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摘 要： 阐述：1）通过电磁计算确定发电机的主要电气参数；2）确定发电机的结构；3）根据试验结果，与现有类似产品及标准要求的性能进行对比，性能优良。
关键词： 空冷汽轮发电机；电磁计算；产品设计；性能对比
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110008-02
0 前言
随着市场对QF-8～10-2发电机产品的需求，原有的QF-6～7-2及QF-12～15-2系列发电机已不能适应市场的要求，在此情况下，研制了QF-9-2 10.5kV空冷汽轮发电机以填补公司产品的空白，并以该产品为基础，开发出QF-8～10-2系列空冷汽轮发电机。
本文对QF-9-2 10.5kV空冷汽轮发电机设计中的一些问题进行了研究，主要包括以下内容：
1）通过电磁计算确定了发电机的主要电气参数。
2）确定了发电机的结构。
3）根据试验结果，与现有类似产品及标准要求的性能进行对比。
1 总体方案的确定
用户提出的发电机型号为：QF-9-2 10.5kV，QF代表静止励磁空冷汽轮发电机，9代表额定功率9MW，2代表2极，10.5kV代表电压等级。电磁计算输入一般需要确定定子铁心，定子绕组，转子大体，转子绕组等数据，输出要注意定子电密J1，转子电密J2，定子线负荷AS1，定子铁心齿中的磁通密度B，定子绕组的最高温升@Cu1，转子绕组的平均温升@Cu2等数据处于合理范围内，纵轴超瞬变电抗Xd″，满负荷效率N%等满足国标的要求。利用电磁计算公式（电指DZ28）编制的程序进行调试，直到得到合理结果。
调试完成后得到的发电机技术数据
1）型号：QF-9-2 10.5kV 2）额定容量：11.25MVA
3）额定功率：9MW 4）功率因数：0.8
5）频率（±2%）：50Hz 6）额定电压（±5%）：10.5kV
7）额定电流：619A 8）额定转速：3000转/min
9）空载励磁电流：86A 10）空载励磁电压 （15℃） ：38V
11）满载励磁电流：221A 12）满载励磁电压（130℃）：146V
13）短路比：0.56 14）定子绕组直流电阻（75℃）：0.0355Ω/相
15）转子绕组直流电阻（75℃）：0.5535Ω 16）纵轴同步电抗（Xd）：195%
17）纵轴瞬变电抗（Xd′）：20.8% 18）纵轴超瞬变电抗 （Xd″）：12.8%
19）逆序电抗（X2）：15.6% 20）零序电抗 （X0）：6.2%
21）定子漏抗（Xe）：10.3% 22）发电机效率：97.4%
23）定子开路时转子绕组的时间常数（Td0）：8.1s
24）定子三相短路时的电流瞬变分量时间常数（Td3′）：0.87s
25）定子三相短路时的电流超瞬变分量时间常数（Td3"）：0.11s
2 结构介绍
QF-9-2 10.5kV空冷汽轮发电机主要由定子、转子、轴承和空气冷却器等部件组成。
2.1 定子
定子由机座、定子铁心和定子绕组组成。其中发电机机座为钢板焊接，结构轻巧坚固。定子铁心采用高导磁、低损耗优质硅钢片50W350冲制叠压而成，通过其背部定位筋和端部压圈拉紧固定，按不同风区轴向分成不同宽度的铁芯段，使整个铁芯上的温度分布均匀，端部设计有阶梯结构，并在齿上开有窄槽，压圈、压指等采用非磁性材料，在端部形成了良好的漏磁屏蔽，降低附加损耗，提高了发电机在非正常工况下的运行能力。与QF-12-2 10.5kV发电机相比，定子铁心缩短200，重新进行分档，定子铁心内外径不变，扇形片槽数变多，槽形变小。定子线圈需要重新出图，设计为双层叠绕组，由多股玻璃丝包扁铜线（SBEB2.24×14-20/155）迭成，桐马粉云母带连续包扎模压成型，表面选用不同阻值的防晕带进行防晕处理。该发电机定子线棒采用多胶模压工艺，线棒端部渐开线和爪子的弯形及主绝缘的包扎、模压、固化等是制造的难题。新设计的定子线圈锥体模较好地解决了以上问题，保证了线圈的制造精度和质量。
2.2 转子
