汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相關(guān)問題探討

黃帥

摘 要：早期汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子都是以空氣作介質(zhì)進(jìn)行表面冷卻。近年來，汽輪發(fā)電機(jī)容量的增大主要通過增加電磁負(fù)荷實(shí)現(xiàn)。但增加電磁負(fù)荷的同時(shí)也加大線棒銅耗，繞組的溫度會不斷升高，嚴(yán)重時(shí)甚至超過容許溫升。為此，必須采用有效技術(shù)，將汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫升控制在可承受范圍內(nèi)，確保其安全穩(wěn)定的工作與運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；相關(guān)問題

自改革開放以來，我國的國民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，對電力的需求也在不斷增加。作為電能的直接生產(chǎn)者，汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展在電力工業(yè)中占有舉足輕重的地位，其發(fā)展歷史是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新，尤其體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子相關(guān)問題的研究上。

1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子常見的相關(guān)問題

1.1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子流量、溫度分布特點(diǎn)

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)會不可避免的產(chǎn)生摩擦，一般來說空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻介質(zhì)都是空氣，而摩擦所產(chǎn)生的損耗會通過熱傳遞的方式影響周圍的冷卻介質(zhì)，因此汽輪發(fā)電機(jī)溫度場的分布會對轉(zhuǎn)子風(fēng)道內(nèi)冷卻介質(zhì)的流場分布產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)，溫度過高造或溫度分布不均會引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)的情況，這也是發(fā)電機(jī)發(fā)生故障的預(yù)兆。所以要保障一臺汽輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，就需要使其轉(zhuǎn)子內(nèi)部各部件的溫度不超過絕緣材料所允許的最大限度，保障溫度分布均勻，杜絕局部過熱的現(xiàn)象，這也是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的宗旨。所以設(shè)計(jì)者在選擇最佳冷卻方案時(shí)，往往會比較不同方案的流量分布，預(yù)測出高溫區(qū)所在位置及溫度分布的均勻性，再依靠這些特征做出最好的冷卻方案。

1.2 汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系有兩種振動(dòng)方式，即彎曲振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。汽輪發(fā)電機(jī)組在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)難以完全消除及外部阻力的影響，運(yùn)行過程中一定會產(chǎn)生振動(dòng)。就發(fā)電機(jī)本體而言，其振源來自定子鐵芯及轉(zhuǎn)子本身轉(zhuǎn)子。振動(dòng)的原因大致可分為兩個(gè)方面，其中機(jī)械原因大多是由于機(jī)組設(shè)計(jì)制造，安裝時(shí)存在漏洞，這些漏洞極易形成引起振動(dòng)幅值的加大。另外一個(gè)是電氣原因，也就是汽輪發(fā)電機(jī)外部干擾引起的激振力的變化，例如，發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子氣隙不均勻、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路或兩點(diǎn)接地、發(fā)電機(jī)三相負(fù)荷不對稱及不對稱短路、氫內(nèi)冷及水內(nèi)冷轉(zhuǎn)子內(nèi)冷同路局部堵塞導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子熱彎曲等。

1.3 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道對其溫度分布的影響

對于汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組件來說，空冷通道的散熱能力至關(guān)重要。如果空冷通道的散熱能力存在問題，局部產(chǎn)生的熱量發(fā)散不出去，就會大大的縮短汽輪發(fā)電機(jī)的使用壽命。空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道都是由副槽通風(fēng)溝、槽楔出風(fēng)口、楔下墊條和徑向通風(fēng)溝這四部分組成，內(nèi)部幾何構(gòu)造比較復(fù)雜，從而使得通過風(fēng)道的流體形態(tài)變化多端，沿軸向及徑向通風(fēng)道內(nèi)的速度和溫度分布差異很大，嚴(yán)重影響了風(fēng)道內(nèi)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)和散熱。因此，為了能夠得到均勻的溫度分布，可以在以往150MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用有限體積法，改變副槽的徑向通風(fēng)溝的幾何量，求解轉(zhuǎn)子本體及通風(fēng)道內(nèi)空氣的傳熱及紊流流動(dòng)等二維離散方程組。研究結(jié)果表明，在同一個(gè)入風(fēng)口不變的情況下，兩條徑向風(fēng)溝相對于一條徑向風(fēng)溝時(shí)，傳熱與散熱的效果好，并存在最佳中心距。

1.4 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來，隨著空冷汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)路不斷加長，單機(jī)容量不斷增大，轉(zhuǎn)子端部繞組通風(fēng)道結(jié)構(gòu)比較常見的有軸向內(nèi)冷、軸向加補(bǔ)風(fēng)等結(jié)構(gòu)。通風(fēng)道結(jié)構(gòu)的不同直接導(dǎo)致通風(fēng)方式與效果的不一樣，還會直接影響轉(zhuǎn)子的風(fēng)量分布、冷卻效果、峰值溫度大小及所在位置?，F(xiàn)在國內(nèi)外越來越重視空冷汽輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)及冷卻研究，國內(nèi)運(yùn)用CFD原理進(jìn)行發(fā)電機(jī)內(nèi)通風(fēng)分布規(guī)律的研究也逐漸展開。然而，現(xiàn)如今研究所用的物理模型大多不連續(xù)，有局限性，無法揭示整槽整齒連續(xù)的風(fēng)量分布及溫度分布變化特性，軸向?qū)峥紤]不充分。

