董江偉，胡金巖，陳 旭，辛 雷，袁 林

(山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東濟(jì)南 250100)

0 引言

隨著國(guó)外市場(chǎng)對(duì)60 Hz空冷汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品需求的不斷增加，公司需開(kāi)發(fā)更多60 Hz產(chǎn)品以滿足市場(chǎng)的需求，VPI(Vacuum Pressure Impregnation)整浸空冷汽輪發(fā)電機(jī)具有效率高，故障率低的特點(diǎn)，深受用戶青睞。公司決定把國(guó)內(nèi)技術(shù)與國(guó)外技術(shù)結(jié)合起來(lái)，借用WX14Z產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)一種6 MW 60 Hz新型VPI整浸空冷汽輪發(fā)電機(jī)。

1 方案設(shè)計(jì)

我公司引進(jìn)的WX產(chǎn)品采用系列化、模塊化設(shè)計(jì)，從便于制圖、采購(gòu)和制造角度出發(fā)，保持截面不變，而只改變長(zhǎng)度最為方便經(jīng)濟(jì)。因此電磁設(shè)計(jì)通常建立在有規(guī)律分布的幾檔直徑和長(zhǎng)度上。模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)每個(gè)截面可選定最小和最大長(zhǎng)度、確定最小和最大功率，在機(jī)械特性、通風(fēng)和效率等相應(yīng)的極限下進(jìn)行設(shè)計(jì)。最大長(zhǎng)度限定的要求是：不需要昂貴的結(jié)構(gòu)部件并能解決問(wèn)題。最小長(zhǎng)度則受到性能要求的限定，應(yīng)在合理的利用系數(shù)下保持理想的效率[1]。

設(shè)計(jì)基本參數(shù)

額定功率：6 000 kW

功率因數(shù)：0.8

額定電壓：13 800 V

額定轉(zhuǎn)速：3 600 r/min

6 MW發(fā)電機(jī)用引進(jìn)電磁計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，最大效率96%，遠(yuǎn)低于6 MW效率97.8%的國(guó)標(biāo)最低要求。因此需要用國(guó)內(nèi)的電磁計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，首先是定子鐵心內(nèi)徑的確定，WX14Z產(chǎn)品定子鐵心內(nèi)徑760 mm，該內(nèi)徑與國(guó)產(chǎn)12 MW定子鐵心內(nèi)徑762 mm基本一致，可以在12 MW計(jì)算單的基礎(chǔ)上改進(jìn)，有了定子鐵心內(nèi)徑就可以對(duì)定子鐵心長(zhǎng)度進(jìn)行選擇，計(jì)算電機(jī)利用系數(shù)。

電磁功率S公式為：

S=CD2ln

式中：C為電機(jī)利用系數(shù)；D為定子鐵心內(nèi)徑；l為定子鐵心有效長(zhǎng)度；n為轉(zhuǎn)速。

對(duì)于一般空氣冷卻的電機(jī)，其利用系數(shù)約為1.5～9，并且隨著容量增加利用系數(shù)也在增大[2]，原有12 MW發(fā)電機(jī)利用系數(shù)計(jì)算12 000=C×0.7622×2×3 000，得出C=3.4。WX14Z最短檔1 020 mm(方案1)、1 260 mm(方案2)檔數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 方案對(duì)照參數(shù)表

從電機(jī)利用系數(shù)看，方案1更好一些。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)主要的公式：

W1=Sn1·p·q1/a1；q1=Z1/(6p)

式中：E為相電勢(shì)；KW1為定子繞組系數(shù)；W1為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；f為頻率；Bδ為氣隙磁密；aδ為極弧系數(shù)；lδ為氣隙長(zhǎng)度；D為氣隙平均直徑；p為極對(duì)數(shù)；Z1為定子槽數(shù)；Sn1為每槽導(dǎo)體數(shù)；q1為每極每相槽數(shù)。由上述公式可確定槽數(shù)等其他輸入數(shù)據(jù)。

方案1長(zhǎng)度1 020 mm短，槽數(shù)66多，經(jīng)計(jì)算出槽口線圈間距21；方案2長(zhǎng)度1 260 mm長(zhǎng)一些，槽數(shù)54，出槽口線圈間距29。因額定電壓13.8 kV，出槽口線圈間距不能過(guò)小，21雖然偏小但也滿足設(shè)計(jì)要求。輸入數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)完畢，具體輸出數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 方案輸出數(shù)據(jù)表

60 Hz一般用于國(guó)外項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目短路比FK0≥0.35。國(guó)外項(xiàng)目有的要求比較高，需要≥0.5；超瞬變電抗Xd”v國(guó)內(nèi)項(xiàng)目≥0.1，國(guó)外項(xiàng)目有的≥0.15；效率N%方案1滿足國(guó)標(biāo)要求，方案2稍小。從方案1和方案2的定子繞組溫升@CU1、定子鐵心溫升@FE、轉(zhuǎn)子繞組的平均溫升@CU2來(lái)看，離限制溫度還比較遠(yuǎn)，發(fā)6 MW都不處于滿發(fā)狀態(tài)，有比較大的超發(fā)裕量。分析方案1和方案2，方案1更適合6 MW，方案2可用于更大容量的產(chǎn)品。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型空冷汽輪發(fā)電機(jī)主要由定子(含端蓋)、轉(zhuǎn)子、軸承、勵(lì)磁機(jī)幾大部分組成，采用定子空外冷、轉(zhuǎn)子空外冷冷卻方式，經(jīng)濟(jì)性好。結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 定子

