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60Hz全转速汽轮发电机开发设计

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1东方电气集团东风电机有限公司四川乐山614000

摘要：本文着重介绍额定功率为7.5MW、频率为60Hz的全转速汽轮发电机的电气参数、结构方案等。在设计时依托有限元分析软件的精确计算，对发电机在3600r/min高转速额定运行时的各关键结构件进行了强度分析，使机组满足运行要求。

关键词：汽轮发电机；60Hz；设计开发；强度分析

一、前言

频率为60Hz的全转速汽轮发电机的设计，转速较50Hz机组增加较大，发电机机械损耗显著增加，电磁方案的合理选择对于提高发电机出力有着密切关系。同时，其旋转部分结构件亦需要进行分析，才能进行材质的合理选择以及满足可靠性的要求。

二、电磁方案设计

电磁方案设计时，因对于60Hz发电机定、转子的槽配合选取没有经验，在电气其它参数满足要求的同时还要保证电话干扰系数TIF满足标准要求。通过对36槽和48槽两种定子槽数的电磁方案进行对比，最终确定选用48槽方案，并将定子绕组设计为2支路。发电机主要技术参数如下：

额定功率：7.5MW额定电压：6600V

功率因数：0.8（滞后）额定转速：3600r/min

频率：60Hz相数：3

定子接法：YY绝缘等极：F

短路比：0.76电抗值：150.2%

瞬变电抗：17.6%超瞬变电抗：11.7%

冷却方式：密闭自循环空气冷却效率：97%

额定励磁电压：150V额定励磁电流：251A

三、结构设计

本汽轮发电机主要由定子、转子、滑动轴承、空气冷却器、端盖、整体底架、励磁调节系统等组成。该机型为单层布置快装式结构，见图1，各主要部套分述如下：

图1发电机总装配图

1、定子2、转子3、端盖4、轴承5、空气冷却器6、底架

1、定子

定子由机座、铁芯、线圈等组成，是发电机实现动能转化为电能的核心部件。

定子机座采用钢板焊接而成，机座纵向由四块壁板构成进出风区，整个机座结构轻巧牢靠。为方便空气冷却器的安装，机座设计成方形，空气冷却器位于发电机定子机座上方。

定子铁芯用扇形硅钢片迭压而成，铁芯沿轴向分成许多档，每两档铁芯间有工字形通风槽钢支撑，构成径向通风沟。铁芯通过轭背部的鸽尾槽，周向固定在机座的支持筋上。铁芯轴向采用压圈与机座壁焊接固紧结构。

定子线圈采用篮型半线圈，线圈由多股双玻璃丝包扁铜线叠成。线圈绝缘用云母带等绝缘材料绕包模压而成，并进行防晕处理。

该发电机为单层快装式结构，定子出线铜排位于发电机励磁端端盖两侧引出，每侧各三根，并于出线铜排四周罩以防爆盒，以确保运行安全。

2、转子

转子由转轴锻件、转子线圈、集电环、风扇、护环、中心环等组成，是发电机实现能量传递和转换的中心枢纽。

为满足3600r/min额定转速下对转子本体的机械要求，转轴选用高导磁的优质合金钢整体锻制而成。在转子本体上铣出辐向嵌线槽，并加工出4个轴向通风槽以加强冷却效果。

转子线圈采用铜扁线外包绝缘制作而成。转子槽绝缘采用玻璃坯布、云母箔以及聚酯薄膜模压而成的复合绝缘。

为满足高转速的要求，护环选用高强度的非磁性合金钢锻件加工而成，并于对应线圈间隙处攻钻适量的通风孔，以满足转子线圈端部的冷却空气循环需要。

转子两端装有离心式风扇，为发电机的冷却提供循环动力。

转子本体两端分别套装有集电环，向发电机转子输入励磁电源。

3、端盖、底盖

为方便空气冷却器的安装，该发电机端盖采用钢板焊接而成方形结构，并设有观察窗、灭火管以及气密封装置等。励磁端端盖还留有定子引出线引出孔，底盖亦为钢板焊接而成。

4、轴承

发电机轴承采用压力强迫油循环的滑动轴承，有能自动调心的球面轴瓦。

5、空气冷却器

空气冷却器位于发电机定子机座、端盖的上方，通过螺栓把合固定。由冷却器以及冷却器两侧的端盖组成，端盖亦作为冷却器的冷、热风风道，通过冷却器的作用后将冷风通过发电机两侧的端盖输入定子线圈端部，风扇的动力使冷风进入铁芯以及线圈中进行冷却。

6、励磁系统

发电机励磁方式为静止可控硅励磁，励磁调节装置为双微机双通道，励磁变压器为干式变压器。

7、其他

底架为整体底架，可在电站整体安装，作为发电机的承重件以及与现场基础的固定件。

发电机定子埋设有测量线圈与铁芯温度的铂电阻测温元件。端盖、机座上装有测量进出口风温的温度计。在冷却器进出风口处装有测量风温的测温元件，轴承出油管处、轴瓦处亦装有测温元件。

四、结构件强度计算

发电机工作频率由50Hz变为60Hz后，各结构件的工作振动频率要求也发生了变化。当额定转速升高1.2倍后，需对旋转结构件进行应力分析，作为各旋转件材质的合理选择及旋转件间装配配合公差的理论依据。各主要结构件应力计算结果分述如下：

1.汽发机护环过盈量计算

采用六面体网络格计算，由于模型上下左右对称，只做1/4模型，并施加相应的对称约束，转速4320r/min，风扇的