2 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子常見相關(guān)問題的分析與解決

2.1 理想通風(fēng)結(jié)構(gòu)特性分析

轉(zhuǎn)子的熱傳導(dǎo)的方式存在特殊性，其傳導(dǎo)特征也隨發(fā)生位置的不同而不同。轉(zhuǎn)子表面雜散損耗是以熱的形式向轉(zhuǎn)子齒部傳遞的，所以順著半徑減小方向的轉(zhuǎn)子齒部溫升逐漸降低。而在副槽兩側(cè)齒部這個(gè)位置的溫升，則是沿軸向逐漸增大，這是因?yàn)楦辈蹆蓚?cè)的齒部溫度沿著副槽內(nèi)空氣的軸向流動(dòng)，副槽內(nèi)的空氣流速不斷減小。由于轉(zhuǎn)子端部熱量主要來自銅耗，所以轉(zhuǎn)子表面的雜散損耗可以忽略不計(jì)，因此端部直段繞組的溫升最低。在轉(zhuǎn)子端部弧段處設(shè)置一個(gè)扇形絕緣擋塊可以有效的使冷熱風(fēng)區(qū)差別明顯。對于大容量空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子而言，當(dāng)在端部直段加補(bǔ)風(fēng)口，弧段布置兩處進(jìn)風(fēng)口的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，然后再調(diào)整補(bǔ)風(fēng)口的幾何大小，從而調(diào)節(jié)端部弧段間與軸徑向段的冷卻風(fēng)量，但其結(jié)果會是總進(jìn)風(fēng)量小，繞組溫度高。而采用獨(dú)立風(fēng)路分別對轉(zhuǎn)子端部弧段繞組和軸徑向段繞組進(jìn)行冷卻，通過改變端部進(jìn)風(fēng)口和位置，調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量分布，可以得到各段繞組溫升低且分布較均勻的理想通風(fēng)方案。副槽前端徑向風(fēng)溝迎風(fēng)側(cè)比背風(fēng)側(cè)的空氣溫度相對較低，中心對稱面附近徑向風(fēng)溝中，迎背風(fēng)側(cè)空氣溫度趨于均勻，另外，沿著半徑方向繞組溫度逐漸升高，徑向溫差逐漸變小。

2.2 發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的危害

發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)對其能否持續(xù)可靠的運(yùn)行有著很大的影響，對發(fā)電機(jī)組來說，產(chǎn)生超限幅值的振動(dòng)，將會破壞機(jī)組密封系統(tǒng)，使連接部件松馳和壓力增大，還會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子滑環(huán)和電刷嚴(yán)重磨損以及產(chǎn)生環(huán)火，使機(jī)組連軸器發(fā)生故障，嚴(yán)重時(shí)會危及發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)組成部分，對發(fā)電機(jī)組自身及周圍物品產(chǎn)生災(zāi)難性影響。影響發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行甚至損毀的事故中，由振動(dòng)異常引起的實(shí)例不在少數(shù)，所以認(rèn)識到發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的危害尤為重要。

2.3 改進(jìn)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子通風(fēng)道幾何形變對其內(nèi)部的速度場與溫度場都有著決定性的影響。合理調(diào)整副槽形狀、徑向風(fēng)溝的間距及楔下墊條內(nèi)的通風(fēng)道尺寸，再加上較準(zhǔn)確地預(yù)測轉(zhuǎn)子通風(fēng)道內(nèi)部的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以使得轉(zhuǎn)子各部件內(nèi)部溫度分布更加均勻，從而保證電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行及其正常使用壽命，同時(shí)提高發(fā)電機(jī)的效率。經(jīng)研究表明，在同樣入口流速下，兩條徑向風(fēng)溝比一條徑向風(fēng)溝散熱量多，此時(shí)轉(zhuǎn)子截面相同半徑處，溫度分布均勻并且中心距存在最佳值。把副槽從矩形改裝成為梯形，風(fēng)道上底的面積大小對轉(zhuǎn)子溫度均勻分布及最高溫度值的影響可以忽略不計(jì)。另外，轉(zhuǎn)子風(fēng)道末端設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是槽楔出風(fēng)口的尺寸，減小該尺寸可以提高最高溫度值，這為改進(jìn)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2.4 端部進(jìn)、補(bǔ)風(fēng)口的布置

在端部進(jìn)風(fēng)加直線段補(bǔ)風(fēng)的空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)設(shè)計(jì)研究中，控制端部、副槽通風(fēng)段長度與軸徑向段等變量后發(fā)現(xiàn)：溫度場的整體分布受端部進(jìn)、補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置方式的影響較大。在端部弧段開設(shè)一組進(jìn)風(fēng)口，端部軸向段開設(shè)一組補(bǔ)風(fēng)口時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組整體溫差最小，溫度場的均勻性較好。僅在端部弧段開設(shè)兩組進(jìn)風(fēng)口，端部繞組溫度最低，軸徑向段繞組溫度最高。而在端部弧段開設(shè)兩組進(jìn)風(fēng)口，直線段同時(shí)開設(shè)補(bǔ)風(fēng)口時(shí)，軸徑向段繞組溫度最低，而繞組最高溫度出現(xiàn)在中心對稱面處。所以端部進(jìn)、補(bǔ)風(fēng)口布置位置和個(gè)數(shù)能對冷卻空氣及繞組溫度分布產(chǎn)生巨大影響，不僅可以決定溫度峰值的位置，還可調(diào)節(jié)溫度峰值大小，從而進(jìn)一步改變軸向溫差大小。

3 結(jié)束語

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此之前研究幾乎都是針對轉(zhuǎn)子進(jìn)行局部特征研究，把計(jì)算區(qū)域劃定在轉(zhuǎn)子的一個(gè)軸向單元。而這些研究很難反映風(fēng)溝內(nèi)各處對流換熱性能不均勻的本質(zhì)，以及轉(zhuǎn)子溫度的軸向變化情況。這些研究很難反映風(fēng)溝內(nèi)各處對流換熱性能不均勻的本質(zhì)，以及轉(zhuǎn)子溫度的軸向變化情況。

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