四极汽轮发电机学术资讯 - 科技工作者之家

四级汽轮发电机是指设计成半速(1500r/min或1800r/min)，参数较低，流量大的汽轮发电机。1

俄罗斯两极和四极汽轮发电机特性对比俄罗斯核电1 000 MW两极和四极汽轮发电机特性对比

俄罗斯核电汽轮发电机的主要生产厂家有圣彼得堡“电力”工厂和哈尔科夫重型电机制造厂。1000MW的核电汽轮发电机主要由“电力”工厂生产。1980年，“电力”工厂为南乌克兰核电站生产了TBB-1000-4型1000MW半速（四级）汽轮发电机，1982年投入运行，运行期间没有因发电机的故障而使机组停运。1983年，“电力”工厂又为罗文斯克核电站生产了TBB-1000-2型1000MW全速(两极)汽轮发电机。

全速及半速发电机主要技术数据对比表1中给出了1000MW核电汽轮发电机的主要技术经济指标。从表1中可以看出，在额定功率、电压以及功率因数等相同的情况下，两极汽轮发电机的单位材料消耗小（81.7%）、短路比小（91.11%）、飞轮转矩小（22.88%）；而四极电机转子质量约为两极电机的两倍（196%），定子增重不多（118%），定子运输质量很接近（101%），四极电机的效率比两极发电机效率略高。除此之外，两极发电机的制造时劳动消耗小，但是两极汽轮发电机的机械强度和热强度较高，定子绕组端部漏磁通和定子绕组端部区域的损耗也较高。

从图1，可以看出两极和四极汽轮发电机的定转子槽数(见表1)。

结构特点大型汽轮发电机的定子冷却方式已逐步趋向一致，大多采用水冷;但对于转子的冷却方式，日本日立、东芝、俄罗斯等电机厂的两极电机采用气隙取气方式。对于四极电机，美国GE公司与俄罗斯电机厂仍采用气隙取气型通风方式，但增加了径向气隙隔板。日本的日立与东芝公司则采用了副槽通风。俄罗斯“电力”工厂生产的TBB-1000型汽轮发电机冷却方式为定子绕组水冷，转子气隙取气斜流氢内冷，增加了气隙隔板以利冷却，发电机风扇采用离心式风扇。

俄罗斯院士Я.Б.Дaнилeвич多次来华讲学指出，俄罗斯大型机组推荐采用全水冷冷却方式。2008年8月，作者之一在Я.Б.Дaнилeвич科学院院士安排下，参观了俄罗斯电力工厂，了解到正在设计的1500MW核电汽轮发电机就是采用的全水冷冷却方式。

在励磁控制方面，日本日立、东芝与GE公司采用交流励磁机静止硅整流器励磁方式，西屋、三菱等公司采用无刷励磁方式，而可控硅静止励磁方式已逐步被多数厂家和用户所采用。俄罗斯专家认为，当励磁电流过大时，设计与制造大电流滑环有困难，发电机应采用无刷励磁方式，便于维护，提高运行可靠性。

TBB-1000型发电机的构造形式和布局按照“电力”工厂的传统结构设计:定子机座由3部分组成（一个中心段，两个边罩）。发电机总体结构图如图2所示。带绕组的定子铁心位于中心段，气体冷凝器和定子绕组引出线则放置在定子的端部。为了运输和装配方便，端部有水平的可拆卸的支承爪。定子绕组3个引出线从发电机励端底部引出，6个中性点引出线从发电机励端上部抽出，这是TBB-1000型发电机的特点，对保护设置极为重要。而气体冷凝器垂直立于电机的两端。定子的端盖内部由通风机的扩散器盖住，外部由单环流的油密封封闭。两极发电机定子铁心与机座的隔振方式采用弹性定位筋，结构简单，隔振效果好。由于半速发电机定子铁心为八节点振动，且振幅只达到两极电机的一半，因此振幅很小，故定子铁心和机座之间采用刚性连接。三菱公司1100MW四极发电机机座采用了传统的立式弹性板隔振结构。

为了保证TBB-1000-2型汽轮发电机的高可靠性，对两极汽轮发电机进行了研究并在结构改进方面上借鉴了TBB-1000-4四极汽轮发电机经验。两极电机更加注意了定子绕组端部的固定、定子端部区域温升的降低、转子各部件强度的提高、励磁绕组的冷却效果。主要采取了以下措施：

