汽輪發(fā)電機結構原理講義

汽輪發(fā)電機結構原理講義第1頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月概述我公司發(fā)電機為東方電機股份有限公司引進日本日立公司技術，并合作生產(chǎn)的QFSN-600-2-22C型汽輪機直接拖動、隱極式、二極、三相同步汽輪發(fā)電機。發(fā)電機冷卻方式為水－氫－氫，采用機端自并勵靜止勵磁。水氫氫冷卻方式：定子線圈（包括定子引線）直接水冷、轉子線圈直接氫冷（氣隙取氣方式），定子鐵心氫冷。發(fā)電機采用密閉循環(huán)通風冷卻，機座內(nèi)部的氫氣由裝于轉子兩端的軸流式風扇驅(qū)動。集電環(huán)和電刷空氣冷卻，兩集電環(huán)間設有離心式風扇。軸承為強迫潤滑（由汽機潤滑油系統(tǒng)供油）。發(fā)電機配有氫油水控制系統(tǒng)，以提供和控制發(fā)電機冷卻用氫氣，密封油和定子線圈冷卻用水。發(fā)電機型號表示意義：

Q－汽輪機拖動F－發(fā)電機S－定子繞組水冷N－轉子繞組氫內(nèi)冷600－額定容量2－兩極22－電壓22KVC－特征號，表示三段機座，中心高760m(三段式機座－即沿軸向?qū)C座分為三段，中間段為機座主體，呈圓筒形用以支撐鐵心，兩端部分呈方盒形用以設置氫氣冷卻器并支撐端蓋軸承，分段運輸至電廠再組裝成一整體。）第2頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月QFSN-600-2-22C型發(fā)電機額定參數(shù)額定出力667MVA/600MW額定電壓22KV額定電流17495A功率因數(shù)0.9（滯后）轉速3000r/min頻率50Hz相數(shù)3環(huán)境溫度5～40℃額定氫壓0.414MPa定子接線2-Y出線端子數(shù)6絕緣等級F級（溫升按B級考核）第3頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月基礎知識1、工作原理交流旋轉電機主要分為同步電機和異步電機。同步電機主要用作發(fā)電機，而異步電機主要用作電動機。所謂同步電機即指電機的轉速為同步轉速（恒定值N0=60f/p），而異步電機即指電機的轉速不同于同步轉速（非恒定值）。

同步發(fā)電機的工作原理圖第4頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)電機主要有定子和轉子兩部分，定、轉子之間有氣隙，原理如上圖所示。定子上有AX、BY、CZ三相繞組，它們在空間上彼此相差120°電角度，每相繞組的匝數(shù)相等。轉子磁極（主極）上裝有勵磁繞組，由直流勵磁，其磁通方向從轉子N極出來，經(jīng)過氣隙、定子鐵芯、氣隙，再進入轉子S極而構成回路，如圖中的虛線所示。用原動機拖動發(fā)電機沿逆時針方向旋轉，則磁力線將切割定子繞組的導體，由電磁感應定律可知，在定子導體中就會感應出交變的電勢，即

