（电气工程专业论文）wy16z—037llt燃气轮发电机的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着可持续发展战略的实施和天然气资源的开发利用，燃气轮发电机面临着 广阔的发展前景。在此情况下，结合济南发电设备厂的产品定货合同，研制了 w y l f z 一0 3 7 l l t 燃气轮发电机。本文对该发电机设计、制造、试验过程中的一 些问题进行了研究，主要包括以下内容： ( 1 ) 确定了发电机的电气参数和结构。 ( 2 ) 利用有限元方法分析验算了机座和转子的强度。 ( 3 ) 采用普劳尔( p r o h l ) 法对临界转速进行了计算。 ( 4 ) 利用雷诺方程和a l s t o m 公司的计算程序对轴承的特性进行了分析计 算。 ( 5 ) 对关键部件定子线圈进行了设计计算。包括如何换位，如何控制端部尺 寸和形状，同时针对制造过程中的难点制订了工艺方案。 ( 6 ) 为了增强产品的竞争力和可靠性，在试制过程中对部分绝缘结构进行了 改进和国产化的尝试。 ( 7 ) 试制完成后，结合试验结果对发电机组的性能进行了分析。 本项研制工作中借鉴国外先进技术，采用新型设计计算方法，对发电机的设 计制造进行了有益的研究和尝试，圆满达到了预期目标，研发的w y l f z 一0 3 7 l l t 燃气轮发电机结构合理、技术水平先进、性能指标优良，这一新设备的投入运行 将会创造良好的经济效益和社会效益。同时该项工作为提高发电机设计制造质量 和水平，开发系列燃气轮发电机新产品打下了基础。 关键词：燃气轮发电机有限元分析临界转速轴承特性定子线圈绝缘绍十句 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea c c o m p l i s h m e n to ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g ya n dt h e e x p l o i t a t i o no fn a t u r a lg a sr e s o u r c e ，g a s t u r b i n eg e n e r a t o rf a c e sav e r yb r i g h tf u t u r e u n d e rt h i s c i r c u m s l a n c e s ，c o n s i d e r i n gt h ep r o d u c ts a l e s o r d e r so fj i n a np o w e r e q u i p m e n tf a c t o r y , w ed e v e l o p e dg a s t u r b i n eg e n e r a t o ro fw y l 6 z 一0 3 7 l l t t i f f s p a p e ri sar e s e a r c hi n t os o m eq u e s t i o n so f d e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n ga n dt e s t i n go ft h e a b o v e - m e n t i o n e dt y p eo f g e n e r a t o r s ，c o v e r i n gt h ef o l l o w i n gp o i n t s ： ( 1 ) c o n f i r m i n gt h e e l e c t r i c a l p a r a m e t e r sa n dc o n f i g u r a t i o no ft h eg a s t u r b i n e g e n e r a t o r ( 2 ) a n a l y s i n ga n dc a l c u l a t i n gt h es t r e n g t ho fg e n e r a t o rf r a m ea n dr o t o rw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( 3 ) c a l c u l a t i n gt h ec r i t i c a ls p e e dw i t hp r o h lm e t h o d ( 4 ) c a l c u l a t i n gt h eb e a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sb yr e y n o l d se q u a t i o na n dn u m e r i c a l p r o g r a mi n t r o d u c e df r o ma l s t o m c o ( 5 ) d e s i g n i n g a n dc a l c u l a t i n go f t h e k e y p a r t s - - s t a t o r w i n d i n g i