（a）定子绕组端部固定的要求更高，采用玻璃纤维内绑环来取代以前的结构；

（b）绕组端部各个部件的固定采用高强度的玻璃钢替代以前采用的金属；

（c）安装水路用于冷却定子铁心压圈最热区域（端部铜屏蔽）———端面圆环部分；

（d）压圈上开有冷却窗孔，氢气通过窗孔单向流动，对压圈进行强迫冷却；

（e）转子槽和通风槽采用轻质杜拉铝的特殊合金；

（f）气隙内安置纵向隔板和横向隔板，以加强冷却。

温升试验从表2可以看出，定子绕组有效部分的发热处于较低水平。

为了测试额定励磁电流下转子的温升，同时又要限制试验过程中的定子电流，在厂内进行了励磁绕组部分反接的所谓“双线连接”的三相稳态短路试验。在进行该项试验时，在每个磁极上有两个线圈被反向连接，以便所产生的磁通与其余线圈产生的磁通方向相反，于是，每极总磁通减少。“双线连接”试验结束后，再恢复成正常的连接。试验时保持励磁电流为额定值，得到了两台发电机转子绕组的温升（表2）。在该试验条件下两极汽轮发电机的定子三相稳态短路电流为额定值的68%，而四极汽轮发电机的定子三相稳态短路电流为额定值的36%。这就使得两极汽轮发电机的冷却水和冷却气体的发热较高。

励磁绕组部分反接时两种电机定子电流的差别可以解释为它们在试验时转子线圈反接数与线圈总数的比值有差别。

与只有纵向气隙隔板相比，在轴向上纵向、横向都加气隙隔板时的冷却效果更为显著，在绕组热负荷相同的情况下，转子绕组温升相对降低了12～15%。

为了检查定子铁心端部区域在铁心磁分路和边段的发热（见表3），在相应的部位安装了专门的热电偶。

两极汽轮发电机由于每极电枢漏磁通相对较大，使得磁分路环的温升比四极汽轮发电机要高一些。

机械特性四极电机转子直径大，临界转速高。四极电机的试验台实验得出，一阶临界转速为940r/min，二阶临界转速为2300r/min，远离其运行转速1500r/min。这样的临界转速相对运行状态的分布是十分有利的，不仅转子平衡容易，振动值小，也不易产生油膜失稳现象，其可靠性明显提高。两极电机中由于大齿与小齿方向的刚度差别较大，需要在大齿上开月牙槽或者是在大齿上开与小齿一样的轴向槽。对四极电机来说，由于刚度均匀，则不需要采取以上在转子大齿上开槽的措施，这样有利于四极电机的负序电流在磁极表面均匀分布，可以减少局部负序电流过大。

四极电机因转速低，护环的热应力比两极电机小，缓解了应力腐蚀。两极电机的振动为四节点振动，而四极电机为八节点振动。虽然四极电机的铁心轭部较短（图1），但其振幅很小，只达到两极电机的一半。工厂试验测量了TBB-1000型两极和四极汽轮发电机的振动，如表4所示。

从表2～4可以看出，四极汽轮发电机的热状态和机械状态比两极电机的要好，这在理论分析上也得到了确认。

电磁特性大型汽轮发电机中，为降低定子端部铁心和结构件的损耗和温升采用了电屏蔽（铜屏蔽）、磁屏蔽（磁分路）（图3），端部铁心为阶梯形并开有小槽，端部结构件采用无磁性材料或者非金属材料。定子线棒采用空实结合导线以减少附加损耗。为使上下层线棒有相近的损耗，从而使其膨胀接近相等，定子绕组的上下层线棒采用较小的高度。为改善电压波形和减少附加损耗，转子槽采用不等分且有励磁长短槽。采用全阻尼系统来提高电机的负序承载能力。

虽然四极电机定子端部漏抗较两极电机小，但定子槽漏抗却比两极电机大，所以定子漏抗比两极电机约大30%。四极电机由于转子槽加深，阻尼绕组漏抗较两极电机大，使得四极电机的瞬态和超瞬态电抗比两极电机大30%，从而使短路电流及短路电动力减小，瞬态稳定性下降，所以对励磁调节及保护的性能要求较高。

表5给出了TBB-1000型汽轮发电机的电气参数。从表中可以看出四极电机的励磁电流在空载工况时为两极电机的102%，短路工况为92.2%，额定负荷工况为95.12%。