Bm為正弦波磁密的最大值，l為磁力線切割導體的長度，v為磁力線切割導體的線速度，ω＝2πf，f為電勢的頻率。由于發(fā)電機定子三相繞組在物理空間布置上相差120°，那么轉子磁場的磁力線勢必將先切割A相繞組，再切割B相，最后切割C相。因此，定子三相感應電勢大小相等，在相位上彼此互差120°電角度。第5頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果某發(fā)電機有p對極，轉子每分鐘轉數(shù)為n，則轉子每秒鐘旋轉n/60轉，那么感應電勢將每秒交變（pn/60）次，即頻率為。由于汽輪發(fā)電機的極對數(shù)為1，所以n＝3000r/min情況下，f＝50Hz。2、磁場與磁勢交流發(fā)電機的磁通分為兩部分，一部分與定、轉子繞組同時交鏈，稱為氣隙磁通，是電機進行機電能量轉換的媒介；另一部分僅與定子繞組或僅與轉子繞組相交鏈，稱為漏磁通。氣隙磁通的路徑是：從定子磁軛經(jīng)過定子齒、空氣隙到轉子，再經(jīng)過空氣隙、定子齒回到定子磁軛，形成閉合磁路。氣隙磁通可由定子磁勢建立，也可由轉子磁勢建立。當發(fā)電機中的定、轉子繞組中都有電流時，則由定、轉子磁勢共同建立。1）同步發(fā)電機空載運行當同步發(fā)電機被原動機拖動到同步轉速時，轉子繞組中通入直流勵磁電流而定子繞組開路時，稱為空載運行。空載定子電樞電流為零，電機氣隙中只有轉子電流（勵磁電流）If單獨產(chǎn)生的磁勢Ff和磁場，稱為勵磁磁勢和勵磁磁場。既交鏈轉子又經(jīng)過氣隙交鏈定子的磁通稱為主磁通，即空載時的氣隙磁通（Φ0），或稱勵磁磁通。而只交鏈勵磁繞組而不與定子繞組相鏈磁通稱為漏磁通（Φfσ），它不參與電機之間的能量轉換過程。第6頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月當轉子以同步轉速n1旋轉時，主磁通切割定子繞組感應出頻率為f=（pn/60）的三相基波電勢，其有效值為：。這樣，改變勵磁電流If就可以改變主磁通Φ0，空載電勢E0值也將改變。從磁路計算公式可知，當一臺電機的各段鐵芯和氣隙的尺寸以及鐵芯的材料決定后，它的磁性特性也就確定不變了。同步發(fā)電機空載時的時－空矢量圖第7頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月上圖為同步發(fā)電機空載時的時－空矢量圖，F(xiàn)f1為勵磁磁勢的基波，Bf1為氣隙磁通密度的基波，兩者同相位，其正波幅均處于轉子直軸正方向上，且與轉子一起以同步轉速（ω1＝2πf）旋轉。由磁通密度波Bf1與定子任一相相交鏈的磁通量是一時間變量，用Φ0表示，由Φ0感應于該相的電勢用E0表示，相量E0滯后于Φ090°。2）同步發(fā)電機對稱負載運行當定子接上對稱的負載后，這時在負載電流產(chǎn)生了第二個磁勢——電樞磁勢。電樞磁勢與勵磁磁勢相互作用形成負載時氣隙中的合成磁勢并建立負載時的氣隙磁場，因此，所謂對稱負載時的電樞反應，即對稱負載時電樞磁勢的基波對主極磁場基波的影響。由對稱三相繞組中流過的三相對稱負載電流所產(chǎn)生的電樞磁勢的基波是一個旋轉磁勢，其轉速n=60f/p，以f=pn1/60代入則n=n1，即電樞磁勢基波的轉速與勵磁磁勢的轉速（電機轉子轉速）一定相等，且兩者的轉向一致。由此可見，電樞磁勢基波與勵磁磁勢同轉速、同轉向，彼此在空間上始終保持相對靜止的關系。正是由于這種相對靜止，才使它們之間的相互關系保持不變，從而共同建立數(shù)值穩(wěn)定的氣隙磁場和產(chǎn)生平均電磁轉矩，實現(xiàn)機－電能量轉換。這種“定、轉子磁勢相對靜止”是一切電磁感應電機能夠正常運行的基本條件。第8頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)電機本體結構1、發(fā)電機基本構成

發(fā)電機結構原理圖第9頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)電機剖視圖第10頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月汽輪發(fā)電機主要由定子、轉子、端蓋和軸承等部件組成，具體的發(fā)電機結構見上圖

