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　　（東方電機(jī)股份有限公司）了大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過(guò)考慮發(fā)電機(jī)壓指與邊段鐵心之間的接觸間隙，將壓指納入渦流求解區(qū)，并提出了由于材料特性為非線性、各向異性，數(shù)學(xué)模型中未將其納入求解區(qū)域的邊段鐵心損耗的估算方法，較為全面地完成了QF-135-2-13.8型空冷汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)及端部各結(jié)構(gòu)件損耗的定量計(jì)算以及對(duì)比分析、端部結(jié)構(gòu)件溫升預(yù)估，計(jì)算結(jié)果表明：采用“T型壓圈+銅屏蔽”結(jié)構(gòu)的QF-135-2-13.8型空冷汽輪發(fā)電機(jī)，具有端部附加損耗小，端部溫升低的特點(diǎn)，完全能滿足發(fā)電機(jī)額定負(fù)載和進(jìn)相運(yùn)行的要求。

　　磁密渦流耗。1U― 1刖目功研制QF60-2-10.5、QF-75-2-10.5兩型空冷汽輪發(fā)電機(jī)后，為該系列增添的又新產(chǎn)品，其定子鐵心、線圈、端部結(jié)構(gòu)件采用空氣外冷卻，轉(zhuǎn)子線圈采用空氣內(nèi)冷卻，發(fā)電機(jī)兩端裝有同軸轉(zhuǎn)漿式風(fēng)扇，發(fā)電機(jī)上部裝有空氣冷卻器，整個(gè)發(fā)電機(jī)構(gòu)成兩進(jìn)三出的封閉通風(fēng)系統(tǒng)。QF60-2-10.5、QF-75-2-10.5兩型發(fā)電機(jī)己在20012002上半年年先后投入商業(yè)運(yùn)行，廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)真機(jī)性能試驗(yàn)表明，發(fā)電機(jī)各部溫度、溫升均滿足技術(shù)協(xié)議要求，運(yùn)行狀態(tài)良好我公司首臺(tái)QF-135-2-13.8型發(fā)電機(jī)也即將在2002年9月完成廠內(nèi)制造和廠內(nèi)真機(jī)試驗(yàn)。

　　由于發(fā)電機(jī)端部附加損耗與線負(fù)荷和定子內(nèi)徑乘積的平方成正比m，隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增大及其材料特性的改進(jìn)，其電磁負(fù)荷越來(lái)越高，引起電機(jī)端部磁場(chǎng)強(qiáng)度的顯著增大。在端部結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流、損耗和發(fā)熱，從而給發(fā)電機(jī)的損耗、溫升等帶來(lái)一系列影響。為了改善端部發(fā)熱，降氏端部損耗，避免端部磁場(chǎng)和損耗局部集中，在東方空冷系列汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)主要采取了以下措施（圖丨為QF-135-2-13.8型發(fā)屯機(jī)的端部結(jié)構(gòu)）。

　　采用低磁性鑄鋼壓圈和非磁性鍛鋼壓指，以降低壓圈、壓指自身?yè)p耗；定子邊段鐵心段設(shè)計(jì)有小階梯，在齒中間開有窄槽，以減少軸向漏磁通在端部鐵心中產(chǎn)生的損耗，定子邊段鐵心刷H級(jí)絕緣漆，以提高其絕緣性能、進(jìn)一步減少渦流損耗。

　　從發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)和電磁設(shè)計(jì)出發(fā)，兼顧降低發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱，采用了較為合理的定轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)配合，定子線圈漸開線圓錐角以及短路比。

　　QF-135-2-13.8型發(fā)電機(jī)與QF-75-2-10.5型發(fā)電機(jī)相比，二者具有相同冷卻方式，但前者線負(fù)荷卻較后者大10.5%，定子內(nèi)徑較后者大12.8%，按照定性地估算，在相同結(jié)構(gòu)下端部附加損耗將增大約1.6倍，在相同冷卻條件下溫升就將提高同樣倍數(shù)，雖然理論計(jì)算與試驗(yàn)均表明QF-75-2-10.5兩型發(fā)電機(jī)端部損耗和發(fā)熱不大，但QF-135-2-13.8型發(fā)電機(jī)如果采用與之相同的的端部結(jié)構(gòu)，QF-135-2-13.8型發(fā)電機(jī)就極有可能山現(xiàn)端部溫升偏高的問題，這在發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)顯得尤為突出。為此，我公司在QF-135-2-13.8型發(fā)電機(jī)端部采用了我公司在300MW氫冷發(fā)電機(jī)上非常成熟的T型壓圈+銅型發(fā)電機(jī)采用“大一小壓”兩層結(jié)構(gòu)），以進(jìn)一步減少端部漏磁和改善其分布，進(jìn)而降低端部附加損耗及局部發(fā)熱的熱源密度。

