（杭州杭发发电设备有限公司）
摘要：介绍了杭州杭发发电设备有限公司155MW系列空冷汽轮发电机的设计开发，设计思路、技术规范、总体结构、定转子结构特点、通风冷却、电磁参数及有限元结构分析等。
关键词：空内冷汽轮发电机；设计；结构；有限元分析；155MW
1前言
为适应企业做大、做强的需要，达到与杭汽股份公司、中能公司的汽轮机产品同步发展、全面覆盖配套的目的，公司在成功开发了40MW空内冷系列、70MW空内冷系列的基础上决定开发155MW空冷汽轮发电机。
2发电机主要数据
155MW空内冷汽轮发电机主要数据
型号：QF-W155-2 额定功率：155,000kW 定子绕组连接方式：YY
额定电压：13,800V 额定电流：7629A 额定转速：3,000r/min
额定频率：50Hz 功率因数：0.85（滞后） 绝缘等级：F/F
相数：3 励磁方式：无刷励磁 效率：98.66%
3基本结构
本汽轮发电机采用座式滑动椭圆瓦轴承、双层布置结构，定子对称双循环冷却风路，采用空内冷转子。主要由定子、转子、端盖、轴承、底板、空气水冷却器、无刷励磁装置等部件组成，见图1。
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1.转子 2.端盖 3.定子 4.轴承 5.无刷励磁机
图1 发电机总装配图
3.1定子部分
发电机定子铁芯由低损耗的冷轧无取向硅钢扇形片经绝缘后叠压而成，低损耗、导磁性能好的冷轧硅钢片有效地减小发电机定子铁心的尺寸与质量；铁心沿轴向每隔约35mm设有径向通风沟。为减少端部附加损耗防止局部过热，端部最外端的几段铁芯齿部布置成锥形阶梯状，磁屏蔽以减少端部损耗，铁芯两端用非磁性钢压指和压板并通过贯穿整个铁心的绝缘螺杆轴向夹紧。发电机的机座为钢板焊接弹性结构，带绕组的定子铁心在外圆上由专门的夹紧环机构和定位螺栓形成内定子框架承载和定位，内框架通过弹簧板悬挂在机座内，经隔振的弹簧板承载定子铁心和绕组，这种柔性支撑具有足够的切向刚度以抵制运行和短路时的转矩并能减低发电机的振动和噪音。
定子绕组同槽内上下线棒不同匝数设计，以平抑定子线棒中大电流产生的集肤效应给定子绕组带来的不利影响，使槽内上下线棒的温升更趋平衡，防止槽内线棒出现局部过热点，提高发电机运行的安全可靠性。定子线圈直线部分采用不完全Robel换位，利用各股线在槽部感应电势的差异来抵消端部漏磁场在线棒端部所感应的不同电势，从而使线棒各股线间的环流降低，以减小线棒端部损耗，提高发电机的效率。
3.2转子
发电机转子为两极，隐极式结构，由转轴、绕组、阻尼绕组、护环、风扇和导电杆等部件组成。转轴为高导磁率合金钢整体锻件。中部的本体部分加工出沿径向分布的阶梯形槽，较宽的部分用于嵌放励磁绕组，底部窄槽是通风道(副槽)。槽的形状和位置经过细致的调整以便改善电压波形降低谐波损耗。为了均衡绕组槽产生的刚度不均衡，磁极上加工出一些横向的挠性槽。转子线圈的槽部由铝合金槽楔固定，槽端使用高强度、高导电率的铜合金槽楔，大齿上设有阻尼绕组以减小由负序电流引起的局部过热的可能性。转子绕组由冷拉含银铜线制成，含银0.1%的硬拉铜线能防止转子绕组冷热收缩膨胀引起蠕变；采用空气直接冷却，铜线槽内部分冲有沿轴向均匀分布的两排径向椭圆孔构成内冷风道，每一匝铜排包括两股，每股端部铣出凹形槽，开槽面对合而成空芯导体，其出口与槽内径向风孔联通，冷空气的一部分通过端部进风孔进入空心端匝流向本体，然后从槽部的径向风孔排入气隙。另一部分气流进入转子副槽，然后从槽部的径向风孔排入气隙。由于冷却气体与转子铜线直接接触，带走铜线损耗，转子线圈能得到有效冷却。
4通风冷却系统
发电机采用密闭式空气循环通风系统，其中定子绕组、定子铁心为空气间接冷却（外冷），转子绕组为空气直接冷却（内冷）。气体循环的动力是由转子两端的轴流式风扇提供的，铁心共4个出风区。由风扇鼓入的冷却气体分成三路：第一路通过机座外壁上通风孔进入铁心，从铁心背部沿铁心风沟冷却铁心后流向风区热风出口（此路主要为冷却线圈端部）；第二路冷却空气从护环下进入转子绕组，一部分通过绕组端部的冷却风道，在冷却绕组端部后，从本体两端的出风孔排出；另一部分由副槽进入绕组槽部的径向冷却风道，从转子本体出风孔排出。由转子排出的热风与第三路冷风一同流向铁心，冷却铁心后流向热风出口。第三路由铁心口部吹入气隙，在气隙内与第二路风混合后，进入铁心径向风沟，冷却此部铁心后进入机座流向热风出口。转子每端设有轴流桨式风扇，以对机内空气进行强制循环，其风扇叶片由高强度铝合金模锻而成，风叶把合固定到热套在转轴上的风扇座环上。发电机设有四组冷却器，每组包括两个冷却器，横放于发电机底部的封闭小间内。
