四极汽轮发电机

四极汽轮发电机设计成半速、参数较低、流量大的汽轮发电机01俄罗斯两极和特性对比大型定子温度分布目录02基本信息四级汽轮发电机是指设计成半速(1500r/min或1800r/min)，参数较低，流量大的汽轮发电机。俄罗斯两极和特性对比全速及半速发电机主要技术数据对比结构特点温升试验机械特性电磁特性12345俄罗斯两极和特性对比全速及半速发电机主要技术数据对比表1中给出了1000MW核电汽轮发电机的主要技术经济指标。从表1中可以看出，在额定功率、电压以及功率因数等相同的情况下，两极汽轮发电机的单位材料消耗小（81.7%）、短路比小（91.11%）、飞轮转矩小（22.88%）；而四极电机转子质量约为两极电机的两倍（196%），定子增重不多（118%），定子运输质量很接近（101%），四极电机的效率比两极发电机效率略高。除此之外，两极发电机的制造时劳动消耗小，但是两极汽轮发电机的机械强度和热强度较高，定子绕组端部漏磁通和定子绕组端部区域的损耗也较高。表1从图1，可以看出两极和四极汽轮发电机的定转子槽数(见表1)。图1结构特点大型汽轮发电机的定子冷却方式已逐步趋向一致，大多采用水冷;但对于转子的冷却方式，日本日立、东芝、俄罗斯等电机厂的两极电机采用气隙取气方式。对于四极电机，美国GE公司与俄罗斯电机厂仍采用气隙取气型通风方式，但增加了径向气隙隔板。日本的日立与东芝公司则采用了副槽通风。俄罗斯“电力”工厂生产的TBB-1000型汽轮发电机冷却方式为定子绕组水冷，转子气隙取气斜流氢内冷，增加了气隙隔板以利冷却，发电机风扇采用离心式风扇。俄罗斯院士Я.Б.Дaнилeвич多次来华讲学指出，俄罗斯大型机组推荐采用全水冷冷却方式。2008年8月，作者之一在Я.Б.Дaнилeвич科学院院士安排下，参观了俄罗斯电力工厂，了解到正在设计的1500MW核电汽轮发电机就是采用的全水冷冷却方式。在励磁控制方面，日本日立、东芝与GE公司采用交流励磁机静止硅整流器励磁方式，西屋、三菱等公司采用无刷励磁方式，而可控硅静止励磁方式已逐步被多数厂家和用户所采用。俄罗斯专家认为，当励磁电流过大时，设计与制造大电流滑环有困难，发电机应采用无刷励磁方式，便于维护，提高运行可靠性。TBB-1000型发电机的构造形式和布局按照“电力”工厂的传统结构设计:定子机座由3部分组成（一个中心段，两个边罩）。发电机总体结构图如图2所示。带绕组的定子铁心位于中心段，气体冷凝器和定子绕组引出线则放置在定子的端部。为了运输和装配方便，端部有水平的可拆卸的支承爪。温升试验从表2可以看出，定子绕组有效部分的发热处于较低水平。表2为了测试额定励磁电流下转子的温升，同时又要限制试验过程中的定子电流，在厂内进行了励磁绕组部分反接的所谓“双线连接”的三相稳态短路试验。在进行该项试验时，在每个磁极上有两个线圈被反向连接，以便所产生的磁通与其余线圈产生的磁通方向相反，于是，每极总磁通减少。“双线连接”试验结束后，再恢复成正常的连接。试验时保持励磁电流为额定值，得到了两台发电机转子绕组的温升（表2）。在该试验条件下两极汽轮发电机的定子三相稳态短路电流为额定值的68%，而四极汽轮发电机的定子三相稳态短路电流为额定值的36%。这就使得两极汽轮发电机的冷却水和冷却气体的发热较高。励磁绕组部分反接时两种电机定子电流的差别可以解释为它们在试验时转子线圈反接数与线圈总数的比值有差别。与只有纵向气隙隔板相比，在轴向上纵向、横向都加气隙隔板时的冷却效果更为显著，在绕组热负荷相同的情况下，转子绕组温升相对降低了12～15%。为了检查定子铁心端部区域在铁心磁分路和边段的发热（见表3），在相应的部位安装了专门的热电偶。机械特性四极电机转子直径大，临界转速高。四极电机的试验台实验得出，一阶临界转速为940r/min，二阶临界转速为2300r/min，远离其运行转速1500r/min。这样的临界转速相对运行状态的分布是十分有利的，不仅转子平衡容易，振动值小，也不易产生油膜失稳现象，其可靠性明显提高。两极电机中由于大齿与小齿方向的刚度差别较大，需要在大齿上开月牙槽或者是在大齿上开与小齿一样的轴向槽。对四极电机来说，由于刚度均匀，则不需要采取以上在转子大齿上开槽的措施，这样有利于四极电机的负序电流在磁极表面均匀分布，可以减少局部负序电流过大。