tg i v e s t h e w a y o f r r a n s p o s i t m n , t h ew a yt oc o n t r o lt h ed i m e n s i o na n df o r mo ft h ee n dp a r t ，a n dt h e p r o c e s s i n gm e t h o d ，t r o u b l e s h o o t e rd u r i n gt h ef a b r i c a t i n g ( 6 ) l b , i n gt oi m p r o v ep a r to ft h ei n s u l a t i o nc o n f i g u r a t i o na n dm a k ei t a th o m ei n o r d e rt om a k et h eg e n e r a t o r sm o r ec o m p e t i t i v ea n dr e l i a b l e ( 7 ) a n a l y s i n gt h eu n i tp e r f o r m a n c ew i t ht h et e s tr e s u l t sa f t e rt h ep i l o tp r o d u c t i o n d u n n gt h ed e v e l o p m e n t ，w ei n t r o d u c e da d v a n c e df o r e i g nt e c h n o l o g y , a d o p t e dn e w d e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i n gm e t h o d s ，m a d ef a v o r a b l er e s e a r c ha n dt r i a l s t ot h e d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，a n da c h i e v e dt h ep r e d i c t e dg o a ls u c c e s s f u l l y w i t ht h e a d v a n t a g e so fr e a s o n a b l ec o n f i g u r a t i o n ，a d v a n c e dt e c h n o l o g ya n dh i g hp e r f o r m a n c e ， t h e n e w l y d e v e l o g e dg a s t u r b i n eg e n e r a t o ro fw y l 6 z 一0 3 7 i ，l tw i l lb r i n gg r e a t b e n e f i tt oe c o n o m ya n ds o c i e t y m e a n w h i l e ，t h i sd e v e l o p m e n tl a y saf o u n d a t i o nf o r i m p r o v i n gt h ed e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gq u a l i t ya n dl e v e l a n dt h es e r i e s d e v e l o p m e n to fg a s t u r b i n eg e n e r a t o r s k e yw o r d ：g a s t u r b i n eg e n e r a t o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc r i t i c a ls p e e d c h a r a c t e r i s t i co fb e a r i n gs t a t o rw i n d i n gi n s u l a t i o ns y s t e m 2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 我国电力工业现状及燃气发电的发展前景 随着我国国民经济持续快速增长，电力工业得到了迅速发展，目前，全国装 机总容量约5 亿k w ，居世界第2 位。但电力需求不断加大，供需形势紧张，部 分地区出现不同程度的电力紧缺现象。要与g d p “十一五“期间年均增长8 2 和到2 0 2 0 年翻两番相适应，预计2 0 2 0 年，装机总容量将达到1 3 5 亿k w ，平 均每年新增5 0 g w 以上。市场需求旺盛，电力工业面临着前所未有的机遇。 