哈尔滨大电机研究所。

李文君。

《大型汽轮发电机励磁系统技术条件(DL\T 843-2010)》由中国电力出版社出版。

随着国民经济的发展，对汽轮发电机的需求不断上升。汽轮发电机内部温升直接关系到机组的性能和经济指标，同时还影响发电机的寿命和运行的可靠性。汽轮发电机温升计算是汽轮发电机设计的最主要内容之一。电机冷却的根本任务在于散发掉电机内部损耗产生的热量，使电机各部温升维持在标准范围内。大量应用氢冷电机来满足日益增长的市场需求已经成为一种趋势，对冷却电机的设计及研究的投入显著增加。许多外文文献都曾分析了汽轮发电机的流场及温度场。

以某工厂正在研制开发的AP1000水氢氢冷却四极汽轮发电机定子作为研究对象，对汽轮发电机内的温度场进行研究。根据该大型水氢氢冷汽轮发电机定子内冷却介质的流动特性和电机通风冷却系统的特点建立电机三维流场模型，通过对计算域内的模型求解，得到发电机内发热部件的温度分布情况，确定电机定子内冷却介质的最高温升位置；根据以上各计算结果，着重分析了电机的主要固体部件，铜线圈、铁心、磁屏蔽、压板的温度分布规律。

四极汽轮发电机数学模型

电机内的流体视为不可压缩流体，流体的流动处于湍流状态.流动要受到质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制约。湍流流动过程中，实际计算常用方法是瞬态N－S方程。在此基础上补充湍流的脉动动能方程和湍流动能耗散方程。其中应用较多的是标准的k－ε两方程标准模型，选用标准k－ε两方程标准模型，单位质量的脉动动能耗散率的定义为：

四极汽轮发电机物理模型和求解条件

1.物理模型

发电机定子有48个槽，在周向结构是重复的，转子有32个槽，为了与转子的一个槽建立对应的结构关系，建立整机机组1/32圆周结构的定子、转子和气隙的三维模型。其中定子部分包含压板、磁屏蔽、定子铁心和线圈，求解物理模型如图4所示。

2.基本假设和边界条件

（1）基本假设：

①忽略重力和浮力对流体的影响；

②电机内流场中，流体流速远小于声速，即马赫数(Ma数)很小，故把流体作为不可压缩粘性流体处理；

③流体的流动为定常流动状态，由于电机中流体的雷诺数很大，属于紊流，因此采用紊流模型对电机内流场进行求解；

④线圈主绝缘、层间绝缘各自的材料物性均相同；

⑤电机内各固体部件之间完全接触，热源密度按照损耗平均分布考虑；

⑥定子线圈的热物理性质参数认为都是相同的，定子空心线圈中冷却水带走的热损耗相同。

（2）边界条件：

①材料物性参数为常数，铁心轴向、周向和径向三个方向的导热系数不相同，系数分别为:1.5W/(m·K)、26W/(m·K)、30W/(m·K)，铜线圈的导热系数为387.6W/(m·K)，绝缘材料的导热系数为0.3W/(m·K)；

②压强设置与计算流场时压力设置相同，定子铁心端部风室的氢气入口温度为318K，定子线圈入口水温为318K；

③磁屏蔽外表面设置对流边界，其余内部流体与固体壁面的交界处采用耦合对流边界，对流系数由耦合计算自动获得；

④各个部件的热源强度由厂方给出的损耗数据进行换算之后得到。

四极汽轮发电机求解结果及分析

1.定子磁屏蔽压板、齿压板温度场分析

用来固定磁屏蔽及定子铁心的磁屏蔽压板和齿压板，其物理属性与定子铁心轭部、齿部材料设置相同。压板本身没有热量产生，但是在磁屏蔽及定子铁心温度的共同作用下，压板会有一定程度的温升，其温度场示意图如图5所示。

在设置齿压板的顶端与磁屏蔽外表面边界条件时，考虑到压板外表面是有气流的冷却作用因此设置为对流换热边界条件。

由图2中颜色分布的情况可以明显的看出外表面受氢气冷却的作用，温度较低;而压板内侧直接与温度较高的磁屏蔽接触，温度有所上升，汽端温度最大值约为354K；由于氢气运动到励端时温度有所上升，换热温差有所减小，使得励端齿压板温度明显高于汽端齿压板温度，最大温度值约为368K；而励端外表面对流换热系数较汽端大，使得出现汽端磁屏蔽压板温度稍高于励端，最低温度值范围小于励端最低温度值范围。

