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　　由于空氣冷卻的汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、運行維護方便，近年來得到越來越多的用戶的認同，在國內(nèi)開始迅速發(fā)展。國內(nèi)廠家自空冷汽輪發(fā)電機已相繼投人運行，150MW發(fā)電機也在工廠內(nèi)制造成功。

　　我公司在75MW空冷汽輪發(fā)電機試制成功和順利投人運行的基礎(chǔ)上進行了完整的總結(jié)，找出了可繼承的成功技術(shù)和需要改進的結(jié)構(gòu)。開始了承制更大容量機組的準備工作。2001年，我公司連續(xù)得到山東臨沂、華盛兩個電站4臺135MW和山東南山電站2臺150MW空冷發(fā)電機的訂單。開始了依靠自己力量開發(fā)研制更大容量空冷發(fā)電機的工作。

　　我公司經(jīng)過充分的技術(shù)分析，借助大量的模型試驗結(jié)果，完成了發(fā)電機的設(shè)計。經(jīng)過不斷的工藝試驗和改進，開始了機組的試制工作。2002年9月初，國內(nèi)首合自行研制的150MW空冷汽輪發(fā)電機在我公司順利完成了型式試驗。發(fā)電機所有技術(shù)指標完全達到國家標準的要求，莞全滿足長期安全運行的需要。

　　2發(fā)電機設(shè)計的總體技術(shù)方針在國外，空冷汽輪發(fā)電機從60MW級發(fā)展到150MW級都是一個關(guān)鍵的臺階。它不但關(guān)系到這一容量等級是否成功，也關(guān)系到是否可以形成繼續(xù)開發(fā)更大容量機組的技術(shù)基礎(chǔ)。因此，在一開始就需要對總體技術(shù)方針進行了充分的考慮和論證。

　　由于空氣的熱容量和導(dǎo)熱率較低，設(shè)計空冷汽輪發(fā)電機的關(guān)鍵是降低有效部件的損耗，加強這些部位的冷卻。因此，我們首先將技術(shù)攻關(guān)的重點放在通風研究上。其目標是利用適度的風量，均勻地冷卻整個發(fā)電機，使各部位的溫度都不超過絕緣允許的水平。其次，定子線棒的發(fā)熱是限制提高發(fā)電容量的關(guān)鍵之一，為此，我們采取了減小損耗、改進絕緣和改善冷卻的措施。此外，通過試驗研究確定轉(zhuǎn)子線圈的通風冷卻方式也是空冷發(fā)電機的攻關(guān)項目之一。

　　除此之外，隨著發(fā)電機容量增加而需要采取的一些措施，如為提高進相運行能力而采取的降低鐵心端部損耗措施，<為減小機座和基礎(chǔ)振動而采取的鐵心隔振措施，以及為提高發(fā)電承擔不平衡負荷能力而增設(shè)阻尼繞組等措施也在設(shè)計中予以了考慮。

　　3發(fā)串機的額定參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點3.1主要參數(shù)發(fā)電機的主要額定參數(shù)為：型號額定容功率因數(shù)轉(zhuǎn)速電壓電流短路比冷卻方式定子：空外冷，轉(zhuǎn)子：空內(nèi)冷絕緣等級F級（溫升按B級考核）效率溫度限值定子繞阻矣120（電阻檢溫計）轉(zhuǎn)子繞阻備115<（電阻法）定子鐵心幻201（電阻檢溫計）集電環(huán)專120（溫度計）勵磁方式靜止可控硅3.2結(jié)構(gòu)特點3.2.1總體通風方式通風方式選擇的原則是合理分配冷卻氣流，盡量減小發(fā)電機的總風量（從而減小通風損耗），并且盡量使發(fā)電機得到均勻的冷卻，降低最熱點的溫度，保證發(fā)電機的安全運行。根據(jù)75MW發(fā)電機的試驗結(jié)果和對國外機組通風方式的分析，本發(fā)電機的總體通風布置仍然采用了徑向多流通風方式。發(fā)電機定子分為5個風區(qū)，冷、熱風區(qū)（即進、出分區(qū)）相間布置。冷卻氣體由冷風區(qū)鐵心背部進入，冷卻定子后的熱風從熱風區(qū)鐵心背部出風，回到冷卻器后再進行循環(huán)（見圖化為了對各風道的尺寸、形狀（直接影響風阻）作出合理的選擇，我公司不但在75MW發(fā)電機上進行的實際的通風測試，而且制造了一個全尺寸的150MW發(fā)電機靜止通風模型。對機座、鐵心、氣隙口和轉(zhuǎn)子出風的不同風道尺寸，不同組合進行了多次試驗。是通風模型的照片。

