胡磊　袁益超

摘 要： 目前功率在600 MW及以上的大型汽輪發(fā)電機多采用水氫氫冷卻方式，即定子線圈采用水冷，定子鐵芯及轉子線圈采用氫冷.通過將采用不同通風型式的定子鐵芯及轉子線圈進行組合，可派生出多種通風系統，但是不同通風系統之間的性能尚無法用統一的數學模型進行量化.在對水氫氫汽輪發(fā)電機不同通風系統進行分析、比較的基礎上，提出了通風系統效率（EVS）的概念，并給出相應的計算方法，可對不同通風系統的性能進行比較，也可為通風系統的選擇提供一定的參考依據.

關鍵詞： 大型水氫氫汽輪發(fā)電機； 通風系統； 效率

中圖分類號： TM 311 文獻標志碼： A

Characteristics and performance of the ventilation system for

largescale waterhydrogenhydrogen turbo generator

HU Lei1，2， YUAN Yichao1

（1.School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology/

Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，

Shanghai 200093， China； 2.Design Department， Shanghai Electric Power Generation

Equipment Co. ， Ltd. ， Generator Plant， Shanghai 200240， China）

Abstract： At present，the cooling method for the largescale turbo generators with capacity of 600 MW or more is mainly in the form of waterhydrogenhydrogen，which means that the stator winding is cooled by water while the stator core and rotor winding are cooled by hydrogen.Different combination between the stator core and rotor winding can form many types of ventilation system.However，there is still no general mathematical model to quantify the efficiency of the ventilation system.The concept of the efficiency of ventilation system （EVS） for the largescale waterhydrogenhydrogen turbo generator is proposed in this paper.The corresponding equation is given.In terms of EVS，the performance of different ventilation systems can be conveniently evaluated.It also provides the reference for the selection of the suitable ventilation system during the turbo generator design.

Keywords： largescale waterhydrogenhydrogen turbo generator； ventilation system； efficiency

目前600 MW及以上容量的大型汽輪發(fā)電機，由于定子線負荷高、熱流密度大，多采用水氫氫冷卻方式[1-3]，即：定子線圈水內冷、定子鐵芯和轉子線圈氫冷.定子鐵芯和轉子線圈雖然為氫冷，但其通風型式卻多樣化：轉子線圈最為常見的有槽底副槽徑向通風、氣隙取氣斜流通風及軸向-徑向通風三種；定子鐵芯則多為軸向通風、徑向通風兩種.

目前汽輪發(fā)電機通風冷卻領域的研究熱點主要集中在流場分布、溫度場分布、熱源分布以及流場與溫度場耦合等方面，并取得了一系列研究成果.而對于水氫氫汽輪發(fā)電機不同通風系統之間性能的對比分析，尚未見報導.

1 通風系統特點

目前國內外主流的發(fā)電機制造廠家，通過將水氫氫汽輪發(fā)電機的定子鐵芯和轉子線圈不同通風型式之間進行組合，派生出多種型式的通風系統[1].

（1） 轉子采用槽底副槽徑向通風型式：如上海發(fā)電機廠（以下簡稱上電）生產的300 MW等級水氫氫汽輪發(fā)電機，轉子采用槽底副槽徑向通風，定子鐵芯采用徑向通風，此發(fā)電機最初為上電、哈爾濱電機廠（以下簡稱哈電）與美國西屋公司于20世紀80年代聯合開發(fā)設計的機型；上電、哈電、東方電機廠（以下簡稱東電）生產的100～200 MW系列空冷汽輪發(fā)電機，轉子均采用槽底副槽徑向通風，定子鐵芯采用軸向分區(qū)的多進多出徑向通風（如一進二出、二進三出、四進五出等）.

（2） 轉子采用氣隙取氣斜流通風型式：如上電生產的600 MW等級水氫氫汽輪發(fā)電機，轉子采用氣隙取氣斜流通風，定子鐵芯采用軸向分區(qū)的多進多出徑向通風，此發(fā)電機最初為上電、哈電在美國西屋公司于20世紀80年代完成的優(yōu)化設計機型；通用電氣（GE）公司生產的300 MW以上等級的全速水氫氫汽輪發(fā)電機，也采用上述通風型式的組合；哈電、東電生產的功率范圍在200～1 000 MW以內的全速水氫氫汽輪發(fā)電機，通風系統均采用上述通風型式的組合.