表1 12 0 0 0 2 0 2 0 年我国发电量、装机容量总量及其构成预测【i l 2 0 0 02 0 0 52 0 1 02 0 2 0 装机容量万k w 3 1 9 3 25 0 0 0 07 5 0 0 01 3 5 0 0 0 水电 7 9 3 51 1 5 0 01 8 0 0 03 5 0 0 0 火电 2 2 1 1 5 3 5 7 1 6 5 0 6 3 0 8 0 5 0 0 油电 1 5 4 01 5 0 01 5 0 01 5 0 0 天然气发电 9 65 0 03 0 0 08 0 0 0 核电 2 l o 6 8 4 1 0 7 06 0 0 0 其它 3 61 0 08 0 04 0 0 0 发电量亿k w - h 1 3 6 8 52 4 4 0 03 4 0 0 06 0 0 0 0 水电 2 4 3 13 6 0 05 5 0 0l l o o o - 火电 1 0 6 3 21 9 6 5 52 5 9 0 0 4 0 4 2 0 油电 4 2 04 0 04 0 04 0 0 天然气发电 2 82 0 0 1 2 0 02 8 0 0 核电 1 6 75 2 08 0 04 5 0 0 其它 72 5 2 0 08 8 0 我国电力能源结构以煤炭为主，煤电装机占装机总量的7 5 ，效率低，污染 严重，给环境和资源造成了沉重压力。这种能源结构已不适应社会和经济的发展， 进行结构调整实现可持续发展是我国电力工业面临的重要课题。 天然气是一种清洁高效的能源，我国天然气资源量为3 8 力亿立方米，预测 可采资源量为i o 万亿立方米。但天然气在我国次能源消费结构中所占比例远 低于世界平均水平，大力发展以天然气为动力的燃气发电是实现电力工业可持续 3 山东大学硕士学位论文 发展的有效途径。“西气东输”、近海天然气开发、“气电北送”为燃气发电的发 展创造了有利条件。 产业结构的调整及城乡居民生活用电比重的上升使电网峰谷差进一步加大， 必须增加相当规模的调峰容量。燃气机组具有起停快、效率高、运行灵活、调节 能力强的特点，恰恰能够满足调峰的需要。 1 2 燃气发电的主要形式和特点 以天然气为燃料，除了采用传统的蒸汽循环机组发电以外，一种燃气一蒸汽 联合循环发电方式开始广泛应用。燃气一蒸汽联合循环发电系统是由燃气轮机发 电系统和锅炉一蒸汽轮机发电系统所组成。燃气轮机发电系统是燃气在燃气涡轮 机中经过热膨胀作功的过程，这种热力循环又称布雷顿循环，它是由压气机将空 气加压进入燃烧室，与燃料混合燃烧产生的高温高压烟气在透平中膨胀作功，将 高温高压烟气的能量( 通常烟气压力0 5 1 0m p a ，温度1 0 0 0 1 3 0 0 。c ) 转换 成机械能，推动燃气轮机发电机发电。经燃气透平作功后的烟气温度降至5 0 0 左右，进入燃气余热锅炉回收热能。锅炉一蒸汽轮机发电系统是利用燃气余热锅 炉产生的高( 中) 压过热蒸汽( 通常蒸汽压力为3 8 2 1 6 7 0m p a ，温度4 5 0 5 5 0 ) 在汽轮机中作功，将蒸汽的能量转换成机械能，推动蒸汽轮机发电机发电， 完成朗肯循环过程。燃气一蒸汽联合循环充分利用这两种热力循环的特点，把它 们结合在一起，组成联合循环 2 j 。 燃气一蒸汽循环电厂与常规燃煤电厂相比具有以下特点： ( 1 ) 热效率提高5 l o ，由于采用小容量机组组合方式，当部分负荷使用 时，热效率降低很少。 ( 2 ) 辅助生产系统简单，设备较少，余热锅炉实际上是台热交换设备，没 有复杂的锅炉和辅助系统，占地面积少，全厂布置比较紧凑，一般仅为常规电 厂占地的i 3 左右。 ( 3 ) 辅机少，不存在锅炉送风机、引风机、制粉系统、输煤系统、排渣系统、 除尘系统、脱硫系统，6 k v 辅机主要有电动给水泵、循环水泵、凝结水泵，因此 厂用电率很低，约为2 。 ( 4 ) 起停迅速和变负荷能力强，非常适宜承担调峰负荷，或者作为电网中 的应急备用机组。燃机机组热态启动时1 小时内能带满负荷，冷态启动时3 小时内 4 山东大学硕士学位论文 可带满负荷。 ( 5 ) 运行可靠、自动化程度高，运行人员可大大减少。 电力界预言：燃气一蒸汽联合循环电站将成为下个世纪电力生产的主要形式， 燃气轮机、燃气轮发电机的研制将迎来个新的高潮。 1 3 国内外燃气轮机发电技术发展概况 1 3 1 国外燃气轮机发电技术发展的概况及代表产品、技术和公司 燃气轮发电机是从2 0 世纪5 0 年代开始逐渐登上发电工业舞台的，由于当时 机组的单机容量小、热效率低而在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机 组。6 0 年代加深了对电网中必须配备一定数量的燃气轮发电机组的认识，从安 全和调峰的目的出发，燃气轮发电机组在电网中的比例达到8 1 2 。从8 0 年代以后由于燃气轮机的功率和热效率均得到很大程度的提高，特别是燃气一蒸 汽联合循环机型成熟，再加上世界范围内天然气资源进一步开发，燃气轮机及其 联合循环在世界电力系统中的地位发生了明显变化，它们不仅仅可以用作紧急备 用电源和调峰负荷机组，还能带基本负荷和中间负荷。美国在1 9 9 0 2 0 0 0 年期 间新增长的发电容量为1 1 3 亿k w ，其中燃气轮机电站和蒸汽轮机电站的容量分 别为4 4 ，第一次出现了朗肯循环和布莱顿循环平分秋色的局面，在德国前者 则占2 3 左右，由此可见在世界范围内燃气轮机及其联合循环发电已成为火电 发展的主要方向1 3 1 4 1 。 