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摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)電力的需要不斷增加，作為發(fā)電廠(chǎng)中電能直接生產(chǎn)者的汽輪發(fā)電機(jī)，其對(duì)電力工業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)隨著發(fā)電機(jī)機(jī)組能力密度的提高和能力的增大其損耗也會(huì)增大，這會(huì)導(dǎo)致繞組的溫度升高有時(shí)還會(huì)超過(guò)限制溫度，因此空氣冷卻汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子技術(shù)十分重要。

關(guān)鍵詞：空氣冷卻汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子；設(shè)計(jì)；溫度

1 大型空氣冷卻發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻的特點(diǎn)

1.1 正向冷卻技術(shù)

傳統(tǒng)空氣冷卻循環(huán)技術(shù)是正向冷卻，由裝在大軸端部的主風(fēng)扇將冷卻器出來(lái)的冷風(fēng)全部送入電機(jī)內(nèi)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子繞組變成熱風(fēng)，最后在經(jīng)過(guò)不同的定子風(fēng)室，離開(kāi)電機(jī)再進(jìn)入冷卻器，完成整個(gè)循環(huán)，主要有多路通風(fēng)和單向通風(fēng)兩種。

1.2 反向回路通風(fēng)

和單路通風(fēng)結(jié)構(gòu)相同的是都要從冷去器吹出冷風(fēng)，經(jīng)過(guò)風(fēng)扇再進(jìn)入發(fā)電機(jī)的有效部位，但是可以使定子的氣流量減少至少50%，逆流通風(fēng)機(jī)構(gòu)可以使冷卻定子鐵心和轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈氣流溫度降低，能夠獲得良好的冷卻效果。

為了保證汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定，提高汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，節(jié)約成本，優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文將極對(duì)數(shù)設(shè)為1，下面將要從轉(zhuǎn)子的安匝數(shù)、轉(zhuǎn)子的計(jì)算能量轉(zhuǎn)子槽寬和齒輪寬的選擇、齒根拉應(yīng)力的估算法、轉(zhuǎn)子齒溫度的降落等方面討論空氣冷卻汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)。

2 轉(zhuǎn)子的安匝數(shù)

2.1 必需的過(guò)載能力

設(shè)Km為過(guò)載能力，其公式為

其中功率因素為cos？椎，氣隙安匝數(shù)為AWf，轉(zhuǎn)子的繞組系數(shù)為kw2 AWα為電樞安匝數(shù)，AWd為短路時(shí)候的激磁安匝。

設(shè)空載額定電壓時(shí)的飽和系數(shù)為Ku，有下列公式

Ku=AW0/AW？啄 其中AW0為空載額定電壓時(shí)的激磁安匝數(shù)

短路比

帶入AWd公式可得出

去平均值表面冷卻的Xp=0.12，KW2=0.808，Ku=1.15 DLB=0.7

所以計(jì)算出激磁安匝數(shù)大約值為 AWd=1.32AWα，

在一般情況下功率因素為cosφ=0.8 取KM=1.9，由此得到AWf=AWα

根據(jù)調(diào)查研究和數(shù)據(jù)分析得知，目前的汽輪發(fā)電機(jī)的激磁安匝數(shù)大多都是電樞安匝數(shù)的2倍，巨型發(fā)電機(jī)也不例外。這使我們?cè)谠O(shè)計(jì)空氣冷卻汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)能夠精確初步估算轉(zhuǎn)子安匝數(shù)的原因。

2.2 從短路比出發(fā)

取Xp=0.12，sinφ=0.16 經(jīng)過(guò)理論計(jì)算得知DLB=0.57，AWf=2AWα

由此可知Km=1.9和DLB=0.57基本相適應(yīng)，在必須的過(guò)載能力和短路比這兩種情況下，AWf都大致是AWα的兩倍，所以這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)空氣冷卻汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)激磁安匝數(shù)和電樞安匝都必須按照這個(gè)比例增加，這樣才能保證同一過(guò)載能力和短路比。

3 轉(zhuǎn)子的計(jì)算容量

定子通過(guò)磁場(chǎng)聯(lián)系衡量轉(zhuǎn)子容量，所以我們先要清楚定子容量和磁場(chǎng)之間的關(guān)系才能決定定子容量。

PN=■UIN×10-3千伏安，IN=AWα/1.06Kw1W1安

所以PN=62.8×10-10AWα？準(zhǔn)1千伏安

其額定容量、溫度電壓、定子每極磁通、定子繞組系數(shù)、額定電流分別用PN、UN'、？準(zhǔn)1、KW1、IN表示，上述公式充分表明了定子安匝數(shù)和磁通決定了電機(jī)容量，同理轉(zhuǎn)子的容量Pr也可以這么計(jì)算。