（3） 轉子采用軸向-徑向通風型式：如上電生產的900～1 200 MW等級全速、1 100～1 300 MW等級半速兩個系列水氫氫汽輪發(fā)電機，轉子采用軸向-徑向通風，定子鐵芯采用軸向通風；西門子（Siemens）公司生產的功率在600 MW以上等級的全速和半速水氫氫汽輪發(fā)電機，通風系統均采用上述通風型式的組合.

綜上可知，對于水氫氫汽輪發(fā)電機而言，定子鐵芯通常采用軸向通風或徑向通風型式，其結構較為簡單；而轉子則分別采用氣隙取氣斜流通風、槽底副槽徑向通風、軸向-徑向通風三種不同的通風型式，且其結構差異較大.

1.1 氣隙取氣斜流通風型式

轉子線圈氣隙取氣斜流通風型式，其本質上是一種自通風方式：維持冷卻氣體在轉子線圈內循環(huán)的動力主要來自于轉子自身旋轉引起的泵壓.轉子槽楔進、出風斗合理的空氣動力學形狀是保證轉子線圈內有足夠流量的關鍵因素.

該通風型式的特定結構決定了定子鐵芯往往采用軸向分區(qū)的多進多出徑向通風型式，以便與轉子線圈的進、出風區(qū)相匹配，這是轉子線圈采用氣隙取氣斜流通風型式的一個特點.另外，定子鐵芯和轉子線圈若采用上述通風型式的組合，其通風系統的阻力一般較低，在轉子汽勵兩端各安裝一單級軸流風扇即可滿足通風系統的要求.

該通風型式的優(yōu)點為：由于沿轉子槽部軸向長度上分為多個進、出風區(qū)，所以每個風區(qū)內的通風路徑較短，轉子線圈槽內部分的冷卻氣體流量基本和轉子長度成正比，便于發(fā)電機系列化設計（例如上電生產的600～700 MW系列水氫氫汽輪發(fā)電機，轉子外徑維持不變，僅僅通過改變轉子軸向長度和進、出風區(qū)的數量對應系列內不同功率的發(fā)電機）；轉子線圈溫升均勻，溫升不均勻度（轉子線圈最高溫升與平均溫升之比）較低；由于為自通風方式，一般不必使用高壓風扇.其缺點為：轉子表面及風斗結構復雜，槽楔及線圈加工較為繁瑣；轉子匝間若加工處理不當，容易引起匝間絕緣.

早期轉子線圈的風斗采用凸風斗，雖然取風系數較高，但轉子表面風摩損耗較大.為了解決上述問題，國內主要發(fā)電機制造商通過與高校合作或自主開發(fā)的方式展開研究：上電和上海理工大學合作進行靜態(tài)和動態(tài)模擬試驗，得到不同結構參數下全隱式、半隱式風斗的取風系數[4-5]；東電在廠內開展靜態(tài)及動態(tài)模擬試驗，得到風斗在不同高度下的取風系數，同時解決了端部通風中的溫度不平衡問題[6]；哈電也在廠內開展靜態(tài)及動態(tài)模擬試驗，采用隱風斗代替凸風斗，并在一臺300 MW水氫氫汽輪發(fā)電機上進行真機試驗驗證，結果表明：采用隱風斗后，由于取風系數稍有下降，轉子線圈平均溫升提高4.4℃；轉子表面風摩損耗減少478 kW，發(fā)電機效率由98.94%提高至99.03%[7].

1.2 槽底副槽徑向通風型式

轉子線圈槽底副槽徑向通風型式，其本質上也是一種自通風方式，轉子離心泵壓是氣體循環(huán)的主要壓力源.

轉子線圈若采用此種通風型式，定子鐵芯一般采用軸向分區(qū)的多進多出徑向通風型式與之匹配，其通風系統的阻力也較低，一般在轉子汽勵兩端各安裝一單級軸流風扇也可滿足通風系統的要求.

轉子線圈槽底副槽徑向通風型式如圖2所示.

此種通風型式的優(yōu)點：槽楔加工、線圈沖制和定位均較簡單；由于為自通風方式，一般不需高壓風扇；與氣隙取氣斜流通風型式相比，轉子冷卻氣體直接來自風扇，未經定子鐵芯預熱，因而進風溫度更低.缺點：沿轉子軸向長度冷卻氣體流量分配不易均勻.