近年来，世界燃气轮机工业取得相当的成就和飞速的发展，几家著名的公司 g e 、a b b 、s i e m e n s 、西屋等均与航空发动机设计、研究、制造厂彼此联营，保 证及时地把航空发动机领域内的先进技术用来武装重型燃气轮机，以确保技术的 先进性。如压气机已采用“可控扩压”的概念进行设计，把单轴压气机的压缩比 提高到了2 4 3 0 的水平，透平叶片采用了航空机组的先进冷却结构和定向结晶 制造工艺，使透平前的燃气温度提高到了1 3 0 0 的水平，由此明显地提高了机 组的输出功率和热效率。如g e 公司的9 f a 、s i e m e n s 的v 9 4 3 a 等典型机组的 燃机单循环功率为2 6 6 m w ，燃气初温为1 2 7 0 1 3 0 0 ，压缩比为1 6 ，净热效率 达3 8 ，由此组成的联合循环机组单机功率为3 8 0m w ，供电效率已达5 6 5 8 。在本世纪初叶，世界上又将会出现新一代的先进燃气轮机，这种技术被称为 “g 技术”，专门用于5 0 h z 私6 0 h z 发电用燃气轮机发电装置，此类机组的燃气 山东大学硕士学位论文 初温将提高到1 4 2 7 。c 左右，相应地进一步提高输出功率和热效率，单机功率和 净热效率将分别达到4 8 0m w 和6 0 的高水平【5 l 。 为了降低燃气轮机的排放污染，采用往燃烧室中注蒸汽或水，在排气导管中 装设选择性催化还原装置，以及采用干式低n o x 排放燃烧室等措施。在工业化 的欧洲及世界其它地区，日趋严格的n o x 和c 0 2 排放的规定，迫使燃机制造商 在一些烧天然气和油的机组中，开发干式低n o x 燃烧室装置，其效果已达到n o x 排放低于l op p m 水平。 从2 0 世纪7 0 年代出现石油危机后，工业发达国家都在大力进行燃气轮机 燃煤的研究工作，燃煤联合循环种类有：整体煤气化联合循环( i g c c ) 、流化床 燃煤联合循环( p f b c - - c c 和a f b ( _ c c ) 、外燃式燃煤联合循环( i f c ) 、直 接烧煤粉联合循环、整体煤气化燃料电池联合循环( i c f c - _ c c ) 及磁流体发电 联合循环( m h d - - c c ) 等形式。目前，i g c c 和p f b c - - c c 在世界范围内已开 始进入实用商业化阶段，世界上几乎所有主要石油煤炭公司和动力制造厂商都 加入开发行列，将燃煤联合循环发电技术不断发展【6 】【7 】1 8 】o 1 3 2 国内燃机发电技术现状，已取得的最新阶段成果和达到的技术水平 我国自改革开放以来，随着电力工业的迅猛发展和电网峰谷差的日趋增大， 燃气轮机发电得到重视和发展。近几年己相继兴建了一批具有8 0 年代国际先进 水平的机组，在缓解电力紧缺的同时，有效地发挥了其增强电网调峰能力的作用。 跨入2 1 世纪，随着科技发展、能源政策的调整，如何高效、洁净利用化石能源 已成为电力领域的突出问题。燃气一蒸汽联合循环发电越来越受到国家有关方面 的重视，必将得到进一步的快速发展【9 】。 燃气轮机发电事业始于1 9 5 9 年，当时从瑞士b c c 公司引进两套6 2 0 0 k w 的 单循环燃气轮机列车发电机组，燃料为大庆原油。2 0 世纪6 0 年代，燃气轮机发 电站的建设及其设备的制造生产初具规模，总装机容量达到6 万k w ，最大单机 容量为4 5 0 0 0 k w 。上汽厂、南汽厂、哈汽厂、东汽厂等制造厂曾先后设计生产 过燃气轮机组，这些机组的技术性能都不高。后来，于1 9 7 2 年和1 9 7 6 年分别从 英国j b 公司和同本日立公司引进了l o 套m s 5 0 0 0 系列、p g 5 3 0 1 型单机功率在 2 1 7 0 0 2 3 0 0 0 k w 单循环机组，从而使我国燃气轮发电机组总装机容量达到3 0 万k w 左右。目前国内某些厂家与国外大公司合作，己能批量生产m s 6 0 0 1 系列 山东大学硕士学位论文 燃机。 1 4 课题的来源 本课题来源于所在工作单位济南发电设备厂的发电机产品订货合同，该项目 包括燃气轮发电机2 台，用于燃气一蒸汽联合循环发电。 1 5 论文的主要工作 本文第二章中确定了发电机的电气参数，对发电机的结构作了详细介绍。 第三章中介绍了研制过程中所做的几项重点研究工作：利用有限元方法分析 验算了机座和转子的强度；采用普劳尔( p r o m ) 法对临界转速进行了计算；利 用雷诺方程和a l s t o m 公司的计算程序对轴承的特性进行了分析计算：对关键 部件定子线圈进行了设计计算，包括如何换位，如何控制端部尺寸和形状，同时 针对制造过程中的难点制订了工艺方案；对定子线圈防晕结构和转子槽绝缘进行 了改进和国产化的尝试。 第四章中介绍了样机试制完成后的试验情况，并结合试验结果对发电机的性 能进行了分析。 第五章对研制工作及取得的效果进行了总结。 山东大学硕士学位论文 第二章w y l6 z - 0 3 7 l l t 燃气轮发电机设计方案和结构介绍 2 1 设计指导思想 借鉴a b b 和a l s t o m 先进技术，坚持高起点、高标准，确保产品技术水 平先进、性能指标优良，同时立足本厂现有工艺和制造设备，实现材料国产化， 降低成本和造价，把技术的先进性与实用性、经济性紧密结合起来，以提高产品 竞争能力。 