2.定子磁屏蔽温度场分析

在定子里，发热量较大的为磁屏蔽部分和线圈。线圈是用冷却水冷却的，虽然单位发热量大，但单位换热量也大，因此线圈在定子中的温度并不是最高的;磁屏蔽相对体积小，发热量大，靠轴向和径向通风，可径向通风效果不好，冷却性能较低，因此磁屏蔽的温升较高。如图6所示。汽端磁屏蔽的最高温度约为362K，在较大直径处，此位置距离定子通风孔较远，冷却效果不佳.在靠近轴向通风孔区域，由于受到冷却介质的冷却作用，冷却效果明显，磁屏蔽温度相对较低。处于风路末端的磁屏蔽，氢气温度升高，冷却效果减弱，轴向通风附近的固体温度约为355K，明显高于汽端轴向通风部分的331K。励端磁屏蔽最高温度为383K，是在较小半径位置，此处离轴向风路相对较远，热量不能被及时带走，同时氢气的冷却效果也不好；试验测定的磁屏蔽最高温度值为385K，在误差允许的范围内，认为计算准确，通风冷却系统合理。

3.定子铁心温度场分析

由于热源强度的差别，在对温度场进行物理建模时，要将定子铁心分成轭部和齿部两部分，设置求解条件时分别进行设置。

定子铁心轭部温度场如图7所示，温度低的一端为汽端为319K，沿轴向温度逐渐增加，温度最高处是定子铁心励端靠近齿部部分为370K；定子铁心汽、励两端各有两个径向风路，冷却效果相对较好，图7中明显可以看出定子铁心轭部整体的平均温度不高；到达励端氢气由于温升的影响，冷却效果下降，同时轭部较小半径部位与齿部相连，因此看到图7中温度最高的位置。

定子铁心齿部温度场如图8所示，定子铁心齿部的温度走势与轭部的温度走势大致相同，汽端温度最低，沿轴向温度逐渐升高，励端温度最高，温度值约为372K。径向风路部分的温度值低于周围位置的温度值；由于齿部的热源强度相对较大，因此温度增加走势较快，大约在冷却气体行程1/3位置处速度已经开始大范围、大幅度增加。

4.定子线圈及冷却水温度分析

定子铜线圈采用水冷，空心线圈中水流速在2.06m/s～2.11m/s之间浮动。虽然定子铜线圈的热源强度很大，但是水的蓄热能力强，冷却效果很好，流经铜线圈的冷却水可以将大量的热及时带走，以此来保证铜线圈绝缘的温升不会过高。定子线圈由上层线圈和下层线圈组成，上层线圈的空心股线行数×列数为4×6，下层线圈的空心股线行数×列数为4×5，本机定子共有48个槽，模型是整机机组1/32，因此定子模型含有一个完整的定子槽和一个半个定子槽。由图9线圈入口截面温度场可知，入口处冷却水的温度值为318K，铜线圈的温度和冷却水的温度相近，温度值约为319 K。线圈出口截面温度场如图10所示，冷却水温度由入口向出口方向逐渐增加，温度在出口处达到最大值，最大值约为350K；铜线圈的温度分布与冷却水的温度分布相似，线圈的最低温度在励端，沿着水流方向铜线圈温度均匀增加，最高温度出现于汽端，温度值约为354K。

冷却水温度分布与铜线圈温度分布情况大致相同，但在数值上有细微的差别。图10所示可以明显看出出口水温与铜温度的差别，铜线圈的温度略高于冷却水的温度，使得铜线圈产生的热量不断的被冷却水带走，靠近空心线圈部分的冷却效果较好，使得该部分的温度要低于远离空心线圈的铜的温度，在远离空心线圈方向温度逐渐增加，但数值相差不大。

四极汽轮发电机结论

建立四极水氢氢冷汽轮发电机定子温度场模型，根据求解条件，计算得到冷却介质和固体部件的温度场分布如下：

1)定子汽端压板温度最大值约为354K；励端为气体行程末端，使得励端齿压板温度明显高于汽端齿压板温度，最大温度值约为368K，压板外侧为对流换热面，温度降低。

2)汽端磁屏蔽的最高温度值为362K，励端磁屏蔽的最高温度值为383K，设计方试验得到的磁屏蔽最高温度值为385K，误差在允许的范围内。

3)定子铁芯整体沿冷却气体行程逐渐升高，而齿部轴向温升较快；轭部温度场最高温度出现于冷却风路行程末端靠近齿部部分，温度值约为370K；齿部最高温度出现于径向风路前端，温度值约为372K。