為了解決沿轉子軸向長度冷卻氣體流量分配不易均勻，繼而導致各徑向風道內溫度分布不均勻的問題，國內一些學者對此展開了相關研究：胡曉紅等[8]采用離散模型對各徑向風道的流量分配特性進行研究，考慮轉子各徑向風道之間的流量相依性，得到變副槽結構及變徑向風道結構對徑向風道風量分配的影響規(guī)律；路義萍等[9]采用CFD數值模擬的方法，對某臺150 MW空冷汽輪發(fā)電機，在改變其轉子副槽幾何形狀、徑向通風道數目及間距的條件下，研究轉子線圈的溫度場分布，結果表明，在相同的入口風速條件下，兩條徑向風道的散熱效果優(yōu)于一條徑向風道，且徑向風道之間存在最佳中心距.

1.3 軸向

徑向通風型式

轉子線圈軸向-徑向通風型式，其本質上是一種強迫通風方式，主要依靠外加高壓風扇維持冷卻氣體在轉子線圈內的流動.

轉子線圈若采用此種通風型式，定子鐵芯通常采用軸向通風型式與之匹配，其通風系統的阻力明顯高于前面所述的兩種通風系統，因此一般需在轉子一端安裝高壓多級軸流風扇才能滿足通風系統的要求.

此種通風型式的優(yōu)點：轉子線圈加工簡單；轉子表面風摩損耗較小；另外，轉子線圈若采用此種通風型式，其定子鐵芯一般采用軸向通風型式與之匹配，由于省卻了鐵芯徑向冷卻風道，在容量相當的情況下，可縮短發(fā)電機的軸向尺寸.缺點：風扇結構較為復雜，風扇本身的功率較大；由于冷卻風路較長，與轉子線圈采用其它兩種通風型式相比，線圈溫升不均勻度較高.

此種通風型式多出現于西門子及西屋（Westinghouse）技術流派的汽輪發(fā)電機中，其它國內外發(fā)電機制造商較少采用.胡晟等[10]曾對一臺采用軸向-徑向通風型式的930 MW半速水氫氫汽輪發(fā)電機轉子通風系統進行研究，給出了轉子繞組槽部各匝導體通風道局部阻力系數及沿程阻力系數的計算方法，對槽部線圈建立等效熱網絡模型并得到其溫度分布.

2 通風系統效率

如前所述，對于600 MW及以上容量的汽輪發(fā)電機，絕大多數采用水氫氫冷卻方式.其主要目的是：通過冷卻水的循環(huán)帶走定子線圈的熱量，通過氫氣的循環(huán)帶走轉子線圈、定子鐵芯、端部結構件等的熱量，從而將轉子線圈、定子鐵芯及絕緣材料維持在一定的溫度水平，以確保汽輪發(fā)電機的運行可靠性.其中，定子線圈冷卻水的循環(huán)依靠冷卻水系統的水泵實現，而氫氣的循環(huán)則需借助安裝于轉子上的風扇.由于不同通風系統的結構差異，導致冷卻介質氫氣在其內部流動的阻力也各不相同，且差異較大.因此，對采用不同通風系統的水氫氫汽輪發(fā)電機，為帶走其轉子線圈、定子鐵芯、端部結構件等的發(fā)熱量，需配置不同功率的風扇，風扇功率的不同將不可避免地對汽輪發(fā)電機的運行經濟性產生一定影響.

為比較水氫氫汽輪發(fā)電機在采用不同通風系統下的性能優(yōu)劣，本文提出衡量其通風系統性能的指標，即通風系統效率（Efficiency of Ventilation System）.其定義為

EVS=QflowPblower

（1）

式中：Qflow為冷卻氣體帶走的損耗，kW；Pblower為風扇功率，kW.

由式（1）可看出，僅就為了帶走汽輪發(fā)電機內相應的熱量而言，其數值越大，則通風系統的性能越好，反之則越差.

表1給出了上電生產的采用不同通風系統的300 MW等級水氫氫、600 MW等級水氫氫、1 000 MW全速水氫氫、1 100 MW半速水氫氫汽輪發(fā)電機各部分損耗、風扇功率及通風系統效率.

