透平发电机

电气产品

透平发电机，由汽轮机或燃气轮机驱动的发电机。与锅炉、汽轮机合称火电厂的三大主机。现代的透平发电机都是三相交流同步发电机，它利用电磁感应原理，将汽轮机或燃气轮机的机械能变为电能输出。

工作原理

透平发电机有旋转和静止两部分，都嵌有由很多按一定方式排列连接的线圈组成的绕组。一般是在旋转的转子上的励磁绕组通人直流电流，在转子外周产生接近正弦分布的励磁磁场，它的大部分磁通穿过气隙与静止的定子电枢绕组相交链。当原动机驱动转子以一定速度旋转时，在定子电枢绕组内就感应出基本上按时间的正弦函数变化的交流电动势。定子绕组的线圈分三个相带排列，一个线圈代表一个相带；每个相带的匝数相等，三个相带在每对磁极空间的位置彼此相差120。，所以感应出大小相等的三相交流电动势。在时间上相位也各相差120。。定子绕组的出线端接通三相对称负载以后，定子绕组内就产生彼此相位相差120。的三相电流。这三相电流也产生一种磁场，与转子磁场以同步转速旋转，此磁场改变了原来转子励磁磁场所产生的气隙磁通，使转子励磁电流需要增加(电感性负载电流)或减少(电容性负载电流)，以维持定子绕组输出端的额定电压。同时电枢电流与气隙磁通相作用所产生的电磁力和电磁力矩，对转子的旋转起制动作用。原动机需要增加机械转矩，使转子转速维持在额定频率的同步转速。这样就将机械能通过电磁作用转变成电能。

结构

透平发电机由转子和定子两大部分组成。转子通常为隐极式，由轴伸及具有下线槽的细长圆柱形本体段、励磁绕组、槽楔、护环、中心环、风扇等组成。励磁绕组嵌放在转子本体段的槽内。空气或氢气外冷的绕组导线用扁铜线组成；氢内冷的绕组直线部分有的用扁铜线，中央铣有长方形孔，或在两侧铣出凹口作通风道；有的用凹形铜线，并在轴中央段钻有径向孔形成通风通道。氢内冷的绕组端部多用凹形铜线形成通风道，并在侧面钻有进风口和出风口，形成通风通道。空内冷的绕组有的采用空心扁铜线的通风冷却结构。水内冷绕组则采用空心铜线。励磁绕组嵌人槽内后。打入槽楔，将绕组紧固在槽内。励磁绕组的端部靠护环保护，护环一端热套紧固在转子本体上，另一端固定在中心环上。转子本体和轴是一整体锻件，多用高强度和高导磁率的Cr—Ni—Mo—V合金钢锻压而成。转子本体圆周上大约有2//3左右开有若干轴向槽，励磁绕组就嵌入这些槽内。转轴两端装有风扇，使冷却用的空气或氢气在机内循环。轴伸部分由轴承支承，轴两端分别与汽轮机(或燃气轮机)和励磁机相连接。

定子由电枢绕组、铁芯以及机座和端盖等组成。电枢绕组嵌放在定子铁芯的槽内，每相绕组由若干线圈串联而成，每个线圈通常由两根嵌入铁芯槽内的线棒在端部焊接而成。线棒的导线由多股绝缘扁铜线组成。水内冷的线棒除绝缘扁铜线外还有空心铜线，而氢内冷的线棒除绝缘扁铜线外还有空心反磁钢管。线棒的主绝缘多采用环氧树脂粉云母带。定子铁芯呈圆筒状，由高导磁率、低损耗的硅钢片叠装而成，固定在机座的内圈。铁芯内圆周开有均匀分布的槽，是硅钢片叠装前冲出的。电枢绕组嵌进槽内，并用槽楔固定。有的铁芯沿轴向分段，段间由隔片组成径向通风道；有的采用轴向通风。整个铁芯两端用齿压板和压圈固定在机座内圈的定位筋上，使铁芯和机座联成一个整体。机座外壳与铁芯外圆周的空间内有环形中隔板．是通风回路的组成部分。机座两端有端盖封闭，构成一个密封循环通风系统。氢冷发电机采用端盖轴承。发电机引出线的瓷套管安装在靠励磁机一端的机座下部。