5电磁参数简介
电磁设计是发电机的关键技术，当忽略端部效应时，发电机的功率P与其有效体积及电磁负荷成正比关系: ，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。提高电磁负荷乘积AB，可提高有效材料的利用率，但磁负荷B受到铁心磁路饱和以及铁心中损耗的限制，而电负荷A则受到道题中产生的损耗、温升及大部分由槽深所影响的漏抗的限制。所以发电机设计中电磁负荷A、B在很大程度上是根据以往运行机组的经验取值，根据我公司已有产品进行结合各种公开资料分析，定子电密 一般取2~3.5A/m ，转子电密 我公司要求一般不超过6A/m ，定子线负荷 一般取500~1100A/cm, 一般取1600~5000 ,最大磁密一般不超过1.7T，铁心内磁通密度通常小于1.6T,磁轭部磁密通常取1.5T左右。通过多次对我公司40MW、70MW（电磁负荷参数比较见图4）等产品及同行业65MW、100MW、150MW、155MW等产品的设计试验结果进行计算、比较以及验证，编制并完善了相关电磁计算程序可用于对定子上层线棒中的不同，转子线圈匝数不等、梯形线圈、内通风等形式的计算，实现了《磁路计算》、《饱和及不饱和参数计算》、《励磁计算》、《损耗和效率计算》、《特性曲线计算及自动绘制》、《温升计算》等，输出结果见图2,从以上数据可以看出，本产品主要性能参数均满足并优于国家标准。
5关键部件有限元分析
发电机强度计算主要采用传统计算（大电机技术，电指文件（DZ））和有限元分析（西门子UG NX10.0软件）相结合的方法。护环、中心环、风扇等关键旋转部件采用NX8.5版本进行建模，并使用NXNASTRAN求解器，SESTATIC 101 - Single Constraint模块进行有限元分析。
5.1护环、中心环强度计算
护环采用50Mn18Cr4 WN/Ⅲ材料,屈服强度为900MPa，中心环采用35CrMoV/4材料，屈服强度为655MPa，见图3。
图3 护环和中心环应力云图
通过计算得出：护环最大应力为596.166MPa，安全系数为1.51大于要求安全系数1.5；中心环最大应力为179.05MPa，安全系数为3.65大于要求安全系数1.5；护环和轴平均接触应力值为18.66MPa及护环与中心环平均接触应力值为18.16MPa；护环最大位移1.437mm，小于要求1.5mm，强度计算合格均能满足机组运行要求。
5.2风扇强度计算
风扇扇叶采用锻铝材料,屈服强度为245MPa，风扇座采用35CrMoV/4材料，屈服强度为655MPa，见图4。
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图4 风扇环和风叶应力云图
通过计算得出：扇叶最大应力为141.06MPa(忽略轴颈处应力奇异点)，安全系数为1.73大于要求安全系数1.5；风扇座最大局部应力为450.04MPa，位于与扇叶连接螺孔处，但由于风扇座螺孔实际加工时存在过度圆角，且该材料为塑性材料，其最大应力值将会降低，由风扇座应力云图取最大应力值为358.82MPa，安全系数1.82大于要求安全系数1.5；风扇最大位移为0.57mm，小于要求1.5mm；风扇座与轴过盈配合处平均接触压力为29.08MPa，强度计算合格均能满足机组运行要求。
应用有限元软件进行对重要部件进行精确计算使设计有依据、结构更加合理。
5结束语
QF-W155-2,13.8kV无刷励磁汽轮发电机产品设计结构合理，操作维护简单、安装方便、机组运行安全可靠，本产品的各项性能指标符合IEC、国标、引进技术有关规范。在满足产品性能和结构要求的前提下，充分考虑产品的系列化、标准化和通用化，提高设计的继承性，将为公司带来良好的经济效益和社会效益。
参考文献
［1］陈世坤.电机设计［M］北京：机械工业出版社，2000.
［2］汪耕,李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行.上海科学技术出版社，2012.
［3］白延年.水轮发电机设计与计算［M］北京：机械工业出版社，1982.