　　為了掌握這一端部結(jié)構(gòu)下的磁場(chǎng)分布和端部附加損耗分布情況，我們開展了該型機(jī)在有、無(wú)銅屏蔽下端部磁場(chǎng)及端部附加損耗的定量計(jì)算以及對(duì)比分析、端部結(jié)構(gòu)件溫升預(yù)估等工作。

　　2計(jì)算原理求解區(qū)域?yàn)榘l(fā)電機(jī)端部，考慮壓指與鐵心表面的接觸間隙，存取轉(zhuǎn)軸中心線為z軸，距轉(zhuǎn)子本體與護(hù)環(huán)搭接的止口處約40mm的截面為R軸，上邊界取端罩內(nèi)壁，下邊界取轉(zhuǎn)軸表面，左邊界取定子鐵心邊段和轉(zhuǎn)子本體邊，右邊界取端蓋內(nèi)壁。求解場(chǎng)為行波場(chǎng)。假定端部磁場(chǎng)在園周方向按正弦規(guī)律變化，考慮結(jié)構(gòu)件（壓圈、壓指、銅屏蔽）中的渦流效應(yīng)，忽略媒質(zhì)的飽和作用，這樣求解方程變?yōu)闇?zhǔn)三維渦流方程。定轉(zhuǎn)子電流層及氣隙電流考慮為外邊界上的外電流，在求解區(qū)域外，決定方程的邊界條件，在渦流區(qū)引入矢量磁位A，其它區(qū)域采用標(biāo)量磁位采用四邊形等參元有限元法離散，其線性方程組用高斯消去法求解。

　　2.1數(shù)學(xué)模型用于端部渦流場(chǎng)分析計(jì)算的端部求解區(qū)見。

　　端部求解區(qū)2.2場(chǎng)方程和邊界條件渦流區(qū)（壓指、壓圈、銅屏蔽）自由空間內(nèi)邊界外邊界定解形式外邊界（定轉(zhuǎn)子2.3計(jì)算程序（C0FSE）框圖又幾何接理參數(shù)單元角礙節(jié)s坐標(biāo)按邊界條件修改系數(shù)矩陣：計(jì)算程序框。4邊段鐵心損耗估算由于邊段鐵心的非線性、各向異性，為簡(jiǎn)化計(jì)算，數(shù)學(xué)模型中未將其納入求解區(qū)域，其上損耗無(wú)法由COFSE程序直接求得，為獲得其上損耗，我們作出下述基本假設(shè)：考慮鐵磁材料具有的飽和特性，軸向漏磁通進(jìn)入邊段鐵心后全部沿周向分布，當(dāng)?shù)谝欢舞F心中磁密達(dá)到飽和值后，磁阻增加很快，這時(shí)便有一部分漏磁穿過(guò)鐵心段之間的間隙進(jìn)入第一段鐵心，其余漏磁通進(jìn)入第二段鐵心的漏磁迪，仍作周向分布。

　　周向磁密在鐵心段作均勻分布-不考慮軸向漏磁通進(jìn)入邊段鐵心引起的渦流損耗，只計(jì)及磁密沿阽周均勻分布而引起的磁滯和渦流損耗。

　　在此假設(shè)下，將COFSE求解得到得進(jìn)入鐵心表面軸向磁密（Bzl，Bz2，Bzn）作為已知童，我們編制了邊段鐵心損耗估算程廠f-（CORELOSS），可估兌出端部漏磁場(chǎng)在發(fā)屯機(jī)邊段鐵心上感應(yīng)的渦流損耗。

　　3計(jì)算分析3.1主要參數(shù)3.2計(jì)算工況短路運(yùn)T：l：況：U N、丨f=1075A額定負(fù)載運(yùn)行丨：況：p=pn、u=uN、（超前）、lf=994A3.3網(wǎng)格剖分計(jì)算中取111個(gè)四邊形等參元，155個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格剖分見QF-丨35-2-13.8型發(fā)電機(jī)端部計(jì)算中取137個(gè)四邊形等參元，179個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格剖見。