　　通過試驗，不但了解了影啤風路參數(shù)的因素，摸清各風路相互影響的關(guān)系，還初步確定了合理的設(shè)計方案。是通過試驗測到的一組機內(nèi)氣體的流線圖。

　　最后，我們在發(fā)電機進行廠內(nèi)試驗時再次進行了通風測試，測得了發(fā)電機風扇前后的壓頭差，各部位的壓頭分布數(shù)據(jù)，還測得了發(fā)電機各風蹲的風量分配和總風量。試驗證明，各風路風量和設(shè)計數(shù)據(jù)基本吻合。

　　3.2.2總體布置發(fā)電機的總體布置是根據(jù)發(fā)電機的用途，結(jié)合電站的總體布局來考慮的。由于本發(fā)電機是與蒸汽輪機相配（即汽輪機發(fā)電機為高位布置），因而采用了將空氣冷卻器放置在發(fā)電機下面地坑的布置方。

　　和其他空冷汽輪發(fā)電機相同，采用了座式軸承布置。由于采用靜止可控硅勵磁系統(tǒng)，在非傳動端設(shè)有電刷裝置。

　　3.2.3定子機座和鐵心由于兩極汽輪發(fā)電機在運行時電磁力會使鐵心產(chǎn)生4節(jié)點倍頻橢圓振動。為了減小定子鐵心振動對發(fā)電機基礎(chǔ)的影響和減小發(fā)電機的噪音，發(fā)電機定子鐵心與機座間應(yīng)采用彈性固定。150MW發(fā)電機定子采用我公司成熟的定子鐵心隔振結(jié)構(gòu)（見）。帶起到了減小基礎(chǔ)振動和降低噪音的效果。

　　有彈夙板的定位筋將鐵心振動與機座隔開，此外，在鐵心設(shè)計時，還必須考慮到沿。鐵心長度上風量和風溫的不均性。為了使鐵心和線圈的溫度沿鐵心長度上盡量均勻，鐵心的段長是不均勻的。根據(jù)通風試驗的結(jié)果，在中部的熱風出風區(qū)選取了比兩端風區(qū)小得多的鐵心段長，以進一步降低此處的鐵心和線圈的溫度。

　　為了減小定子端部的附加損耗和最大限度地降低該區(qū)域的溫度，除定子壓圈，壓指和定子端部結(jié)構(gòu)件采用了非磁性材料外，在發(fā)電機定子壓圈外設(shè)置了銅屏蔽，這是大型機組的成熟技術(shù)（見）。

　　發(fā)電機鐵心壓圈外的銅屏蔽3.2.4定子線圈由于空冷發(fā)電機定子線圈都采用表面冷卻，線棒的全部損耗必須通過絕緣傳出。為了降低線棒溫升，線棒的形狀需要設(shè)計成窄、高形以增加散熱面積。同時，為了降低絕緣內(nèi)外的溫度差，絕緣也應(yīng)該在安全可靠的前提下適當減薄。本發(fā)電機槽電流超過7000A，定子槽的深度超過230mm，上層線棒高度達120mm，定子絕緣厚度也比原來同等電壓的發(fā)電機稍微減薄。

