李　亭

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)



60 MW空冷汽轮发电机优化设计

李亭

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

介绍了上海电气集团上海电机厂有限公司为国内某热电厂进行优化设计的QF-60-2型、60 MW，10.5 kV空冷汽轮发电机的技术要求、定转子结构特点、温升和电气参数，以及型式试验结果等。工厂内试验结果表明该空冷发电机电气参数优良，效率高，其设计可靠性和技术先进性都处于当代空冷发电机设计的领先水平。

空冷；汽轮发电机；设计；结构；试验

0　引言

随着分布式能源的发展，国内对于小型汽轮发电机需求逐步增大。由于空冷发电机具有冷却方式单一、结构简单、基建速度快、安装投资费用低、使用维护方便、运行安全可靠、特别是在满负荷时的效率与同容量的氢冷发电机相当等优点，目前在60 MW等级的汽轮发电机也普遍采用空冷方式，原有的双水内冷汽轮发电机的市场越来越小。

上海汽轮发电机有限公司于2002年成功开发了60 MW，11 kV，0.8PF的空冷汽轮发电机，用于出口缅甸。本文中提到的原型机即沿用了该60 MW，11 kV，0.8PF的设计，仅修改出口电压为10.5 kV。该发电机质量较重，制造成本高，试验温升很低，因此有必要对这个机型进行优化设计，进一步减少质量，降低成本。

本次60 MW空冷汽轮发电机的优化设计，还需要考虑采用模块化设计方法，既要满足用户对于发电机容量、电压等的不同要求，还需要确保发电机的制造和运行安全可靠性，又可缩短发电机的制造时间，满足用户的交货周期。因此，除了考虑满足国内10.5 kV的电压需求，还需要考虑6.3 kV以及国外13.8 kV 60 Hz的订单需求。

2015年，上海电机厂有限公司在原上海汽轮发电机有限公司60 MW机型的设计基础上，采用先进的GVPI 技术，对该型发电机进行了重新设计。

1　发电机基本技术数据

1.1基本技术规范

型号：QF-60-2

额定容量/MVA75

额定功率/MW60

额定电压/kV10.5

额定电流/A4 124

额定功率因数0.8(滞后)

额定频率/Hz50

额定转速/(r·min-1)3 000

效率/%98.38

额定励磁电流/A950

额定励磁电压/V216

绝缘等级F

温升等级B

不平衡负载能力：I2/IN8%

(I2/IN)2t/s10

1.2励磁方式：按用户的要求，可采用无刷励磁，或自并励静止励磁。

1.3冷却方式：封闭循环空气冷却(TEWAC)

2　设计原则及主要计算程序

2.1设计原则

1) 将可靠性放在首位，以原有60 MW空冷发电机(原型机)为基础，参考GVPI空冷发电机的绝缘结构和其它发电机的成熟结构；

2) 全新设计发电机单位容量的有效体积应比原型机适量减小，以提高材料的利用率；

3) 考虑50～60 MW系列、50 Hz及60 Hz空冷发电机的模块化设计；

4) 全新设计的GVPI空冷60 MW和50 MW发电机的性能满足相关国家标准；

5) 绝缘材料采用155级(即F级)，温度限值按130级(即B级)考核。

2.2主要计算程序

1) 大电所程序：发电机磁路计算、空载特性计算、负载励磁电流计算，电抗和时间常数计算、损耗和效率计算等；

2) 其他程序(如Excel，Mathcad等)：定转子槽内布置、电阻计算等。

2.3温升计算

50～60 MW级空冷发电机(GVPI)的通风系统风路示意图如图1所示。其通风方式为定子铁心采用轴向分区的径向通风结构(一进两出)，定子线圈空气间接冷却，转子槽部线圈副槽通风径向直接冷却，转子端部线圈间接冷却。

图1　发电机风路示意图

发电机两端各有一个单级轴流风扇，发电机的风路分为三部分：第一部分从机座上设置的轴向管道将冷空气引到定子铁心背部的进风区，另一部分冷空气从端部定、转子之间的气隙进入，第三部分冷空气由护环下端部空间流入转子绕组。三部分气体在气隙汇合后经定子出风区的径向通风道流出铁心，再经定子铁心背部机座空间流入冷却器。

转子线圈本体部分采用槽底副槽通风、径向冷却系统，如图2所示。

图2　半个转子副槽通风示意图

冷气体从风扇经导风圈后进入护环下。护环下的环形空间分隔成四个区域，分别为两个进风区和两个出风区，其中磁极中心线处为出风区。一部分气体进入转子本体线圈下面的副槽内，经转子线圈上分布的径向孔冷却本体线圈后经槽楔通风孔流入气隙。