發(fā)電機定子發(fā)電機定子主要由機座、定子鐵芯、定子繞組、端蓋等部分組成。

機座是用鋼板焊成的殼體結構，它的作用主要是支持和固定定子鐵芯和定子繞組。此外，機座可以防止氫氣泄漏和承受住氫氣的爆炸力。

端蓋是發(fā)電機密封的一個組成部分，結構如圖1－13所示。為了安裝、檢修、拆裝方便，端蓋由水平分開的上下兩半構成，并設有端蓋軸承。在端蓋的合縫面上還設有密封溝，溝內(nèi)充以密封膠以保證良好的氣密。發(fā)電機端蓋軸承結構圖第11頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月軸瓦采用橢圓式水平中分面結構，軸瓦外園的球面形狀保證了軸承有自調(diào)心的作用。在轉軸穿過端蓋處的氫氣密封是依靠油密封的油膜來保證。密封瓦為銅合金制成，內(nèi)圓與軸間有間隙，裝在端蓋內(nèi)圓處的密封座內(nèi)。密封瓦分成四塊，在徑向和軸向均有卡緊彈簧箍緊，盡管密封瓦在徑向可以隨軸一起浮動，但在密封座上下均有銷子可以防止它切向轉動。密封油經(jīng)密封座和密封瓦的油腔流入瓦和軸之間的間隙沿徑向形成油膜以防止氫氣外泄，在勵端油密封設有雙層對地絕緣以防止軸電流燒傷轉軸。在機殼和定子鐵芯之間的空間是發(fā)電機通風（氫氣）系統(tǒng)的一部分。由于發(fā)電機定子采用徑向通風，將機殼和鐵芯背部之間的空間沿軸向分隔成若干段，每段形成一個環(huán)形小風室，各小風室相互交替分為進風區(qū)和出風區(qū)。這些小室用管子相互連通，并能交替進行通風。氫氣交替地通過鐵芯的外側和內(nèi)側，再集中起來通過冷卻器，從而有效地防止熱應力和局部過熱。機座隔振——定子彈性支撐為了減小由于轉子磁通對定子鐵芯的磁拉力引起的雙頻振動，以及短路等其它因數(shù)引起的定子鐵芯振動對機座和基礎的影響，在定子鐵芯和機座之間采用臥式彈性隔振結構。彈性隔振結構形式如下圖所示：在定位筋的背部裝彈簧板，彈簧板通過墊塊，用螺栓固定在定位筋的背部，彈簧板中部與機座內(nèi)的隔板相連，構成彈性隔振結構。第12頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月

機座彈性隔振結構第13頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月定子鐵芯定子鐵芯是構成發(fā)電機磁路和固定定子繞組的重要部件。為了減少鐵芯的磁滯和渦流損耗，定子鐵芯采用導磁率高、損耗小、厚度為0.5mm的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片沖制而成。每層硅鋼片由數(shù)張扇形片組成一個圓形，每張扇形片都涂了耐高溫的無機絕緣漆。沖片上沖有嵌放線圈的下線槽及放置槽楔用的鴿尾槽。扇形沖片利用定子定位筋定位，通過球墨鑄鐵壓圈施壓，夾緊成一個剛性圓柱形鐵芯，用定位筋固定在內(nèi)機座上。齒部是通過壓圈內(nèi)側的非磁性壓指來壓緊。邊段鐵芯涂有粘接漆，在鐵芯裝壓后加熱，使其粘接成一個牢固的整體，進一步提高鐵芯的剛度為了減少端部漏磁通在壓圈和邊段鐵芯中引起的發(fā)熱以及在端部鐵芯中的附加電氣損耗，在壓圈上裝有全銅屏蔽；邊端鐵芯為階梯狀以增加鐵芯內(nèi)園與轉子之間的氣隙；并在齒上沖有小槽。轉子繞組端部存在大量的漏磁通，另外，發(fā)電機運行時定子繞組在鐵芯端部也產(chǎn)生大量的漏磁通，這些漏磁通主要是垂直進入端部定子鐵芯，從而感應出垂直于軸向的渦流，引起鐵芯端部過熱。發(fā)電機在欠勵條件下運行時，定子繞組會產(chǎn)生更多的漏磁通，使鐵芯端部過熱更為嚴重。為了減少端部漏磁通在壓圈和邊段鐵芯中引起的發(fā)熱和在端部鐵芯中的附加電氣損耗，東方電機公司采取了以下措施：①鐵芯端部設計成階梯狀鐵芯孔兩端逐漸放大，這可以防止轉子漏磁通量過多聚集在定子鐵芯端部，而且可以使部分漏磁通轉變成垂直于定子軸線的徑向磁通，從而減少損耗降低端部過熱。②在轉子線圈端部采用非磁性護環(huán)通過勵磁繞組護環(huán)的去磁作用，增加了漏磁通的磁阻，從而減少了轉子端部漏磁通對定子鐵芯的影響。③在鐵芯端部表面，采用一塊銅防護板，既所謂的電屏蔽環(huán)第14頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月采用電屏蔽的目的是防止端部大部分軸向漏磁通穿過鐵芯。因為鐵芯端部采用階梯形后，壓圈處的漏磁會有所增加，利用漏磁通能在銅防護板內(nèi)產(chǎn)生的大量渦流，此渦流的方向?qū)⒆柚孤┐磐ù┻^。而銅與用作鐵芯端片的石墨鑄鐵相比，電阻率只有約1/5，根據(jù)磁穿透深度定律，損耗降到大約1/2，而且銅的導熱系數(shù)是石墨鑄鐵的5倍，因而，銅防護板不會出現(xiàn)過熱。④鐵芯端部壓圈和鐵芯端板（壓指）采用高電阻率、低導磁率材料這種材料增大了銅防護板和鐵芯間的磁阻，使漏磁通不易穿過鐵芯，高電阻率又使該部位渦流減小，故此部件也不會過熱。⑤在鐵芯端部扇形體上開槽由于在鐵芯端部扇形齒部開槽隙，使得渦流流動面積減少了約1/2，于是渦流損耗減小了約3/4。⑥冷卻風系統(tǒng)中，加強對端部的冷卻。定子繞組對于大型汽輪發(fā)電機主要采用三相雙層繞組，并采用短距分布式疊繞組，雙層繞組構成如下圖。在每個槽內(nèi)有上下兩個線圈邊，線圈的一個邊嵌在某個槽的下層，則另一邊則嵌在相隔y1槽（節(jié)距：一個線圈的有效邊在定子鐵芯上跨的槽數(shù)）的上層。采用雙層繞組可以很方便地把繞組型式設計成短距繞組。短距繞組具有改善電勢波形和節(jié)約材料的優(yōu)點。第15頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月注：疊繞組－各線圈的末邊均返回至鄰近的次一個線圈的起邊，整個繞組呈環(huán)環(huán)相疊的形象，稱為疊繞組