　　表1：進(jìn)入邊段鐵心表面軸向磁密計(jì)算值（GS）銅屏蔽無(wú)有無(wú)有無(wú)有無(wú)有無(wú)空載短路額定負(fù)載進(jìn)相銅屏蔽無(wú)有無(wú)有無(wú)有無(wú)有無(wú)空錢短路額定負(fù)載進(jìn)相載短路額定負(fù)載進(jìn)相銅屏蔽有無(wú)有尤有無(wú)壓型指型邊段型鐵心型锏屏蔽型端部附加損耗型表1列出了進(jìn)入邊段鐵心表面的軸向磁密計(jì)算值（用于邊段鐵心損耗估算），表2列出了端部結(jié)構(gòu)件損耗計(jì)算值見（為便于類比推算，表1中還同時(shí)列出了QF-75-2-10.5型發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)件損耗計(jì)算結(jié)果）。ab分別示出了壓圈、銅屏蔽上計(jì)算節(jié)點(diǎn)、單元編號(hào)情況，~1）分別示出了無(wú)、有銅屏蔽時(shí)軸向磁密在壓圈上的分布，示出了軸向磁密在銅屏蔽上的分布。ad示出了各計(jì)算工況下無(wú)、有銅屏蔽時(shí)軸向磁密在壓圈上的分布對(duì)比，0a0b示出了無(wú)、有銅屏蔽時(shí)壓圈上單元損耗密度的‘分布，1示出了銅屏蔽上單元損耗密度的分布。

　　七：a壓圈上計(jì)算節(jié)點(diǎn)、單元編號(hào)b銅屏蔽上計(jì)算節(jié)點(diǎn)、單元編號(hào)+短路額定負(fù)載進(jìn)相計(jì)算節(jié)點(diǎn)編號(hào)a軸向磁密在壓圈上的分布（無(wú)銅屏蔽）鉑厄+空載短路額定負(fù)載進(jìn)相計(jì)算節(jié)點(diǎn)編號(hào)+短路額定負(fù)載4-進(jìn)相軸向磁密在銅屏蔽上的分布計(jì)算節(jié)點(diǎn)編號(hào)空載（有銅屏蔽）空載（無(wú)銅屏蔽）+短路（有銅屏蔽）+短路（無(wú)銅屏蔽）a有、無(wú)銅屏蔽時(shí)軸向磁密在壓圈上的分布對(duì)比圖％有、無(wú)銅屏蔽時(shí)軸向磁密在壓圈上的分布對(duì)比銅銅有無(wú)翁萄負(fù)負(fù)>定蔽定蔽額屏額屏c有、無(wú)銅屏蔽時(shí)軸向磁密在壓圈上的分布對(duì)比進(jìn)相（有銅屏蔽）進(jìn)相（無(wú)銅屏蔽）d有、無(wú)銅屏蔽時(shí)軸向磁密在壓圈上的分布對(duì)比計(jì)算單元編號(hào)-短路額定負(fù)載進(jìn)相0a壓圈上單元損耗密度分布（無(wú)銅屏蔽）計(jì)算單元編號(hào)+空載~短路額定負(fù)載+進(jìn)相0b壓圈上單元損耗密度分布（有銅屏蔽）空載―一1+短路，額定負(fù)載；i+進(jìn)相計(jì)算單元編號(hào)1銅屏蔽上單元損耗密度分布4計(jì)算結(jié)果分析從在端部結(jié)構(gòu)件表面引起渦流的軸向漏磁場(chǎng)來(lái)看，無(wú)銅屏蔽時(shí)，很大的軸向磁密分量（以下簡(jiǎn)稱“磁密”）作用在133、134節(jié)點(diǎn)所處區(qū)域（a），進(jìn)而引起114單元所處部位成為壓圈上的最大熱源密度區(qū)，產(chǎn)生最大的損耗密度值（0a）；在135142節(jié)點(diǎn)所處區(qū)域的磁密次之，在115、120、123以及126單元處也引起較大損耗密度。也就是說(shuō)，QF-135-2-13.8型空冷汽輪發(fā)電機(jī)在端部無(wú)銅屏蔽時(shí)，整個(gè)壓圈外表面存在多處磁密局部集中現(xiàn)象，形成了較大的表面渦流。在壓圈外加設(shè)銅屏蔽后，以上這些節(jié)點(diǎn)處磁密的幅值以及損耗密度較大單元的數(shù)值均得以大幅度下降（b、丨Ob），整個(gè)壓圈外表面的磁密和損耗密度的分布己變得非常均勻，盡管142節(jié)點(diǎn)處磁密略有上升，但其絕對(duì)數(shù)值并不高且衰減較快，這已在該節(jié)點(diǎn)所處126單元的損耗密度仍較無(wú)銅屏蔽時(shí)有大幅度下降中體現(xiàn)出。

