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大型汽轮发电机转子通风冷却研究
夏光华
（哈尔滨电杭厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150000）
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摘要：汽轮发电机单机客量的增大及其运行可靠性的提高，在很大程度上取决于汽轮发电机冷却方式及其结构的发展。对于大型汽轮发电机而言，转子的风冷却对于发电机性能的维护有很大的关系，保证发电机在超负荷适转的情流下能及时散发热量，降低发电机损坏的儿率。对大型汽轮发电机结构做了简单的介绍，对其转子通风冷却的模型和方法给予了详细的论述说明。
关键词：汽轮发电机：转子；通风冷却；结构组成
汽轮发电机最初采用空气表面冷却，最大容量不超过100MW。随着氢内冷和水内冷发电机的出现，才使单机容量提高到300MW以上。单机容量的提高对冷却技术提出了更高的要求，汽轮发电机超负荷运行也需要良好的通风冷却作为保障。因此，汽轮发电机的通风系统研究成为汽轮发电机研究中的重要课题之一。
1汽轮发电机结构组成
汽轮发电机主要由机座、定子、铁心、定子绕组、转子铁心、转子绕组、端部护环等几部分组成，由于发电机的装机容量不同，所以各组成部件在设计参数上也有不同。转子铁心在圆周上开有一些槽，将转子励磁绕组（即转子铜线圈绕组嵌人转子槽内，在转子周上共有4个槽距大的面称为大齿，在转子槽内线圆通电后，大齿最终形成的磁极：转子励磁绕组两端是通过集电环接到励磁电源的通入直流电，在转子圆周上的大齿上就形成磁极，转子转动时即形成旋转磁场：定子被固定在发电机的机座内，转子装人定子内后由机座两端的轴承支撑，可在定子内自由旋转
2发电机转子通风冷却的物理模型
如图1所示为发电机转子轴向1/2、周向1/8结构示意图。发电机通风冷却系统中包括了转子本体、线圈、槽锲、定子等固体材料以及冷却流体。冷却流体(氢气)清副槽轴响流动,并分流到线圈内的径向风沟内，冷却线圈，然后出流到转子与定子之间的气隙。该部分氢气汇同气隙内轴向进入的气流通过定子的径向风沟流出，最后到达定子与外壳的环形空间并流出。
该模型仅包括周向一个副槽通风单元，模型的两个侧面为相邻副槽单元的周向对称面。冷却介质(氢气)从副槽入口轴向进入副槽通道，在轴向流动过程中逐渐向线圈内的径向风沟分流，并冷却线图，然后进入转子和定子之间的气原。模型左右两侧则固体壁面接对称面绝热处理。由此，我们已建立其发电机转子通风冷却过程完整的物理模型。
3大型汽轮发电机转子通风冷却的方式
3.1空气冷却。发电机的转子暴露子在空气中，可以直接通过通风散热的方式进行热交换处理，将发电机内部工作产生的热量及时带走，以保证发电机的正常运转。目前一些大型生产转子的厂家对转子的构造和设计进行了一此调整，将空冷电机的容量提升到了300MW，比以往的空冷和氢冷电机提升了将近一借的容量，可以容纳大尺寸直径的转子，对于旋转磁场的形成更加有利。汽轮发电机依靠高密度的空气能和风能来散热，对设备本身的损害也比较大，当发电机运转到一定的功率后，空气冷却无法达到及时散热的条件要求，所以，逐渐退出了人们的视野。