2 2 设计方案 2 2 j 总体方案的确定 电机的设计包括电磁设计和结构设计两部分。电磁设计是根据设计技术要求 确定电机的电磁负荷、与电磁性能有关的有效部分的尺寸和绕组数据，选定材料， 并核算电磁性能及有关参数。结构设计是根据设计技术要求和电磁设计确定的数 据，确定电机的机械结构、零部件尺寸、材料规格性能及加工要求，包括必要的 机械计算及通风和温升计算。 根据用户提出的出力、电压等级、环境条件和调峰等技术要求，按照系列化、 模块化设计的原则，通过根据汽轮发电机电磁计算公式( 电指d z 2 8 6 3 ) i o l 编制 的程序进行反复调整和计算，使发电机效率、短路比、超瞬变电抗等数据均达到 了相关标准的要求【”】1 12 1 ，定转子磁通密度、电流密度、温升也处于理想范围内1 3 i ( 技术数据见表2 1 ，性能曲线见图2 1 2 5 ) ，在此基础上确定发电机型号为： w y 一1 6 z 一0 3 7l l t 。卜 定子整体浸渍 卜转子空内冷 卜定子空外冷 0 3 7 一铁心长度代码 z 一分离式轴承 1 6 一机座号 w y 一燃气轮发电机 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 2 9 直轴超瞬变开路时间常数( t d 0 ”) o 0 1 8 s 3 0 直轴超瞬变短路时间常数( t d ”) 0 0 1 4s 3 l 三相突然短路电流峰值( i ”k s ) 2 7 2 6 3k a 3 2 三相短路时的持续电流( i d k s ) 2 5 4 3a 3 3 定子绕组单相电容 o 7 1 1uf 3 4 额定转矩 9 1k n m 3 5 失步转矩 1 5 2k n m 3 6 两相短路时的最大转矩8 0 6 k n m 3 7 三相短路时的最大转矩4 2 5 k n m 3 8 飞轮力矩 _ 3 8 t m 2 3 9 发电机效率 满负荷 9 8 2 2 3 4 负荷9 8 0 5 2 4 负荷 9 7 5 9 1 4 负荷 9 5 9 1 4 0 不平衡负载能力长期1 2 8 短时1 2 2t 8s 4 l 温升限值定子绕组8 5 k 定子铁芯8 0 k 转子绕组6 5 k 4 2 冷却器进水温度 3 5 4 3 冷风温度 4 0 4 4 轴承出油温度 6 5 。c 4 5 轴瓦温度 9 0 4 6 冷却空气量( 发电机电刷) 1 9 1 8m 3 s 4 7 调峰能力( 使用寿命期限内)起停次数1 0 0 0 0 次 4 8 定子重量 3 4 6 t 4 9 转子重量 1 2 5t 5 0 发电机总重 6 5 7 t o 山东大学硕士学位论文 0 瑚1 , 0 01 。5 02 0 02 5 03 m j _ 5 0 的 图2 1 特性曲线 图2 2 效率曲线 j 鳅蠛p m 自d lc u l t e i i 荑草 f f i p l b 。呐f h 一 o 。一 - 。 芒掣jnl，舶bp。：骨；品 乱攫雷巾村奄脚件糙 口口 椎o 蝎譬b g u lf 一善羹 | | f ， ， 高 1 乏簟了 l 量 羞芽。竺。型霉l_窖一罨口。詈霉。2_0窖。=or曲 缸盖乱卧怿 订谨胡磅 ”珏t 7 削1 5 酗雌i 10丑 妇蛞“”“聃辑 t 2 t j 刚王曩磷癣睾申u 3 1 措懈 。；g = 聪秘辨 p # ， 玩埘 逆* 坩嘲a 靶n ；。椰蚪 r 五9 柏臂 图2 3 出力图 ， ， ， 一一二夕一 一二= - 二。， 兰：耋 一 ：。 乞； 一：， ，十。 一一 图2 4 损耗曲线 山东大学硕士学位论文 图2 5v 型曲线 2 2 2 保证计算结果实现的措施 1 合理选择电磁负荷 电磁负荷a 、b 值决定了发电机利用系数，对其性能和技术经济指标有着直 接影响。提高电磁负荷可以有效地缩小发电机体积，减轻重量，降低成本。但是 磁路饱和、效率降低和发热等因素有制约电磁负荷的提高。本产品较好地解决了 这些矛盾，主要措施有u 4 1 1 5 】f 1 6 】： ( 1 ) 选用优质冷轧无取向高导磁低损耗硅钢片d w 3 1 0 5 0 ，严格控制冲剪、 涂漆、去毛刺、压装等加工质量，提高压装系数，改善导磁性能。 ( 2 ) 转子采用2 5 c r n i 4 m n v 优质合会钢整锻而成，含镍量高，含炭量低于o 3 ， 磁饱和点较高，大齿两侧采用浅绕线稽，降低了饱和程度，提高了磁利用率。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 定子采用深嵌线槽，增大了导体截面积，降低了电流密度。 2 降低损耗，提高效率 ( 1 ) 与氢冷产品相比，空冷电机的风摩损耗很大，这是其效率较低的主要原 因。为了提高效率，设计中主要从降低机械风摩损耗和杂散损耗入手。转子内部 冷却，使冷空气直接冷却转子导体，从而有效地带走热损耗；转子表面尽量光滑， 定子风路中结构件均磨圆角，保证圆滑，降低风摩系数，同时采用高效轴流桨式 风扇，定子多风室通风，加强风路密封，提高了冷却效果，减少了风摩损耗【1 7 】【1 8 】。 ( 2 ) 采用铸铝压圈，非磁性端部支架和较短渐开线端部结构，并合理布置铁 心端部阶梯，大大限制了由于线负荷取值较高在定予端部引起的附加损耗，直线 部分的附加损耗也通过选用较薄的股线和3 6 0 。r o e b e l 换位得到抑制1 9 】【2 0 1 1 2 1 1 。 通过以上措施，降低了损耗，提高了效率，本产品的效率达到了9 8 2 ，远 高于国家标准规定的9 7 。 3 提高可靠性的措施 ( 1 ) 原材料的选择严格按照a l s t o m 技术规范，首先从原材料方面保证产品 的安全可靠。比如护环采用1 8 m n l 8 c r ，提高了抗应力、抗腐蚀能力；转子线圈 采用含银冷拉空心铜线，提高了抗热态蠕变能力。 ( 2 ) 采用真空压力整体浸渍，提高绝缘系统的可靠性。所有绝缘材料均为f 级，按照b 级温升限制考核，使发电机有2 0 k 以上的温升冗余，因而可延长绝 缘的使用寿命。 ( 3 ) 转子采用导电性能和机械性能良好的镍铜合金整长槽楔，两端护环下装 有涂银处理的阻尼环、阻尼齿和阻尼片，组成了一个完整的阻尼系统，使发电机 能够承受较大的负序电流【2 2 1 。 ( 4 ) 定子绝缘整体浸渍处理，使定子线棒和铁心成为一个整体，在不稳定负 荷下线棒和槽壁不会产生相对位移，避免了主绝缘的磨损。 ( 5 ) 转予绕组采用特殊的固定结构，使绕组能够沿轴向由中心向两端自由伸 缩，防止绕组在运行过程中产生永久变形【2 2 1 。 ( 6 ) 每相定子绕组层间埋置三只p t l 0 0 电阻测温元件，测温元件为双支并列 六引线，其中一只备用，保证测温元件充足可靠。 山东大学硕士学位论文 2 3 结构介绍 w y l 6 z 一0 3 7 l l t 燃气轮发电机主要由机座、定子、转子、座式滑动轴承，集电 环及刷架、测量装置和空气冷却器等部件组成( 图2 6 ) 。整个发电机的所有部 件可以组成一体，方便、快捷地进行整体安装，并且能够实现单层布置，不需要 电站建设双层厂房。 图2 6 发电机结构 2 3 1 发电机机座 机座采用薄钢板焊接，多壁、上下分瓣结构，机座承载电机的所有重量和电 磁转矩，并将其传递到基础上，机座壁与铁芯形成许多风区，引导冷风流动。上 半机座与下半机座之间用螺栓固定。 2 3 2 定子 铁芯采用外压装工艺，由两面涂绝缘漆的低耗冷轧硅钢片在机座外进行叠装， 按不同的风区，轴向分成不同宽度的铁芯段，铁芯段由径向通j x l 沟分隔，以使整 个铁芯上的温度分如均匀。铁芯通过其背部定位筋和两端碟形压圈拉紧固定。压 圈由非磁性硅铝合令制成，在端部形成了良好的漏彩屏蔽，降低了喘部损耗。定 予绕组为三相、双层叠绕组，每个绕组由两1 - r o e b e l 线棒绍成，主绝缘采用f 山东大学硕士学位论文 级少胶云母带连续包扎。绕组嵌入铁芯并完成端部连接及绑扎后，整个铁芯进行 v p i 真空压力浸渍，固化处理后装入机座的下半部。定子铁芯与机壳间采用弹性 隔振结构，如图2 7 所示，在围绕铁芯并与其相焊接的环的两侧，各有一个起弹 簧片作用的固定扳，当铁芯放入下半机座后，弹簧板通过钢管与机座相接，钢管 两端焊接固定，这样整个铁芯在机座内皇悬挂状，在焊接处铁芯的切向振动接近 于零，径向振动通过机座板削弱后传至基础，有效地减弱了铁芯振动，同时也承 载了机座和铁芯间的热膨胀，铁芯与机座分离的结构有效抑制了铁芯振动的传 导，达到了栌隙噪音的良好效果。 图2 7 定子铁心在机壳内呈悬挂状态 1 焊在铁心上的环2 起弹性作用的固定板 2 3 3 转子 转子采用2 3 c r n i 。m n v 优质合金钢整锻而成，由位于机座两端的分离式座式 滑动讪乎支潆转子绕组采用同心式分布绕组，由若干个线圈组成。线圈为空心 导体，由银铜合垒冷拉翎成，具有鼹好的抗蠕变性能和较高的屈服极限，从而保 证了运行过程中转子绕组不会发生有害变形。导线上歼有进出j x l 口，冷却空气从 内孔流过，直接冷却转子绕组，转子线圈的出风口在槽中呈v 形分布，线圈各处 风量均匀，冷却效果好，不会形成过热点。槽衬采用n o m e x 纸，匝间绝缘采用整 山东大学硕士学位论文 长e p f , c 3 垫条，转子绕组和绝缘采用特殊结构和工艺处理，在运行中随温度变化， 转子绕组能够整体地在槽内以转子中心为原点轴向伸缩，各匝之间不会产生相对 位移。转子槽楔采用整长结构，槽楔和两端护环下的阻尼环、阻尼齿、阻尼片形 成了一个完整的阻尼笼，提高了负序承载能力。转子护环由奥氏体不锈钢制成， 具有较强的抗应力腐蚀能力。护环以悬挂结构热套在转子本体上，将绕组端部牢 固地固定在设计位置上，防止了离心力造成的损伤。由于护环的悬挂式设计，转 子线圈中热膨胀所产生的力不会传递到轴上，不会影响转子本体的受力及振动。 在转子两端装有旋桨式风扇，具有压头低，流量大，效率高的特点，风叶由硅铝 合金模锻丽成。转子轴的励端有一个中心轴向孑l ，延伸至转子绕组端部下方。内 装两个半圆铜导线，用于提供励磁电流。 2 3 4 座式滑动轴承 在发电机的机座两端各有一个座式滑动轴承。轴承与发电机采用分离结构型 式，轴承座为焊接结构。轴承有可靠的挡油结构，每个端盖的挡油环内设有气封 防漏油装置，由发电机内的密封腔里抽出的空气来密封，防止润滑油进入发电机。 