　　從端部漏磁場(chǎng)在其端部結(jié)構(gòu)件上形成的表面渦流產(chǎn)生的端部附加損耗數(shù)值來(lái)看（表2），無(wú)論有、無(wú)銅屏蔽，各計(jì)算工況下本次計(jì)算結(jié)果完全遵循“進(jìn)相”>“短路”>“額定負(fù)載”

　　>“空載”這一傳統(tǒng)定性規(guī)律。負(fù)載工況下，有銅屏蔽下的端部附加損耗較無(wú)銅屏蔽時(shí)下降約55%；壓圈的損耗較無(wú)銅屏蔽時(shí)下降45倍，有了銅屏蔽的保護(hù)后，透過(guò)屏蔽進(jìn)入壓圈外表面的端部軸向漏磁場(chǎng)的幅值己大為減小，壓圈得以有效保護(hù)，其上的渦流損耗只占整個(gè)附加損耗的25%30%左右，銅屏蔽承擔(dān)了50%55%.由a9d可以看出，選杼的銅屏蔽之屏蔽范圍是極為有效的，壓圈上編號(hào)在M3以后節(jié)點(diǎn)上的磁密在加裝銅屏蔽前后基本無(wú)變化且絕對(duì)幅值較低，而受端部軸向漏磁影響極大的壓圈外表面（節(jié)點(diǎn)133141）的磁密幅值在加裝銅屏蔽后較無(wú)銅屏蔽時(shí)有明顯大范圍減弱，且使整個(gè)壓圈外表面的磁密和損耗密度的分布變得非常均勻。就銅屏蔽本身而言，進(jìn)入其外表面上的軸向磁密幅值較高，尤以159節(jié)點(diǎn)處的絕對(duì)幅值為最大，160節(jié)點(diǎn)處次之，進(jìn)而導(dǎo)致131單元的損耗密度數(shù)值為最大，132單元次之（、1），但由于銅屏蔽材質(zhì)本身的非磁性、高電導(dǎo)率，其上渦流損耗的絕對(duì)數(shù)值并不是很高。盡管如此，由于銅屏蔽承擔(dān)了約一半的端部附加損耗，為了盡可能減少Q(mào)F-135-2-13.8型空冷汽輪發(fā)電機(jī)端部熱源，我們?cè)诎l(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)特別是通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)仍需采取有效的冷卻措施盡可能地改善和加強(qiáng)銅屏蔽自身的散熱條件�！�5端部溫升預(yù)估發(fā)電機(jī)端部漏磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它的軸向分量與定子邊段鐵心和端部結(jié)構(gòu)件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必然要在端部金屬結(jié)構(gòu)部件上產(chǎn)生磁滯和渦流損耗，繼而引起發(fā)熱，使其溫度升高。而定子端部溫升升高的幅度，不僅取決于端部軸向漏磁密的大小，還取決于端部冷卻條件的好壞，同時(shí)與端部結(jié)構(gòu)及構(gòu)件材料特性有關(guān)。

　　目前用溫度場(chǎng)直接計(jì)算發(fā)電機(jī)的端部溫升還有困難，但我們能通過(guò)發(fā)電機(jī)端部渦流場(chǎng)的計(jì)算，獲得發(fā)電機(jī)的端部漏磁場(chǎng)分布和端部結(jié)構(gòu)件損耗，并結(jié)合有相同冷卻方式、相似端部結(jié)構(gòu)的其它機(jī)型的端部溫升試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從工程計(jì)算的角度，按“結(jié)構(gòu)件損耗與溫升成正比”

　　8型汽輪發(fā)電機(jī)端部最高溫升估算值升（K）短路額定這一原則，較為保守地預(yù)估出某型機(jī)在相同冷卻條件"F的端部溫升。

　　方式與我公司在廠內(nèi)庇機(jī)試驗(yàn)己實(shí)測(cè)過(guò)端部溫升的QF-75-2-10.5型汽輪發(fā)屯機(jī)冷卻方式一致，QF-75-2-10.5型空冷汽輪發(fā)電機(jī)廠內(nèi)真機(jī)試驗(yàn)端部溫升測(cè)試數(shù)據(jù)匯總，東方電機(jī)股份有限公司內(nèi)部資料，2000