四极电机有以下特点:由于极距约为同容量两极电机的70%，使四极电机的端部电动力减小，端部漏磁损耗减少，缓解了端部铁心的损耗和发热。四极电机由于极距缩短，使得每极励磁安匝约为两极电机70%，减小了励磁机的容量。由于四极电机离心力较两极电机小，转子齿根与槽楔应力下降，这就有可能增大转子槽尺寸，每极槽截面约可增加70%，使转子槽可容纳更多铜线，转子铜耗下降，半速电机的通风损耗约为两极电机的50%。

在1000MW发电机试验中，损耗和效率是用校准电动机的方法确定的，如表6所示。

试验表明，四极汽轮发电机的机械损耗要比两极汽轮发电机的机械损耗小得多，使得四极电机的总损耗较小，因此四极汽轮发电机效率较两极电机高。1

大型四极汽轮发电机定子温度分布随着国民经济的发展，对汽轮发电机的需求不断上升。汽轮发电机内部温升直接关系到机组的性能和经济指标，同时还影响发电机的寿命和运行的可靠性。汽轮发电机温升计算是汽轮发电机设计的最主要内容之一。电机冷却的根本任务在于散发掉电机内部损耗产生的热量，使电机各部温升维持在标准范围内。大量应用氢冷电机来满足日益增长的市场需求已经成为一种趋势，对冷却电机的设计及研究的投入显著增加。许多外文文献都曾分析了汽轮发电机的流场及温度场。

以某工厂正在研制开发的AP1000水氢氢冷却四极汽轮发电机定子作为研究对象，对汽轮发电机内的温度场进行研究。根据该大型水氢氢冷汽轮发电机定子内冷却介质的流动特性和电机通风冷却系统的特点建立电机三维流场模型，通过对计算域内的模型求解，得到发电机内发热部件的温度分布情况，确定电机定子内冷却介质的最高温升位置；根据以上各计算结果，着重分析了电机的主要固体部件，铜线圈、铁心、磁屏蔽、压板的温度分布规律。

数学模型电机内的流体视为不可压缩流体，流体的流动处于湍流状态.流动要受到质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制约。湍流流动过程中，实际计算常用方法是瞬态N－S方程。在此基础上补充湍流的脉动动能方程和湍流动能耗散方程。其中应用较多的是标准的k－ε两方程标准模型，选用标准k－ε两方程标准模型，单位质量的脉动动能耗散率的定义为：

物理模型和求解条件1.物理模型

发电机定子有48个槽，在周向结构是重复的，转子有32个槽，为了与转子的一个槽建立对应的结构关系，建立整机机组1/32圆周结构的定子、转子和气隙的三维模型。其中定子部分包含压板、磁屏蔽、定子铁心和线圈，求解物理模型如图1所示。

2.基本假设和边界条件

（1）基本假设：

①忽略重力和浮力对流体的影响；

②电机内流场中，流体流速远小于声速，即马赫数(Ma数)很小，故把流体作为不可压缩粘性流体处理；

③流体的流动为定常流动状态，由于电机中流体的雷诺数很大，属于紊流，因此采用紊流模型对电机内流场进行求解；

④线圈主绝缘、层间绝缘各自的材料物性均相同；

⑤电机内各固体部件之间完全接触，热源密度按照损耗平均分布考虑；

⑥定子线圈的热物理性质参数认为都是相同的，定子空心线圈中冷却水带走的热损耗相同。

（2）边界条件：

①材料物性参数为常数，铁心轴向、周向和径向三个方向的导热系数不相同，系数分别为:1.5W/(m·K)、26W/(m·K)、30W/(m·K)，铜线圈的导热系数为387.6W/(m·K)，绝缘材料的导热系数为0.3W/(m·K)；

②压强设置与计算流场时压力设置相同，定子铁心端部风室的氢气入口温度为318K，定子线圈入口水温为318K；

③磁屏蔽外表面设置对流边界，其余内部流体与固体壁面的交界处采用耦合对流边界，对流系数由耦合计算自动获得；

④各个部件的热源强度由厂方给出的损耗数据进行换算之后得到。

求解结果及分析1.定子磁屏蔽压板、齿压板温度场分析

用来固定磁屏蔽及定子铁心的磁屏蔽压板和齿压板，其物理属性与定子铁心轭部、齿部材料设置相同。压板本身没有热量产生，但是在磁屏蔽及定子铁心温度的共同作用下，压板会有一定程度的温升，其温度场示意图如图2所示。