表1 部分水氫氫汽輪發(fā)電機主要通風參數對比

Tab.1 Comparison of different waterhydrogenhydrogen turbo generators

由表1可看出，對于所比較的四種水氫氫汽輪發(fā)電機，轉子線圈采用槽底副槽徑向通風和氣隙取氣斜流通風型式、定子鐵芯采用徑向通風型式時，其通風系統效率明顯較高.其原因是由于定子鐵芯、轉子線圈所采用的通風型式不同，尤其是轉子線圈不同通風型式的結構之間存在較大差異：轉子采用槽底副槽徑向通風和氣隙取氣斜流通風兩種通風型式時，主要依靠轉子自身的離心泵壓推動冷卻氣體在其內部流動，從而大大節(jié)約了風扇的功率；而轉子采用軸向-徑向通風型式時，其冷卻氣體的動力則主要來自風扇的壓升，且此時定子鐵芯也采用軸向通風型式，從而導致通風系統的阻力較高，因此風扇功率也相應較大.如1 100 MW半速水氫氫汽輪發(fā)電機采用8級軸流風扇，風扇本身的功率已達到1 127.3 kW，所以導致其通風系統效率與另外兩種通風系統相比，劣勢較為明顯.

當然，以上僅從通風系統效率的角度出發(fā)對不同通風系統的性能進行對比，但這并不是最終選擇何種通風系統的唯一依據.汽輪發(fā)電機設計中，通風系統的選擇與電磁、絕緣、制造、成本等各種因素有關.在實際應用中，無論采用何種通風系統，只要設計合理，均可保證汽輪發(fā)電機的安全運行[2].目前之所以出現幾種通風系統共存的局面，還與各發(fā)電機制造商的設計經驗、制造傳統、現場管理以及知識產權等諸多方面的因素有關.

3 結 論

本文在對大型水氫氫汽輪發(fā)電機通風系統進行分析、比較的基礎上，提出通風系統效率的概念，并給出相應的計算公式.根據通風系統效率，可對不同通風系統的性能進行比較，也可對通風系統的選取提供一定的參考意義.

本文提出的通風系統效率概念，尚未考慮電磁、絕緣、制造、成本等因素，實際通風系統的選擇，還需結合以上因素綜合權衡.

另外，對于通風系統效率定義中“風扇功率”問題，僅計入風扇本身的功率是否合理，仍需進一步分析.例如：轉子線圈采用槽底副槽徑向通風、氣隙取氣斜流通風兩種通風型式，雖然與軸向-徑向通風型式相比所需的風扇功率較小，但轉子自身泵壓的產生同樣需消耗一部分轉子軸功，其本質上仍可等效為“風扇功率”，如何將這種泵壓所消耗的軸功納入通風系統效率定義中的“風扇功率”，有待進一步研究.

參考文獻：

[1] 汪耕，李希明.大型汽輪發(fā)電機設計、制造與運行[M].上海：上?？茖W技術出版社，2012.

[2] 蔡榮善.百萬千瓦級大型汽輪發(fā)電機通風冷卻方式論證[J].上海大中型電機，2003（2）：2-6.

[3] 丁舜年.大型電機的發(fā)熱與冷卻[M].北京：科學出版社，1992.

[4] 袁益超，郭長仕，劉聿拯，等.氣隙取氣氫內冷汽輪發(fā)電機轉子槽楔的數值模擬優(yōu)化研究[J].大電機技術，2006（3）：10-14.

[5] 胡曉紅，袁益超，劉聿拯，等.汽輪發(fā)電機轉子風斗流動特性的實驗研究[J].動力工程，2007，27（3）：406-410.

[6] XIONG J J.Certain tests and studies for gap pickup hydrogencooled rotor of DFEMS large steam turbine generator[C].Beijing：CIGRE Chinese National Committee Annual Meeting，1987.

[7] 馬賢好.進一步提高QFSN-600-2 YH型汽輪發(fā)電機可靠性的對策和實踐[J].大電機技術，2002（5）：1-5.

[8] 胡曉紅，袁益超，劉聿拯，等.汽輪發(fā)電機轉子徑向通風冷卻系統流量分配研究[J].機械工程學報，2010，27（14）：138-142.

[9] 路義萍，馬賢好，李偉力，等.空冷汽輪發(fā)電機轉子風道結構對傳熱的影響[J].中國電機工程學報，2007，27（17）：61-65.

[10] 胡晟，譚茀娃，金如麟.1 000 MW級汽輪發(fā)電機轉子繞組軸向通風冷卻系統[J].上海交通大學學報，2002，36（7）：999-1003.