设计安装了高压顶轴油装置，在开机时可以减少轴承摩擦，便于起动。轴瓦是钢 制的，内衬巴氏合金v 7 3 8 ，这种材料的性能优于国内汽轮发电机轴承通常所使 用的c h s n s b l l - 6 巴氏合金，可在较高温度下运行而不产生铅锡共斟1 3 1 。为防止 轴电流通过轴承，发电机励端采用具有绝缘结构的轴承，绝缘附加在轴承环和轴 承座之间，挡油环和顶轴高压油连接装置也有绝缘。在驱动端轴承上装有两个接 地碳刷，使转子可靠接地。 2 3 5 集电环和刷架 通常q f 系列静止可控硅励磁发电机韵集电环分别布置在转子本体两端，驱 动端和非驱动端各一个，碳刷分别安装在前后端盖上，碳刷和集电环直接裸露在 空气中，使得运行环境的噪音较大，并且摩擦掉的碳刷粉末四处飘散，污染运行 环境。为了解决这一问题，在设计本发电机时，将集电环都布置在非驱动端一侧， 并加上防护罩，把碳刷支架和集电环都放在防护罩内，既降低了噪音。又把碳刷 粉末隔离在防护罩内，保证了运行环境的清洁。 2 3 ，6 冷却系统 本发电机采用全空冷技术，定子绕组及铁芯采用空外冷，转子绕组为空内冷。 冷却空气由发电饥两端的轴流式胍扇驱动形成密闭循环田路( 图2 1 0 ) 。整个电 山东大学硕士学位论文 在运行中检测各处的温度。 在两端进风区内各有1 只带电接点的p t l 0 0 电阻温度计( w t y y 2 1 0 2 0 x ) ， 用于遥测和现场观察进风温度。 在两端出风区内各有1 只p t l 0 0 测温电阻( w z p 2 1 9 0 ) 和1 只带电接点的 双金属温度计( w s s x 一4 1 1 ) ，用于遥测和现场观察出风温度。 每个轴瓦上也装有1 只p t l 0 0 测温电阻( w z p 2 2 2 1 ) ，用于遥测轴瓦温度。 每个轴承上预留有测轴振探头安装位置。 2 3 8 空气冷却器冷却器 空气冷却采用穿片式空气一水冷却器，共4 组，换热容量为5 7 0 k w ，放置在定 子下部的机座中。空气冷却器中装有浮子开关，用于检测是否漏水。 9 山东大学硕士学位论文 第三章发电机研制过程中的重点研究工作 3 i 机座强度的分析计算 ， 机座承载发电机的所有重量和电磁转矩，并将其传递到基础上，囡此机座必 须具有足够的强度，能够承受发电机组起动、停机和升降负荷时的各种交变应力。 设计过程中采用有限元分析方法对机座进行了静力分析。 3 1 1 应用软件简介 有限元法用于复杂构件的强度计算，能够得到较为准确的结果，在对机座强 度的验算过程中三维模型采用u g s 公司的s o l i d e g e1 8 版本，有限元分析软件 采用a n s i y s9 0 2 5 】f 2 6 】f 2 7 】。发电机机座材料为q 2 3 5 a ，弹性模量为 2 1 0 0 0 k g c m 2 ，泊松比为0 3 。 3 1 2 模型的建立： 图3 1 发电机机座外形图 发电机机座外形如图3 1 所示，由于该机座基本为对称结构，考虑到运算速 度和简化的原则，取机座的1 4 建立模型( 图3 2 ) 进行研究。 山东大学硕士学位论文 图3 2 机座模型 3 1 3 模型的网格化 将生成的三维模型导入有限元软件环境中，单元模型：机座采用s h e l l6 3 ， 实体采用s o l i d 4 5 。将模型网格化( 图3 3 ，3 4 ) ，共划分6 7 1 5 个单元，产 生7 8 5 6 个节点。 图3 3 剖分模型( x 向视图) 山东大学硕士学位论文 图3 4 剖分模型( y 向视图) 图3 5 负荷加载图 山东大学硕士学位论文 3 1 4 边界条件和静力 发电机由底部地脚板支撑定子重量，定子铁心为悬挂式，通过机座两侧壁 的2 4 个孔支撑定子铁心的重量。因此，机座的边界条件为：底部地脚板加全 约束，同时加载对称边界条件。定子铁心重2 8 吨，分解为集中力加载到1 2 个 孔上，如图3 5 所示。 3 1 5 求解 运行软件求解器，得到运算结果，运算云图如图3 6 3 8 所示 图3 6 位移云图 3 1 6 结论 由图可见，应力最大值为2 9 8 k g c m 2 ，最大应变为0 1 5 1 0 m m 。以许用 应力2 0 0 0k g c m 2 计算，安全系数达到6 7 ，证明该机座结构是安全可靠的。 山东大学硕士学位论文 图3 7 应力云图 图3 8 应变云图 山东大学硕士学位论文 3 2 转子强度的分析计算 发电机调峰运行时，机组频繁起停，负荷产生较大的变动，将在转子部件中 产生低周疲劳应力，转子本体应能长时间承受交变挠曲应力，具有足够的疲劳强 度，特别是转子齿部不仅承受稳态离心力和工频交变弯曲应力，而且还要承受起 动、停机运行所引起的周期附加应力，尤以齿根部最为脆弱【2 8 1 ，因此必须进行 强度计算。在设计过程中分别在发电机以额定转速运行和超速运行两种工况下对 转子进行了静力分析和验算。 3 2 1 应用软件简介 三维模型采用u g s 公司的s o l i d e g e1 8 版本，有限元软件采用a n s l y s9 0 。： 转子材剃为2 5 c r n i 4 m n v 合金钢，弹性模量为2 1 0 0 0 k g c m 2 ，泊松比为0 3 。