4)定子中冷却水的最高温度出现于出口处，最高温度值为350K，与试验值353K的误差在允许的范围内；定子线圈的温度分布与冷却水的温度分布相似，最高温度值为354K，与试验值362K的误差在允许的范围内。 2100433B

火力发电厂或核能发电厂的汽轮发电机皆采用卧式结构，如图1所示，发电机与汽轮机、励磁机等配套组成同轴运转的汽轮发电机组。汽轮发电机最基本的组成部件是定子、转子、励磁系统和冷却系统。

定子

汽轮发电机的定子如图2所示，由定子铁芯、定子绕组、机座等部件组成。

(1)定子铁芯。定子铁芯是构成磁路并固定定子绕组的重要部件，通常由0.5mm或3.5mm厚、导磁性能良好的冷轧硅钢片叠压而成。大型汽轮发电机的定子铁芯尺寸很大，硅钢片冲成扇形，再用多片拼装成圆形。

(2)定子绕组。定子绕组嵌放在定子铁芯内圆的定子槽中，分三相布置，互成120°角度，以保证转子旋转时在三相定子绕组中产生互成120°相位差的电动势。每个槽内放有上下两组绝缘导体(亦称线棒)，每个线棒分为直线部分(置于铁芯槽内)和两个端接部分。直线部分是切割磁力线并产生感应电动势的导体有效边，线棒端接部分则起到连接作用，把相关线棒按照一定的规律连接起来，构成发电机的定子三相绕组。中、小型汽轮发电机的定子线棒均为实心线棒，而大型汽轮发电机由于散热的需要，多采用内部冷却的线棒，譬如由若干实心线棒和可通水的空心线棒并联组成。

(3)机座及端盖。机座的作用是支撑和固定发电机定子铁芯。机座一般用钢板焊接而成，必须有足够的强度和刚度，并能满足通风散热的要求。端盖的作用是将发电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构成发电机内部完整的通风系统。

转子

汽轮发电机的转子如图3所示，主要由转子铁芯、励磁绕组(转子绕组)、护环和风扇等组成，是汽轮发电机最重要的部件之一。由于汽轮发电机转速高，转子受的离心力很大，所以转子都呈细长形，且制成隐极式的，以便更好地固定励磁绕组。

(1)转子铁芯。发电机转子本体采用高强度、导磁性能良好的合金钢加工而成。沿转子本体表面轴向铣出用于放置励磁绕组的凹槽。槽的排列方式一般为辐射式，槽与槽之间的部分为齿，俗称小齿。未加工的部分通称大齿，大齿作为磁极的极身，是主磁通必经之路。

(2)励磁绕组。励磁绕组为若干个线圈组成的同心式绕组，线圈则用矩形扁铜线绕制而成。励磁绕组放在槽内后，绕组的直线部分用槽楔压紧，端部径向固定采用护环，轴向固定采用云母块和中心环。励磁绕组的引出线经导电杆连接到集电环上，再经过电刷引出。

(3)护环和中心环。汽轮发电机转速很高，励磁绕组端部承受很大的离心力，所以要用护环和中心环来紧固。护环把励磁绕组端部套紧，使绕组端部不发生径向位移和变形；中心环用以支持护环，并防止端部的轴向移动。

(4)集电环。集电环分为正、负两个集电环，由坚硬耐磨的合金锻钢制成，装于发电机转子的励磁端外侧。正、负两个集电环分别通过引线接到励磁绕组的两端，并借电刷装置引至发电机励磁系统上。

(5)风扇。风扇装于发电机转子的两端，用以加快气体在定子铁芯和转子部分的循环，提高冷却效果。

冷却系统

发电机运行时，其内部产生的各种损耗会转化为热能，引起发电机发热。尤其是大型汽轮发电机，因其结构细长，中部热量不易散发，发热问题更显得严重。如果发电机温度过高，会直接影响绝缘的使用寿命，因此冷却对于大型汽轮发电机是非常重要的问题。

励磁系统

励磁系统的主要作用是：

①发电机正常运转时，按主机负荷情况供给和自动调节励磁电流，以维持一定的端电压和无功功率的输出。

②发电机并列运行时，使无功功率分配合理。

③当系统发生突然短路故障时，能对发电机进行强励，以提高系统运行的稳定性。短路故障切除后，使电压迅速恢复正常。

④当发电机负荷突减时，能进行强行减磁，以防止电压过分升高。

⑤发电机发生内部故障，如匝间短路或转子发生两点接地故障时，能够对发电机自动减磁或灭磁。