转子端部线圈采用间接冷却，端部绕组冷却风道是开在绕组端部两侧面的固定垫块上的。轴向垫块的风道是用来冷却端部绕组的轴向部分，扇形垫块的风道是用来冷却端部绕组的弧线部分。

利用温升计算程序得到的定转子温度见表1所示，优化方案的定子线圈RTD温度和定子铁心热点温度都可以满足标准规定。

由于对发电机的通风系统进行了设计优化，发电机内部的冷却空气分配合理，各部分的温升比较均匀。

3　发电机结构设计主要特点

3.1定子机座和铁心

由于空冷发电机定子铁心采用空冷，机座承受的空气压力较低，密封没有气密要求，所以由外罩板、机壁和内隔板、支撑板等组成的机座，只需具有一定的强度和刚度，能保护定子铁心和定子绕组，保证运输过程中不变形，同时机座的固有频率需避开工频和倍频。

考虑空冷的发电机的系列化、模块化设计要求，定子机座参考原有60 MW结构，采用上下哈夫机座。定子铁心端部采用铝压圈和反磁齿压板，有效地减小了定子铁心两端的附加损耗。铁心采用外圆周支持筋，内圆穿心螺杆拉紧固定。

铁心外部为一个由钢板焊接而成的笼型框架，圆周24个支撑筋均布，每个支撑筋上装有1个鸠尾筋，螺栓固定。硅钢片轴向用支持筋螺杆和对地绝缘的高强度反磁钢穿心螺杆，通过两端的反磁压指、铝压圈，并用紧固螺母拧紧成为一个结实的铁心整体，如图3所示。

图3　定子铁心及其端部结构

3.2定子线圈

发电机定子线圈采用F级绝缘的双玻璃丝包铜扁线制成，定子线棒槽内部分进行360°罗贝尔换位，以减小定子线圈的附加损耗。定子线圈绝缘采用环氧云母绝缘系统，具有热弹性好、高介电强度和高耐压强度。定子端部线圈用绑扎结构固定并支撑，具有热弹性，以限制静态振动，并承受GB/T 7064—2008和IEC34-3所定义的三相短路力矩。定子线圈端部固定采用绕制端箍、支架的固定结构。支架由铸铝青铜支架固定于压圈上，上、下层绕组间垫有层间压板，层间压板开孔，上下绕组分别与层间压板绑扎，再通过层间压板与支架进行绑扎，整浸后端部形成一个整体。

3.3转轴

转轴由镍铬钼钒合金钢整体锻成，经真空消磁工艺。锻件材料严格按质保规范进行超声波检验。

转子本体在嵌线槽底部设计有通风副槽，在其两端，每一个大齿上开有二个月亮形的通风大槽，每一个小齿上开有一个月亮形的通风小槽，用于端部线圈的冷却。转子槽楔采用高强度铜合金制成，两端与护环内径搭接，构成发电机的阻尼系统。

整个转子进行高速动态平衡和超速试验。超速试验为120%的额定转速，时长2 min。

3.4转子线圈

转子线圈采用抗蠕变性能好的银铜线制成。每1根铜线由2段直线部分和2段圆弧部分拼焊而成。转子线圈槽内部分冲有通风孔，与槽底的副槽一起构成转子线圈通风的冷却风道，可以有效降低转子绕组的温升。

转子线圈端部垫块采用蛇形风道设计，与护环下绝缘一起构成转子线圈端部的冷却空气风路。

3.5优化设计结果汇总

优化设计的60 MW汽轮发电机相比原始设计，在材料上降低成本约15%，产品设计总重减重约20%，主要设计参数如表1所示，达到了前期预设目的。

表1　设计参数对比

4　产品试验

首台优化设计的60 MW，10.5 kV空冷汽轮发电机于2015年完成制造，并完成了型式试验以及其它各项性能的测试。发电机型式试验结果见表2。

表2　发电机型式试验结果

5　结语

优化的60 MW，10.5 kV 空冷汽轮发电机的设计非常成功。从设计和试验结果可见，其各项性能指标全部达到或超过设计要求，符合GB/T 7064—2008《透平型同步电机技术要求》，GB 755—2008《旋转电机基本技术要求》 。发电机效率98.41%，优于国标效率98.20%的规定。

后继又在首台60 MW，10 kV空冷汽轮发电机成功制造的基础上，开发了6.3 kV以及出口型13.8 kV，60 Hz的机型，对上海电气集团上海电机厂在国内以及国际市场的推广应用具有重要意义。