分布繞組－為了散熱，發(fā)電機定子繞組均勻分布在整個定子的內(nèi)表面上，稱為分布繞組

定子繞組的端部結構由嵌入鐵芯槽內(nèi)的絕緣線棒在端部聯(lián)結成的線圈，繞組端部為籃式結構，并且由引線環(huán)連接成固定的相帶。采用連續(xù)式F級環(huán)氧粉云母絕緣系統(tǒng)，表面有防暈處理措施。軸向可沿支架滑銷方向自由移動，減少由于負荷或工況變化而在定子繞組和支撐系統(tǒng)中引起的應力，滿足機組調(diào)峰運行的要求。在負載運行條件下，定子繞組會產(chǎn)生自感應渦流損耗，為減少這種損耗，定子線棒采用了羅貝爾換位形式。所謂換位，就是在線棒編織時，讓每根線棒沿軸向長度，分別處于槽內(nèi)不同高度的位置，這樣每根線棒的漏電抗相等，使每根導體內(nèi)電流均勻，減少直線及端部的橫向漏磁通在各股導體內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)流及附加損耗。第16頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月定子線棒由矩形的空心和實心股線混合編織而成，定子繞組就是通過空心股線中的水介質(zhì)來冷卻的。定子線棒端部的所有股線均焊接到水電接頭上，通過銅帶將兩根線棒水電接頭焊在一起形成電氣連接，構成一匝線圈；而所有空心股線中的冷卻水通過水電接頭的水路接至靠滑環(huán)端的匯流母管，并經(jīng)絕緣引水管進入線圈。在發(fā)電機的集電環(huán)端設有一條進水母管；在汽機端部設有一條出水母管。冷卻水流通道為單向型，即從集電環(huán)端流向汽機端。匯流母管是直接接地的，從線圈到匯流母管間的連接是采用單個加強型絕緣管，這種絕緣管設計上能夠受發(fā)電機的運行電壓，這就保證了線圈的對地絕緣。但對于這種結構，測量線圈絕緣卻是不方便的。1－槽底墊料；2－主絕緣；3－實心線；4－層間墊料；5－半導體彈性波紋板；6－空心線；7－傳動墊條；8－滑動楔塊；9－錐形楔銷第17頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月

