区内，并位于引风管的进口处。这样对定子绕组的端部也有效地冷却。

作为改进，前后进风区均有三个进风通道与空气冷却器的出口相连，三个进风通道的出风口中的一个出风口在底盖与轴承之间，另外两个进风通道的出风口分别在机座两侧的底板上。三个进风通道同时为前后进风区供风，风量大，以满足机组的对冷却风的风量要求。

作为改进，前后出风区均有三个出风通道与空气冷却器的进风口相通，三个出风通道的进风口中一个进风口在底盖上，另外两个出风通道的进风口分别在机座两侧的底板上。前后出风区出来的热风通过三个出风通道同时出来，风量大，以满足机组的对冷却风的风量要求。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是图1中对应于中间进风区的转子中间段及转子绕组等的剖视放大图。

图3是图1中对应于前、后出风区的转子部分及转子绕组等的剖放大视图。

图4是转子的剖视放大图。

图5是图1中A-A(E-E)剖视图。

图6是图1中B-B(D-D)剖视图。

图7是图1中C-C剖视图。

具体实施方案

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1-7所示空气冷却350MW汽轮发电机，穿入定子1的转子2的两端转动支撑在轴承3上，定子设置在机座4内；定子与转子之间有周向气隙5；机座的两端有前端盖6、后端盖7，机座底部有出风斗(底盖)8，机座底部两侧有底板9。风罩10设置在机座左右两侧并与底板相接。转子的两端设置有前轴流风扇11、后轴流风扇12，转子沿轴向开有嵌线槽13，沿转子轴向开有与嵌线槽底部相通的嵌线风道43。安置在嵌线槽内的转子绕组14沿转子径向开有嵌线槽风道15，此嵌线槽风道15下联嵌线风道43，上联气隙5。定子铁心段16沿轴向间隔排列，相邻的铁心段之间由径向风道分隔。

参见图1，风罩10和机座4内均沿定子轴向设置有四个隔板23-26，四个隔板、风罩、底盖、底板及定子的外圆面在定子的轴向上分别形成前出风区18、中间进风区19、后出风区20；中间进风区19对应于定子的中间段部分，中间进风区19两侧分别为前后出风区18、20。

参见图1-4，嵌线槽13之间的转子部分上沿转子轴向开有通风槽21，在径向与中间进风区相对的通风槽与气隙相通，在径向与前后出风区相对的通风槽通过隔离垫块22与气隙相隔开。

参见图1、5，风罩10、机座4内前端的隔板23及前端盖6形成前进风区27；前轴流风扇在前进风区内；前进风区通过前引风管31与中间进风区相通。定子绕组的前端部29在前进风区内，并位于前引风管的进口处。风罩10、机座4内后端的隔板26及后端盖7形成后进风区28；后轴流风扇在后进风区内。后进风区通过后引风管32与中间进风区相通。定子绕组的后端部30在后进风区内，并位于后引风管的进口处。前后进风区均分别通过三个进风通道33-35与空气冷却器36的出口相连，进风通道33的出风口在底盖与轴承之间，另外两个进风通道34、35的出风口38、39分别在机座两侧的底板上。

参见图1、6，前后出风区均分别通过三个出风通道40-42与空气冷却器的进风口相通，出风通道40的进风口在底盖上，另外两个出风通道41、42的进风口分别在机座两侧的底板上。

图中的箭头表示风的走向。强迫空气流通的前后轴流风扇安装在转子的两端的前后进风区内，从前后进风区吹出的风分四路继续流通，第一路风冷却定子绕组的端部后从引风管进入中间进风区，经定子铁心段之间的径向风道冷却中部的定子铁心和定子线圈后进入气隙，第二路风直接进入气隙；第三路风从转子护环下进入嵌线风道、嵌线槽风道冷却转子线圈后进入气隙；第四路风从转子护环下进入通风槽，再沿转子径向冷却转子绕组和转子后进入气隙；第一路风和第三、四路风在气隙与第二路风汇合，再经径向风道冷却定子线圈和定子铁心的两端后进入前后出风区；从前后出风区出来的风再经空气冷却器冷却后进入前后进风区，完成风的循环。

上述空气冷却350MW汽轮发电机为隐极式三相同步发电机，它由汽轮机直接拖动，主要参数如下：

容量350MW；电压22kV；功率因数0.85；转速3000r/min；频率50Hz；满载效率98.8％；绝缘等级：采用F级绝缘材料，按B级考核；励磁方式：交流无刷励磁，或静止可控硅励磁，或其他；采用无刷励磁系统时励磁机的功率800kW；采用静止可控硅励磁系统时励磁变压器的功率2500kVA。

本发明冷却空气流量95m³/s；空气冷却器水量；700m³/h；空气冷却器热交换容量4200kW。

试验结果表明，样机符合设计要求，完全可以替代同容量的氢冷或水冷机组。用户使用空冷机组，不仅可以取得相同的出力，可以大大节省一次性投资，更可以大大节省运行费用，取得更好的安全运行性和经济效益。