　　在線棒設(shè)計中，除了通過選取較低的電流密度來降低銅線基本損耗外，線棒采用了多根較薄的股線。并且將上層線棒的截面積設(shè)計得比下層大約20%，以較低的電阻損耗來彌補上層線棒較大的股線渦流損耗，從而使上、下層線棒的溫度更加接近。

　　如此大截面定子線棒的多根股線感生的漏電勢不同，通過合理地選擇換位方式來減小股線環(huán)流是必須考慮的問題。僅僅采用槽內(nèi)360換位已經(jīng)難以減小如此大線棒的股線環(huán)流，具有較好效果的槽內(nèi)540換位在線棒股線數(shù)量較多時會出現(xiàn)股線換位節(jié)距過小而產(chǎn)生制造困難。我們在150MW發(fā)電機上采用了在上、下層線棒連接的鼻端處換位的方式。線棒的股線被分成兩組，兩個股線組間在整個線棒長度上，包括鼻端連接處也保持相互絕緣。上、下層線棒在汽輪敘端的鼻端分組正常連接（見左），在滑環(huán)端的鼻端則分組后換位連接（見凼7右）。對整個相帶組內(nèi)的繞組來說，兩組間的附加感應(yīng)電勢被抵消。由于一組股線僅僅相當于一個高度很小的線棒，組內(nèi)股線環(huán)流大大地減小了。

　　發(fā)電機定子線棒鼻端分組后換位連接3.2.5轉(zhuǎn)子線圈150MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組冷卻仍然沿用在75MW發(fā)電機上采用的軸向通風冷卻結(jié)構(gòu)。發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組線匝用兩根U形銅線組成，上下兩半凹槽相對合成一匝，形成軸向冷卻風道。為了降低轉(zhuǎn)子繞組的溫度，將沿轉(zhuǎn)子全長的線圈分成六個獨立的冷卻風路段。冷卻氣體從風扇出來后通過護環(huán)下部進人，一部分氣流進入槽底的副槽，然后分別進入第一和第二組銅線徑向孔，在分別通過兩個獨立的線圈軸向風道后從槽楔上的徑向孔流人氣隙。另一部分空氣流入繞組端部的風道，通過線圈內(nèi)風道冷卻銅線后，從轉(zhuǎn)子本體端部的出風口離開轉(zhuǎn)子。在端部長度較長的大號線圈中還設(shè)置了補風口，進一步降低最熱點的溫度。

　　發(fā)電機的其他結(jié)構(gòu)，如軸承、集電環(huán)、電刷和冷卻器等結(jié)構(gòu)和其它類型發(fā)電機相似，這里就不作介紹了。

　　4試制結(jié)果（見表）主要的試驗參數(shù)及試驗值和設(shè)計值的比較項目試驗值設(shè)計值保證值空載勵磁電流（A）勵磁短路勵磁電流（A）短路比數(shù)據(jù)負載勵磁電流（A）波形畸變率（％電話諧波因數(shù)（％）機械損耗（kW）鐵耗（kW）損定子銅耗（kW）耗和效附加損耗（kW）轉(zhuǎn)子銅耗（kW）率勵磁裝置損耗（kW）總損耗（kW）效率（％）電樞繞組最高K）矣80溫升定塍心最高K）80勵磁腧平均翻K）矣75集電環(huán)溫度（T）軸瓦溫度（T）85 2002年9月，我公司成功完成了首臺150MW空冷汽輪發(fā)電機的型式試驗。試驗證明該發(fā)電機的效率、溫升和所有技術(shù)指標完全達到國家標準的要求，完學(xué)滿足額定出力下長期安全運行的需要。

　　5今后的發(fā)展方向目前國內(nèi)在大功率空冷汽輪發(fā)電機的研制上與國外還有相當大的差距。國外目前不但早已批量生產(chǎn)配F級燃氣輪機的260MW級空冷發(fā)電機，原ABB公司還制造出了世界上最大的空冷汽輪發(fā)電機，其容量達500MVA.毫無疑問，我公司和國內(nèi)其他公司將在空冷發(fā)電機大容量化方面繼續(xù)努力。