其中Cr是一個(gè)特定的常數(shù)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)容量是已知的，而定子的磁通和安匝數(shù)的乘積是一個(gè)常數(shù)，所以轉(zhuǎn)子的磁通和安匝數(shù)的乘積也是一個(gè)常數(shù)，但是在單獨(dú)選擇安匝數(shù)或者磁通的時(shí)候，要合理地調(diào)整這兩個(gè)的關(guān)系才能夠設(shè)計(jì)出合理的空氣冷卻汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。

4 轉(zhuǎn)子的槽寬和齒寬的選擇

研究表明，其他情況一定，增大槽寬，安匝數(shù)也會(huì)增加，但磁通的許可值就會(huì)減少，轉(zhuǎn)子的電負(fù)荷和磁負(fù)荷是存在矛盾的。所以轉(zhuǎn)子容量并不是越大越好還是需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇，齒根密度B2Z控制轉(zhuǎn)子磁通？準(zhǔn)2的進(jìn)一步提高，當(dāng)齒根密度達(dá)到極限時(shí)，轉(zhuǎn)子磁通和齒根截面積呈正比例關(guān)系，在其他條件不變的條件下，槽寬和轉(zhuǎn)子匝數(shù)呈正比例關(guān)系，

所以在一般情況下一定范圍內(nèi)，增大齒根密度會(huì)增加轉(zhuǎn)子容量。槽絕緣溫度降落控制槽寬的增大，其次是槽寬增大還受齒根表面附加損耗和繼續(xù)應(yīng)力的影響，由此可得出槽寬的計(jì)算公式：

所以槽寬的增大只與電流密度j2和絕緣溫度降落有關(guān)，與槽寬增大的極限、直徑、容量無(wú)關(guān)。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要充分分析轉(zhuǎn)子槽加工、槽絕緣和銅線(xiàn)規(guī)格制作的通用性，不同容量的空氣冷卻汽輪發(fā)電機(jī)常常取同一槽寬，電流密度也比較接近，而容量小的電機(jī)為了增加槽分度以減低表面損耗，不會(huì)選擇2.59厘米的槽寬。因?yàn)辇X根密度的減小有利于提高容量，所以一般在設(shè)計(jì)工藝之時(shí)往往會(huì)選擇最小極限的齒根密度之后然后再去計(jì)算機(jī)械應(yīng)力來(lái)決定齒根密度是否合適。

5 齒根應(yīng)力估算法

中心孔表面和齒根處是轉(zhuǎn)子本體最大的應(yīng)力所在處，轉(zhuǎn)子外徑能夠確定中心孔表面的應(yīng)力，在一定范圍內(nèi)的外徑下，齒根拉應(yīng)力和槽形有著很大的關(guān)系，只有在電磁計(jì)算全部完成，轉(zhuǎn)子尺寸最后確定時(shí)才能精確地估算出齒根拉應(yīng)力，本文先放棄考慮契合絕緣的離心力，假定銅線(xiàn)以同樣的填充率在槽內(nèi)均勻分布，然后將真正的齒輪重心半徑替換為平均半徑，并假設(shè)可以用系數(shù)1.24乘以總的離心力彌補(bǔ)上面簡(jiǎn)化造成的離心力的減少，則對(duì)應(yīng)的離心力為

知道容許應(yīng)力和槽型之后，就可以利用面的曲線(xiàn)規(guī)律核對(duì)機(jī)械強(qiáng)度是否能夠允許選選擇的槽型了。另外關(guān)于最大轉(zhuǎn)子計(jì)算容量、耗銅量、槽部銅耗，轉(zhuǎn)子齒溫度的降落、槽高h(yuǎn)n2的選擇這些就不一一贅述了。

6 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子的步驟

在設(shè)計(jì)空氣冷卻汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)，先初步確定定子鐵心內(nèi)徑Di，相當(dāng)于Di來(lái)說(shuō)，氣隙的變化范圍和本身值都很小，可以按照設(shè)計(jì)書(shū)的方法選取，然后依照轉(zhuǎn)子的短路比或過(guò)載能力，估算出轉(zhuǎn)子的安匝數(shù)，再假定轉(zhuǎn)子能夠充分利用，再根據(jù)查找資料和計(jì)算，得到齒根密度B2Z，如果B2Z值接近極限，那么就表示充分利用，如果達(dá)不到，那么可以考慮采取縮短長(zhǎng)度或直徑的方法，在其直徑和槽型選定好，可以利用曲線(xiàn)圖來(lái)確定其是否適合實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

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