冷却系统和励磁系统是透平发电机必不可少的附属系统．大部分设备部件都布置在发电机外。但空冷发电机的空气冷却器布置在机座内或下部的封闭小室．而氢冷发电机的氢气冷却器通常布置在机座内部。无刷励磁系统的旋转整流器则安装在转子轴上，其他励磁系统则在转子轴上装有集电环，且另装有电刷及刷架。

为了提高透乎发电机承受负序电流的能力，并避免次同步谐振时的负阻尼，有些制造厂在转子槽楔下压有阻尼条，阻尼条两端接短路环，形成阻尼绕组。

发电机型式

透平发电机按转子磁极数分，有二极式和四极式两种；按转子轴数分，有单轴式和双轴式两种。

二极式、四极式透平发电机世界各国的电力系统采用两种工作频率．即50 Hz和60 Hz。透平发电机最少有两磁极，因此透平发电机最高转速是3000 r/min或3600 r/min，其转子都是圆柱体(即隐极式转予)。燃气轮机和小容量的汽轮机大多具有更高的转速，冈此要经减速齿轮与发电机连接。制造技术发展中期，大容量的汽轮机有两个轴系，各与一台发电机相连接，其第二轴系的汽轮机由于末级叶片长度的限制多采用半转速，即1500 r/min或1800 r/min，相连接的发电机就要有四磁极，称为四极式发电机。核电厂的大容量汽轮机也多采用半转速，其发电机也是四极式的。四极式发电机的离心力小，直径可以大些．因此转子轴和护环的材质要求比较低，转子临界转速比较高，动平衡问题比较容易解决；转子转动惯量大，对电力系统的动态稳定性有利；四极定子铁芯振动节点较多。不会产生倍频振型，毋需采取专门的机座隔振措施；由于励磁机匝数较少，转子绕组容易冷却；风损、铜损和定子端部附加损耗比较低，效率较高。四极式发电机的缺点是转子的锻造和加工要求较大规格的设备，新态电抗比较高，对鹿力系统的稳定性不利。

单轴、双轴透平发电机大容量的透平发电机组有分成两个轴系的，称为双轴透平发电机。两轴系的丽台发电机在出线端并联连接作为一组发电机运行，第二轴系的转速大多数是半转速，也有采用全转速的。20世纪70年代以来，大多数透平发电机采用单轴系结构，以节省制造j[作量和材料消耗量。火电厂的单轴二极式透平发电机单机容量最大的是1200 MW，双轴的双机总容量最大的是1300 MW，核电厂单轴四极式透平发电机的单机容量最大已达1500 MW（1650MV·A）。

发电机冷却方式

透平发电机采用的冷却介质和冷却方法的组合。以何种冷却介质和何种冷却方法将透平发电机定子绕组、转予绕组和铁芯内由电磁损耗以及机械损耗产生的热量带走，一直是个重要的技术问题，它决定发电机大部分主要部件的基本结构，并与发电机的重最、材料利用、可能制造的最大单机容量以及运行可靠性有密切的关系。在转子锻件性能和尺寸一定的条件下．改进冷却方式是提高发电机单机容量的主要途径。

发展简史

从空气表面冷却到导体内部用氢或水直接冷却，每一次冷却技术的突破都是发电机发展史上的一个里程碑。最初的发电机是用空气表面冷却的。

1937年美国通用电气(General Electric，GE)公司首次制造了氢气表面冷却的发电机，1951年美国阿里斯查摩(Allis Chalmers，AC)公司制造了第一台60 MW转子氢内冷的发电机，1956年英国茂伟(Metropolitan Vickers，MV)公司制造了第一台30MW定子线圈用水在内部直接冷却的发电机，1 958年中国上海电机厂制成了第一台定子和转子绕组都用水在内部直接冷却的12 MW双水内冷透平发电机。此后上海电机厂生产的50 MW、60 MW、125 MW、300 MW透平发电机也采用这种冷却方式。1966年德国开始试制一台100 MV·A的双水内冷发电机．其后瑞典、瑞士相继制造大型的双水内冷发电机，单机容量已达1300 MW(四极半速发电机)。

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