转子采用34CrMo1A优质合金钢锻件，其上加工有轴向槽用以嵌装转子线圈。转子线圈由冷拉扁铜线绕制。转子两端装有离心式风扇，护环采用50Mn18Cr5反磁钢材料，悬挂式结构。转子槽楔采用硬铝材料，提高了耐受负序电流的能力。转子槽绝缘和匝间绝缘采用OMO复合材料，减薄了绝缘厚度，提高了槽满率和匝间绝缘的可靠性，改善了冷却效果。转子轴的励端有一个中心轴向孔，延伸至转子绕组端部下方，内装两个半圆铜导线，用于提供励磁电流。发电机转子汽端通过接地电刷直接接地，励端采用绝缘轴承，有效阻断了轴电流，减少了电气腐蚀。
2.3 座式轴承
静止励磁汽轮发电机在励端有一个座式滑动轴承，发电机轴承为压力油循环的座式轴承，轴承上装有可自动调心的球面轴瓦，轴瓦材料为ChSnSb11-6巴氏合金。
2.4 空气冷却器
空气冷却采用挤片式或穿片式空气-水冷却器，共4组，换热容量为360kW，放置在定子下部的风道中。
3 性能对比
3.1 与现有类似产品的对比分析
与已有的容量相近的QF-7-2 10.5kV，QF-12-2 10.5kV汽轮发电机进行对比，如下表所示。
3.2 与标准中的规定指标对比
GB/T7064《透平型同步电机技术要求》；JB/T56082《汽轮发电机质量分等》。
由表中数据可知，QF-9-2 10.5kV发电机在效率、温升等指标上均优于已有的近似类型发电机产品，达到了标准中规定的优等品水平。
4 总结
QF-9-2 10.5kV静止励磁空冷汽轮发电机设计中力求结构安全可靠，使用维护方便，制造工艺合理。在满足产品性能和结构要求的前提下，尽量采用本厂已有工装设备及材料，以降低产品造价和制造周期，可借用QF-12-2 10.5kV汽轮发电机的许多部件。QF-9-2 10.5kV静止励磁汽轮发电机设计时预留了合理的裕度，可考虑超发，设计中充分考虑产品的系列化、标准化和通用化，提高设计的继承性，目前在QF-9-2 10.5kV发电机的基础上已开发出QF-8-2 10.5kV、QF-10-2 10.5kV、QF-8-2 6.3kV、QF-9-2 6.3kV、QF-10-2 6.3kV等系列电机，每年生产五十台以上的产品，产生了可观的经济效益。
“QF-8～10-2系列空冷汽轮发电机”获山东省监狱管理局科技进步三等奖。
参考文献：
[1]陈世坤，电机设计，北京：机械工业出版社，2000.
[2]汪耕、李希明，大型汽轮发电机设计、制造与运行，上海：上海科学技术出版社，2000.
[3]李隆年、电机技术，北京：清华大学出版社，1992.
作者简介：
董江伟（1981-），男，汉族，山东济南人，本科，2004年山东大学电气工程学院毕业，工程师，2004年参加工作，主要从事发电机研究；荆中金（1981-），男，汉族，山东济南人，研究生，2008年山东大学电气工程学院毕业，工程师，2008年参加工作，主要从事发电机研究；龙国强（1981-），男，汉族，山东济南人，本科，2004年哈尔滨理工大学电气学院毕业，工程师，2004年参加工作，曾从事发电机研究，现主要从事汽轮机研究。
关键词： 空冷汽轮发电机；电磁计算；产品设计；性能对比
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110008-02
0 前言
随着市场对QF-8～10-2发电机产品的需求，原有的QF-6～7-2及QF-12～15-2系列发电机已不能适应市场的要求，在此情况下，研制了QF-9-2 10.5kV空冷汽轮发电机以填补公司产品的空白，并以该产品为基础，开发出QF-8～10-2系列空冷汽轮发电机。
本文对QF-9-2 10.5kV空冷汽轮发电机设计中的一些问题进行了研究，主要包括以下内容：
1）通过电磁计算确定了发电机的主要电气参数。
2）确定了发电机的结构。
3）根据试验结果，与现有类似产品及标准要求的性能进行对比。
1 总体方案的确定