32氢冷却。氢冷却技术最开始是由美国的GE公司提出，经过几年的实践总结，逐渐完善了冷却的设计流程和工艺方式。氢冷却技术主要是通过空芯的铜线管来实现氢的自由流通，然后以热交换的方式将热量传递出去，一般能做到对流传热、热传导或热接触的形式，氢的潜热能较大，在循环系统中吸收热量的速度较快，而循环系统与外界连通的部分是金属材质，散热的速度也是极快的，这就能很好的实现发电机的快速降温。转子氢冷却系统虽然导热的效果好，但是系统内部的构造设计及原理十分复杂，设备的成本十分昂费，对场地的要求也比较高，在我国的发电广中并没有普及。
33液(水)-氢冷。这一技术是在20世纪初由匈牙利的科学家提出的理论观点，在当时风廉一时，后来经过将近一个世纪的研发设计，终于将这一技术付诸实践。水氢冷主要是在转子的内部，用空芯铜线缠绕成绕组，作为转子产生磁场的关键技术环节，氢可以从空芯内部的循环
系统经过，快速的流动，能起到降温的效果；而液态的水就通过齿轮的空隙或槽模的排风口吸收传递的热量，在发电机封闭的系统内部，连接一个循环装置，将低温度的水及时替换吸收潜热的水。
如此以来氢冷和水
图1发电机转子轴向结构示意图
冷同时进行，可以有效的降低发电机温度，提升发电机的工作效率
34双水内冷。双水内冷主要是将发电机的铁心定子以及转子分别采用空冷和水冷同时降温的方式，是我国独家研究出的一种制冷技术，已经大规模的投入运行生产中去。这样设计的主要原因是考虑经济价格和制冷效果，因为不涉及氢气的运转，所以没有必要将发电机内部系统封闭起来，这就节省了一部分绝缘密封的费用。对于冷却系统的制作，只要简单的水循环运行装置即可，大大减轻了发电机的重量，在运输和安置过程中搬运都比较方便，既节省了材料，又节省了大量的人力物力或机械设备的运行费用，经济实惠。但是，双水内冷的定子铁心端是利用风力和空气流通来降温的，局部会出现发热的现象，对设备的损耗较高
3.5全液(水)冷。与空气、氢气等气体相比，液体的比热容较大，对于热量的吸收效果较好，同样的绕组温度条件下，使用液体降温能将时间缩短到03-04借，这就说明液体的降温效果比较明显。全液冷技本需要的介质流体简单，只要有水即可，而相对于其它的原料来说，水是最容易获得，成本也是最少的，使用的设备也就一套是笑，运行操作的过程也比较简单，在许多国家被广泛的采用。在20世纪90年代中期，前苏联就研制了一款T3B-60-2型全波冷汽轮发电机，应用的定子和转子都是经过重油的浸泡，然后才侵人到水中使用，这就能有效缓解水对零件的蚀，延长发电机使用维修的周期，增加了发电厂的发电效率
3.6蒸发冷却。蒸发冷却技术是刚刚提出的新的理论设计，目前还在研究设计阶段，应用于转子的通风冷却，主要的理论基础是转子的自循环。蒸发冷却在其它大型的机器设备中应用已经有了先例，日本东芝的 MZU-20O0、美国GE的WW-1-1等都是成功的典范。而我国在这方面的研发技术也一直处于领先水平，转子内冷气轮发电机、自循环蒸发冷却发电机、氟利昂蒸发式冷却装置以及超导蒸发发电机等，都是最新研制的成果，虽处于实验阶段，一且各方面的性能调试好，各项指标达到了国家的要求，即可投人各大发电厂进行生产使用。
结束语
目前我国正处于大电网和大机组的发展阶段，要提高电机的运行效率，主要通过增加发电子转子的冷却效果来实现。一般依靠增加线图负荷会导致发电机铜线圈温度升高，绝缘老化加剧，从而降低发电机的工作效率甚至对发电机造成不可恢复的损坏。为此，必领采用更有效的冷却技术，以提高其散热能力，从而将汽轮发电机各部分的温升控制在允许范围内，保证其安全可靠的运行。
参考文蔽
[1感飞飞.大型汽轮发电机转子通风冷却研究[D]重庆：重庆大学,2012[2]赵前成.大型4极汽轮发电机转子通风冷却研究[D]重庆：重庆大学 2012