在设置齿压板的顶端与磁屏蔽外表面边界条件时，考虑到压板外表面是有气流的冷却作用因此设置为对流换热边界条件。

由图2中颜色分布的情况可以明显的看出外表面受氢气冷却的作用，温度较低;而压板内侧直接与温度较高的磁屏蔽接触，温度有所上升，汽端温度最大值约为354K；由于氢气运动到励端时温度有所上升，换热温差有所减小，使得励端齿压板温度明显高于汽端齿压板温度，最大温度值约为368K；而励端外表面对流换热系数较汽端大，使得出现汽端磁屏蔽压板温度稍高于励端，最低温度值范围小于励端最低温度值范围。

2.定子磁屏蔽温度场分析

在定子里，发热量较大的为磁屏蔽部分和线圈。线圈是用冷却水冷却的，虽然单位发热量大，但单位换热量也大，因此线圈在定子中的温度并不是最高的;磁屏蔽相对体积小，发热量大，靠轴向和径向通风，可径向通风效果不好，冷却性能较低，因此磁屏蔽的温升较高。如图3所示。汽端磁屏蔽的最高温度约为362K，在较大直径处，此位置距离定子通风孔较远，冷却效果不佳.在靠近轴向通风孔区域，由于受到冷却介质的冷却作用，冷却效果明显，磁屏蔽温度相对较低。处于风路末端的磁屏蔽，氢气温度升高，冷却效果减弱，轴向通风附近的固体温度约为355K，明显高于汽端轴向通风部分的331K。励端磁屏蔽最高温度为383K，是在较小半径位置，此处离轴向风路相对较远，热量不能被及时带走，同时氢气的冷却效果也不好；试验测定的磁屏蔽最高温度值为385K，在误差允许的范围内，认为计算准确，通风冷却系统合理。

3.定子铁心温度场分析

由于热源强度的差别，在对温度场进行物理建模时，要将定子铁心分成轭部和齿部两部分，设置求解条件时分别进行设置。

定子铁心轭部温度场如图4所示，温度低的一端为汽端为319K，沿轴向温度逐渐增加，温度最高处是定子铁心励端靠近齿部部分为370K；定子铁心汽、励两端各有两个径向风路，冷却效果相对较好，图中明显可以看出定子铁心轭部整体的平均温度不高；到达励端氢气由于温升的影响，冷却效果下降，同时轭部较小半径部位与齿部相连，因此看到图4中温度最高的位置。

定子铁心齿部温度场如图5所示，定子铁心齿部的温度走势与轭部的温度走势大致相同，汽端温度最低，沿轴向温度逐渐升高，励端温度最高，温度值约为372K。径向风路部分的温度值低于周围位置的温度值；由于齿部的热源强度相对较大，因此温度增加走势较快，大约在冷却气体行程1/3位置处速度已经开始大范围、大幅度增加。

4.定子线圈及冷却水温度分析

定子铜线圈采用水冷，空心线圈中水流速在2.06m/s～2.11m/s之间浮动。虽然定子铜线圈的热源强度很大，但是水的蓄热能力强，冷却效果很好，流经铜线圈的冷却水可以将大量的热及时带走，以此来保证铜线圈绝缘的温升不会过高。定子线圈由上层线圈和下层线圈组成，上层线圈的空心股线行数×列数为4×6，下层线圈的空心股线行数×列数为4×5，本机定子共有48个槽，模型是整机机组1/32，因此定子模型含有一个完整的定子槽和一个半个定子槽。由图6线圈入口截面温度场可知，入口处冷却水的温度值为318K，铜线圈的温度和冷却水的温度相近，温度值约为319 K。线圈出口截面温度场如图7所示，冷却水温度由入口向出口方向逐渐增加，温度在出口处达到最大值，最大值约为350K；铜线圈的温度分布与冷却水的温度分布相似，线圈的最低温度在励端，沿着水流方向铜线圈温度均匀增加，最高温度出现于汽端，温度值约为354K。

冷却水温度分布与铜线圈温度分布情况大致相同，但在数值上有细微的差别。图7所示可以明显看出出口水温与铜温度的差别，铜线圈的温度略高于冷却水的温度，使得铜线圈产生的热量不断的被冷却水带走，靠近空心线圈部分的冷却效果较好，使得该部分的温度要低于远离空心线圈的铜的温度，在远离空心线圈方向温度逐渐增加，但数值相差不大。