我國(guó)國(guó)內(nèi)定子線圈傳統(tǒng)方法是模壓線圈，相比模壓線圈，引進(jìn)技術(shù)的整浸線圈有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，研發(fā)時(shí)間短。模壓線圈圖紙?jiān)O(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間多；整浸線圈采用引進(jìn)的專用程序計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)間短，新產(chǎn)品研發(fā)快，可用于交貨時(shí)間短的產(chǎn)品。

(2) 制造工藝簡(jiǎn)單。采用少膠云母帶連續(xù)包繞繞組，嵌入定子鐵心后再整體浸漬，相比整浸線圈節(jié)省工時(shí)，簡(jiǎn)化制造過(guò)程，降低成本，不易損傷繞組絕緣。

(3) 整浸可提高電機(jī)繞組的整體性，消除定子繞組位移引起的絕緣磨損，不容易發(fā)生匝間短路故障及更嚴(yán)重的定子繞組接地故障。

(4) 整浸提高定子繞組和定子鐵心的導(dǎo)熱性，降低電機(jī)的運(yùn)行溫度，提高了壽命。

(5) 電機(jī)適應(yīng)環(huán)境條件的能力強(qiáng)，保證了機(jī)組在高濕度、高帶電粒子、高海拔情況下的安全運(yùn)行。

(6) 填充了絕緣內(nèi)部微孔和薄層間隙，并在絕緣表面形成了一層光滑而富有彈性的漆膜，使絕緣的均勻性、連續(xù)性和密實(shí)程度得到極大的改善，可有效地防止發(fā)生電暈現(xiàn)象。

2.2 轉(zhuǎn)子

從電磁計(jì)算可知，轉(zhuǎn)子繞組的平均溫升@CU2為55 K，遠(yuǎn)小于90 K，因此放棄了性能好的轉(zhuǎn)子空心導(dǎo)線設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)而用經(jīng)濟(jì)性更好的實(shí)心導(dǎo)線。定子繞組溫升@CU1、定子鐵心溫升@FE也很低。轉(zhuǎn)子風(fēng)扇選用離心式風(fēng)扇，該風(fēng)扇產(chǎn)生的壓頭高，流量較小，效率約為30%[2]。中小型發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)最常采用離心式風(fēng)扇，因?yàn)樗墚a(chǎn)生較高的壓力。

2.3 軸承

發(fā)電機(jī)軸承采用φ200 mm×180 mm窄軸承，不再采用φ200 mm×200 mm寬軸承，小寬徑比更適合60 Hz產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)是增大壓力(單位面積載荷)而提高運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；增加流量而降低溫升；減小摩擦面積而降低摩擦損耗；減小軸向尺寸而減少占用空間[3]。

軸瓦材料選用ZG230-450，軸承座材料為HT200。軸瓦測(cè)溫元件選用WZPM2-201端面熱電阻，使測(cè)溫探頭與軸瓦充分接觸，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。

2.4 勵(lì)磁機(jī)

勵(lì)磁機(jī)用JL-50勵(lì)磁機(jī)，發(fā)電機(jī)空載額定電壓時(shí)勵(lì)磁機(jī)所需勵(lì)磁功率1.17 A×12.5 V(20 ℃)，發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)勵(lì)磁機(jī)所需勵(lì)磁功率3.33 A×49.7 V(120 ℃)，發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)時(shí)勵(lì)磁機(jī)所需最大勵(lì)磁功率(強(qiáng)勵(lì)時(shí)間不大于15 s)5.8 A×87 V。結(jié)構(gòu)上考慮到通用性，60 Hz勵(lì)磁機(jī)與50 Hz勵(lì)磁機(jī)通用。

3 性能對(duì)比

型式試驗(yàn)后設(shè)計(jì)值、試驗(yàn)值與GB/T 21663—2008《小容量節(jié)能環(huán)保隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3 性能要求

由表中數(shù)據(jù)可知，6 MW 13.8 kV 60 Hz整浸發(fā)電機(jī)在效率、振動(dòng)、溫升等參數(shù)上均能滿足國(guó)標(biāo)要求，且留有較大的溫升裕量，短路比、超瞬變電抗值高，適合幾乎所有國(guó)外項(xiàng)目的特殊要求，具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

6 MW 60 Hz整浸空冷汽輪發(fā)電機(jī)是WX14Z能設(shè)計(jì)的最小功率的發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)的成功研制為系列電機(jī)的研發(fā)奠定基礎(chǔ)，今后6～25 MW之間的60 Hz整浸發(fā)電機(jī)研發(fā)不需要改動(dòng)截面，改變長(zhǎng)度就能設(shè)計(jì)完成，并能借用原來(lái)的工裝工藝，降低設(shè)計(jì)研發(fā)成本，縮短設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)間。該型整浸空冷汽輪發(fā)電機(jī)的成功研發(fā)，為用戶提供了更多選擇，提高了公司國(guó)外60 Hz市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。