　　開發(fā)大容量空冷發(fā)電機的關(guān)鍵仍然是降低消耗，加強冷卻。除了在我們已經(jīng)采取的措施基礎(chǔ)上增加發(fā)電機的尺寸以外，以下一些技術(shù)也是可以考慮的。

　　5.1絕緣技術(shù)的進步改進定子線棒的發(fā)熱和冷卻始終是大型空冷發(fā)電機的關(guān)鍵，其中如何減小絕緣上的溫降是十分重要的。今后，我們主要要改進絕緣的電氣性能和制造工藝，盡量減小絕緣厚度，以達到增加出力的目的。此外，提高絕緣材料的導(dǎo)熱性也是我國絕緣材料研究和生產(chǎn)部門要進一步攻克的目標。盡管國外在空冷發(fā)電機上較多地采用定子整體真空浸潰，以減小定子線棒和鐵心間的間隙，起到良好散熱的效果，但由于這種定子整體浸潰線圈防電暈效果差，線棒本身的絕緣質(zhì)量不如單根制造的線棒，再加上定子整體真空浸潰設(shè)備投資大，所以更大容量的空冷發(fā)電機一般不再采用定子整體真空浸潰，而采用單根線棒真空浸潰。

　　5.2逆向通風布置眾所周知，如果讓從冷卻器流出的冷風經(jīng)風扇加壓后再去冷卻發(fā)電機的有效部件，將由于風扇先使氣體溫度升高而使發(fā)電機有效部件的溫度相應(yīng)增篼，因此更大容量發(fā)電機應(yīng)該考慮逆向通風結(jié)構(gòu)。冷卻器流出的冷風從鐵心背部進人徑向風溝，冷卻了鐵心和線圈的熱風流出鐵心進人氣隙后與轉(zhuǎn)子排出的熱風混合，由軸上的軸流風扇從氣隙中抽出后返回冷卻器。這種通風方式使定子鐵心和線圈受到最低溫度氣流的冷卻，可獲得較好的冷卻效果，并可降低通過定子的氣流量，減小通風損耗。

　　5.3多支路定子線圈結(jié)構(gòu)由于定子線棒的發(fā)熱和冷卻是大型空冷發(fā)電機的關(guān)鍵，除了設(shè)法通過改進絕緣和改進通風冷卻以外，如果能夠通過減小單根定子線棒的電流來減小線棒損耗，將可能得到更加滿意的效果。

　　由于發(fā)電機的容量僅僅取決于電壓和電流，如果通過選取較高電壓來減小定子電流，反而會帶來絕緣增厚、絕緣溫度降更大的負面后果。有的國外公司想到通過增加并聯(lián)支路數(shù)來減小單根線棒的電流。

　　但是，兩極電機只有采用一個或兩個并聯(lián)支路時才能得到支路對稱，支路間沒有環(huán)流的設(shè)計。通過仔細的分析，如果將并聯(lián)支路數(shù)增加到3，再采取適當?shù)倪B接方式，可以將支路不對稱程度盡可能地減小，從而將支路間的環(huán)流減小到可以忽略的程度，大大減小了單根線棒的損耗和降低了線圈的溫度。0是一個3個并聯(lián)支路發(fā)電機的一個相帶組的槽分組示意圖。一個相帶組內(nèi)的I2個槽分成3組，每組的電勢僅僅在相位上差5度。通過與另外一個極下的3組線圈連接，可以使支路電勢相位相同，幅值相差組0發(fā)電機定子線圈的3支路連接6結(jié)語大功率空冷汽輪發(fā)電機的發(fā)展不但在世界上已成必然趨勢，在我國也將成新的增長點。我公司將繼續(xù)在這一領(lǐng)域研究開發(fā)，已經(jīng)進行的設(shè)計開發(fā)、模型試驗，以及60MW、75MW和150MW幾個機型的研制成功為進一步開發(fā)更大容量的空冷發(fā)電機組打下了良好的基礎(chǔ)。