四极电机因转速低，护环的热应力比两极电机小，缓解了应力腐蚀。两极电机的振动为四节点振动，而四极电机为八节点振动。虽然四极电机的铁心轭部较短（图1），但其振幅很小，只达到两极电机的一半。工厂试验测量了TBB-1000型两极和四极汽轮发电机的振动，如表4所示。表4从表2～4可以看出，四极汽轮发电机的热状态和机械状态比两极电机的要好，这在理论分析上也得到了确认。电磁特性大型汽轮发电机中，为降低定子端部铁心和结构件的损耗和温升采用了电屏蔽（铜屏蔽）、磁屏蔽（磁分路）（图3），端部铁心为阶梯形并开有小槽，端部结构件采用无磁性材料或者非金属材料。定子线棒采用空实结合导线以减少附加损耗。为使上下层线棒有相近的损耗，从而使其膨胀接近相等，定子绕组的上下层线棒采用较小的高度。为改善电压波形和减少附加损耗，转子槽采用不等分且有励磁长短槽。采用全阻尼系统来提高电机的负序承载能力。图3虽然四极电机定子端部漏抗较两极电机小，但定子槽漏抗却比两极电机大，所以定子漏抗比两极电机约大30%。四极电机由于转子槽加深，阻尼绕组漏抗较两极电机大，使得四极电机的瞬态和超瞬态电抗比两极电机大30%，从而使短路电流及短路电动力减小，瞬态稳定性下降，所以对励磁调节及保护的性能要求较高。表5给出了TBB-1000型汽轮发电机的电气参数。从表中可以看出四极电机的励磁电流在空载工况时为两极电机的102%，短路工况为92.2%，额定负荷工况为95.12%。大型定子温度分布数学模型物理模型和求解条件求解结果及分析结论大型定子温度分布数学模型电机内的流体视为不可压缩流体，流体的流动处于湍流状态.流动要受到质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制约。湍流流动过程中，实际计算常用方法是瞬态N－S方程。在此基础上补充湍流的脉动动能方程和湍流动能耗散方程。其中应用较多的是标准的k－ε两方程标准模型，选用标准k－ε两方程标准模型，单位质量的脉动动能耗散率的定义为：单位质量的脉动动能耗散率的定义物理模型和求解条件1.物理模型发电机定子有48个槽，在周向结构是重复的，转子有32个槽，为了与转子的一个槽建立对应的结构关系，建立整机机组1/32圆周结构的定子、转子和气隙的三维模型。其中定子部分包含压板、磁屏蔽、定子铁心和线圈，求解物理模型如图4所示。图42.基本假设和边界条件（1）基本假设：①忽略重力和浮力对流体的影响；②电机内流场中，流体流速远小于声速，即马赫数(Ma数)很小，故把流体作为不可压缩粘性流体处理；③流体的流动为定常流动状态，由于电机中流体的雷诺数很大，属于紊流，因此采用紊流模型对电机内流场进行求解；④线圈主绝缘、层间绝缘各自的材料物性均相同；求解结果及分析1.定子磁屏蔽压板、齿压板温度场分析用来固定磁屏蔽及定子铁心的磁屏蔽压板和齿压板，其物理属性与定子铁心轭部、齿部材料设置相同。压板本身没有热量产生，但是在磁屏蔽及定子铁心温度的共同作用下，压板会有一定程度的温升，其温度场示意图如图5所示。图5在设置齿压板的顶端与磁屏蔽外表面边界条件时，考虑到压板外表面是有气流的冷却作用因此设置为对流换热边界条件。由图2中颜色分布的情况可以明显的看出外表面受氢气冷却的作用，温度较低;而压板内侧直接与温度较高的磁屏蔽接触，温度有所上升，汽端温度最大值约为354K；由于氢气运动到励端时温度有所上升，换热温差有所减小，使得励端齿压板温度明显高于汽端齿压板温度，最大温度值约为368K；而励端外表面对流换热系数较汽端大，使得出现汽端磁屏蔽压板温度稍高于励端，最低温度值范围小于励端最低温度值范围。2.定子磁屏蔽温度场分析在定子里，发热量较大的为磁屏蔽部分和线圈。结论建立四极水氢氢冷汽轮发电机定子温度场模型，根据求解条件，计算得到冷却介质和固体部件的温度场分布如下：1)定子汽端压板温度最大值约为354K；励端为气体行程末端，使得励端齿压板温度明显高于汽端齿压板温度，最大温度值约为368K，压板外侧为对流换热面，温度降低。2)汽端磁屏蔽的最高温度值为362K，励端磁屏蔽的最高温度值为383K，设计方试验得到的磁屏蔽最高温度值为385K，误差在允许的范围内。3)定子铁芯整体沿冷却气体