槽 楔材料为c u n i 2 s i ，线圈材料为c u a 9 0 1 ，弹性模量为1 0 3 4 2 1 k g c m 2 ，泊松比 为0 3 2 t 2 9 】 3 0 】。 3 2 2 模型的建立 图3 9 发电机转子截面模型 由于发电机转子基本为对称结构，所以取转子截面的1 4 作为研究对象，建 立模型如图3 g 。4 3 23 模型网铬化 山东大学硕士学位论文 将生成的三维模型导入有限元软件环境中，单元模型：采用s o l i d4 5 。将 模型网格化，共划分1 0 4 8 9 个单元，产生3 1 3 4 个节点。 。 图3 1 0 模型网格化 3 2 3 边界条件和静力 分析有限元的坐标系是直角坐标系，而在工程实际的分析中，对转子离心应 力的描述，采用柱坐标系比较直观。按弹性理论，环向应力、径向应力与直角坐 标系下的分量有如下的转换关系： i o = 。2 盯，- i - m 2 e y , + 2 加f w ( 3 一1 ) i 仃口= m 2 仃j + z 2 一y + 2 1 m r 口 式中：，一柱坐标系与直角坐标系x 轴央角余弦， r r l - - 柱坐标系与直角坐标系y 轴交角余弦。 采用柱坐标系，对轴向和径向加约束，同时加载对称边界条件。发电机额定 转速为3 0 0 0 r p m ，超速运行时转速为3 6 0 0 r p m 。对模型施加矢量转速( 如图3 1 l 所示) 。 山东大学硕士学位论文 图3 1 l 模型加载 3 2 4 运行软件求解器，得到运算结果和云图如下 1 当发电机以3 0 0 0 r p m 运行时 图3 1 2 位移云图 2 7 山东大学硕士学位论文 图3 1 3 应力云图( 1 ) 图3 1 4 应力云图( 2 ) 山东大学硕士学位论文 2 当发电机运行以3 6 0 0 r p m 时 图3 1 5 应变云图 图3 1 6 位移云图 山东大学硕士学位论文 3 0 图3 1 7 应力云图 图3 t 8 应变云图 山东大学硕士学位论文 读图可知，我们所关心的发电机齿根部的受力情况为 表3 1发电机齿根部的受力情况 i转速r p m应力m p a应变i n l r l 3 0 0 04 9 7o 0 3 i 3 6 0 0 7 l ，6 0 0 5 3 2 5 结论 ( 1 ) 环向应力沿半径方向，从中心孔表面到转子齿根表面由大减小。其最大 值出现在中心孔表面。 ( 2 ) 径向应力沿半径方向，从中心孔表面到转子齿根逐渐减小，在齿部由齿 根部到轮齿表面逐渐见转子本体部分径向应力最大值在中部，轮齿部分的最大值 在齿根部位。 ( 3 ) 径向应力沿圆周方向呈波浪型分布，这是由于齿的存在使得齿根部径向 应力增大，而在无齿的转子表面径向应力为0 。 ( 4 ) 从计算结果来看，各种载荷在额定转速下的应力数值都较小，即使在超 速运行的情况下其最大值也小于材料的强度极限，以许用应力2 0 0m p a 计算， 安全系数为2 7 9 。因此，从静强度的观点分析，转子的静强度是足够的。 3 3 临界转速和转子动平衡 临界转速和不平衡响应是转子振动的两个主要特性，因此在设计中应准确的 计算临界转速，保证其避开额定转速1 0 1 5 ；制造中必须进行动平衡，使振 动幅值符合标准的要求。 3 3 1 临界转速的概念 l 临界转速的概念 转子的临界转速一般来说是指某些特定转速，当转子在这些转速或其附近运 转时，本体将出现很大的变形并作弓形回转，引起支承及整个机械的激烈振动， 甚至造成轴承和回转体的破坏，而当转速在这些特定转速的定范围之外时，运 转则趋于平稳，这一引起激烈振动的特定转速为回转体的临界转速。这时的转子 实际上并不是在“振动”。而是以一个固定不变的、弯曲成振型的形状，绕转子 的静态中，i i , 做涡动1 3 ”。 山东大学硕士学位论文 回转体在临界转速附近运转时出现的激烈振动，是一种由不平衡离心惯性力 引起的共振现象。当不考虑回转效应和工作环境等因素时，回转体的临界转速在 数值上与其横向自由振动的固有频率相同。当转子振动时，获得弓形回转的一阶 临界转速，其相应的转子振型是一阶振型。当转子中间出现一个位移为另的节点， 振型是两个振型。同理，可推出n 阶振动频率的振型节点特征。 转子在挠曲临界转速运转时，理论上在无阻尼下转子振幅达无穷大。在有阻 尼情况下，把挠曲临界转速的转子振幅与其邻近转速下的振幅作比较，振幅仍然 很大，在许多情况下，临界转速运行的转子的振幅会达到不允许的程度，除此之 外，挠曲临界转速与轴承油膜振荡有一定的联系，故设计中对l | 缶界转速的计算是 极其重要的，并制定定规范，要求设计的临界转速避开工作转速的1 0 1 5 。 每一个转子，连同支持它的轴承组成的系统，都有若干阶横向振动的固有频 率，每一阶固有频率又有它所对应的振型。 转子的固有频率和振型在数学上就是特征值和特征向量。按照弹性体振动理 论，一个连续分布质量的转轴系统存在无数个特征值和特征向量。实际上，现代 发电机组只有第一阶、第二阶临界转速和振型接近于其工作转速，通常第三阶临 界转速原高于工作转速。 临界转速是发电机组振动特性的第一要素。轴系动特性设计要保证临界转速 对工作转速的避开范围，运行中要保证升降速过领结转速的最大振幅低于规定限 值，这都是从机组安全角度提出的基本要求