側面有半導體彈性波紋板，徑向還用帶斜度的槽楔組合固定。定子繞組端部設有特殊的支撐系統(tǒng)，用浸膠滌玻繩綁扎固定在由玻璃鋼支架和綁環(huán)組成的端部固定件上，綁扎固定后進行烘焙固化，使整個端部在徑向和周向上為剛性固定，確保端部固有頻率遠離倍頻，避免運行中發(fā)生共振。軸向可沿支架滑銷方向，隨負載或工況變化而自由地移動，大大減少了由于負載或工況變化在繞組和支撐系統(tǒng)引起的應力，提高了機組運行的可靠性及滿足機組調(diào)峰運行的要求。發(fā)電機出線發(fā)電機各相和中性點出線均通過集電環(huán)端機座下部出線罩引出機座，在出線罩與定子外機座之間放置有密封墊以維持氣密性。出線罩板采用非磁性材料以減少定子電流產(chǎn)生的渦流損耗。出線罩板下方開有排泄孔以防止引線周圍積存油或水。第18頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月定子出線及氫冷回路如上圖所示。定子出線通過高壓絕緣套管穿出機殼外，套管由整體的陶瓷和銅導電桿組成，導電桿兩端鍍銀。過渡引線及出線套管均采用氫氣內(nèi)冷，套管上裝有電流互感器供測量和保護用。氫氣從銅導電桿上端的進風口進入導電桿內(nèi)管，在底部轉入雙層銅管的環(huán)形空間，通過上部一特殊接頭排入過渡引線，再由固定過渡引線的空心磁套管排入出線罩的夾層風道后進入內(nèi)外端蓋間的低壓風區(qū)。測溫元件和出線板熱電阻：在定子繞組的每一相的最熱點埋設有檢溫計（R.T.D），測量繞組的溫度。而線棒溫度，采用每個槽內(nèi)上下層線棒間埋置的電阻檢溫計來測量。鐵芯溫度用埋置的熱電偶測量。此外，在冷卻器的進風區(qū)埋設有電阻檢溫計，以測量冷卻器的進出風溫。所有機內(nèi)的檢溫計均通過機座下部的接線端子板引出。熱電偶：由于發(fā)電機在欠勵運行時，定子端部部件的溫度會很高，這些部位均埋設熱電偶以測量溫度。在定子壓圈，銅屏蔽和鐵芯邊段齒部、軛部測量部位所安裝的熱電偶是銅－康熱電偶，其傳感部件焊在測點位置。定子線圈出水溫度，采用布置在出水接頭上的熱電偶測量。軸瓦溫度采用埋置在鎢金下的熱電偶測量。熱電偶的股線和保護套之間的間隙用陶瓷物質(zhì)填充，使股線與外層空氣隔絕，并可避免熱電偶在空氣中和高溫下被腐蝕。熱電偶引線（玻璃絲包股線）被引至測溫端子箱的出線板上。第19頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)電機轉子1）轉子本體發(fā)電機轉子是由一根整體合金鋼鍛件加工而成，在轉子本體上徑向地開有許多縱向槽用于安裝轉子繞組，同時作為磁路。轉子繞組在槽內(nèi)由鋁合金和鋼槽楔緊固以抵御離心力。這種磁性和非磁性兩種槽楔的應用能夠保證合理的磁通分布。這些槽楔均楔入了轉子槽口處的鴿尾槽內(nèi)。轉子大齒上加工橫向槽（即月牙槽），用于均衡大、小齒方向的剛度，以避免由于它們之間的較大差異而產(chǎn)生倍頻振動。2）轉子繞組

轉子繞組由高強度含銀銅線制成，具有較高的抗蠕變能力，從而提高了發(fā)電機承擔調(diào)峰負荷的能力。為防止由于離心力的作用，對轉子繞組端部產(chǎn)生破壞，轉子線圈放入槽內(nèi)后，槽口用鋁合金槽楔和鋼槽楔固緊，以抵御轉子高速旋轉產(chǎn)生的離心力。非磁性槽楔和磁性槽楔的應用，保證了合理的磁通分布。采用了高強度、非磁性合金鋼鍛件加工而成的護環(huán)，熱套在轉子本體兩端，采用懸掛式嵌裝，一端與轉子本體熱套配合，另一端為懸掛式。轉子繞組與護環(huán)之間采用模壓的絕緣環(huán)絕緣。為了隔開和支撐端部線圈，限制它們之間由于溫差和離心力引起的位移，端部繞組間隔塊放置了模壓的環(huán)氧玻璃布絕緣塊。3）轉子引線和集電環(huán)通過轉子引線與集電環(huán)以及電刷裝置，可以給發(fā)電機提供額定出力及強勵時所需的勵磁電流。轉子電流通過電刷通入熱套在轉子外伸端的集電環(huán)，再通過與集電環(huán)相聯(lián)接的徑向和軸向?qū)щ娐輻U傳到轉子繞組。導電螺桿用高強度和高導電率的銅合金制成。導電螺桿與轉軸之間有密封結構以防漏氫。第20頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月集電環(huán)用耐磨合金鋼制成，是一對帶溝槽的鋼環(huán)，經(jīng)絕緣后熱套在轉子軸上的。在集電環(huán)與轉軸之間設有絕緣套筒。集電環(huán)上加工有軸向和徑向通風孔。表面的螺旋溝可以改善電刷與集電環(huán)的接觸狀況，使電刷之間的電流分配均勻。兩集電環(huán)間設有同軸離心式風扇以冷卻集電環(huán)和電刷。4）護環(huán)、中心環(huán)、阻尼環(huán)