用户提出的发电机型号为：QF-9-2 10.5kV，QF代表静止励磁空冷汽轮发电机，9代表额定功率9MW，2代表2极，10.5kV代表电压等级。电磁计算输入一般需要确定定子铁心，定子绕组，转子大体，转子绕组等数据，输出要注意定子电密J1，转子电密J2，定子线负荷AS1，定子铁心齿中的磁通密度B，定子绕组的最高温升@Cu1，转子绕组的平均温升@Cu2等数据处于合理范围内，纵轴超瞬变电抗Xd″，满负荷效率N%等满足国标的要求。利用电磁计算公式（电指DZ28）编制的程序进行调试，直到得到合理结果。
调试完成后得到的发电机技术数据
1）型号：QF-9-2 10.5kV 2）额定容量：11.25MVA
3）额定功率：9MW 4）功率因数：0.8
5）频率（±2%）：50Hz 6）额定电压（±5%）：10.5kV
7）额定电流：619A 8）额定转速：3000转/min
9）空载励磁电流：86A 10）空载励磁电压 （15℃） ：38V
11）满载励磁电流：221A 12）满载励磁电压（130℃）：146V
13）短路比：0.56 14）定子绕组直流电阻（75℃）：0.0355Ω/相
15）转子绕组直流电阻（75℃）：0.5535Ω 16）纵轴同步电抗（Xd）：195%
17）纵轴瞬变电抗（Xd′）：20.8% 18）纵轴超瞬变电抗 （Xd″）：12.8%
19）逆序电抗（X2）：15.6% 20）零序电抗 （X0）：6.2%
21）定子漏抗（Xe）：10.3% 22）发电机效率：97.4%
23）定子开路时转子绕组的时间常数（Td0）：8.1s
24）定子三相短路时的电流瞬变分量时间常数（Td3′）：0.87s
25）定子三相短路时的电流超瞬变分量时间常数（Td3"）：0.11s
2 结构介绍
QF-9-2 10.5kV空冷汽轮发电机主要由定子、转子、轴承和空气冷却器等部件组成。
2.1 定子
定子由机座、定子铁心和定子绕组组成。其中发电机机座为钢板焊接，结构轻巧坚固。定子铁心采用高导磁、低损耗优质硅钢片50W350冲制叠压而成，通过其背部定位筋和端部压圈拉紧固定，按不同风区轴向分成不同宽度的铁芯段，使整个铁芯上的温度分布均匀，端部设计有阶梯结构，并在齿上开有窄槽，压圈、压指等采用非磁性材料，在端部形成了良好的漏磁屏蔽，降低附加损耗，提高了发电机在非正常工况下的运行能力。与QF-12-2 10.5kV发电机相比，定子铁心缩短200，重新进行分档，定子铁心内外径不变，扇形片槽数变多，槽形变小。定子线圈需要重新出图，设计为双层叠绕组，由多股玻璃丝包扁铜线（SBEB2.24×14-20/155）迭成，桐马粉云母带连续包扎模压成型，表面选用不同阻值的防晕带进行防晕处理。该发电机定子线棒采用多胶模压工艺，线棒端部渐开线和爪子的弯形及主绝缘的包扎、模压、固化等是制造的难题。新设计的定子线圈锥体模较好地解决了以上问题，保证了线圈的制造精度和质量。
2.2 转子
转子采用34CrMo1A优质合金钢锻件，其上加工有轴向槽用以嵌装转子线圈。转子线圈由冷拉扁铜线绕制。转子两端装有离心式风扇，护环采用50Mn18Cr5反磁钢材料，悬挂式结构。转子槽楔采用硬铝材料，提高了耐受负序电流的能力。转子槽绝缘和匝间绝缘采用OMO复合材料，减薄了绝缘厚度，提高了槽满率和匝间绝缘的可靠性，改善了冷却效果。转子轴的励端有一个中心轴向孔，延伸至转子绕组端部下方，内装两个半圆铜导线，用于提供励磁电流。发电机转子汽端通过接地电刷直接接地，励端采用绝缘轴承，有效阻断了轴电流，减少了电气腐蚀。
2.3 座式轴承
静止励磁汽轮发电机在励端有一个座式滑动轴承，发电机轴承为压力油循环的座式轴承，轴承上装有可自动调心的球面轴瓦，轴瓦材料为ChSnSb11-6巴氏合金。
2.4 空气冷却器
空气冷却采用挤片式或穿片式空气-水冷却器，共4组，换热容量为360kW，放置在定子下部的风道中。
3 性能对比
3.1 与现有类似产品的对比分析
与已有的容量相近的QF-7-2 10.5kV，QF-12-2 10.5kV汽轮发电机进行对比，如下表所示。
3.2 与标准中的规定指标对比
GB/T7064《透平型同步电机技术要求》；JB/T56082《汽轮发电机质量分等》。
由表中数据可知，QF-9-2 10.5kV发电机在效率、温升等指标上均优于已有的近似类型发电机产品，达到了标准中规定的优等品水平。
4 总结
QF-9-2 10.5kV静止励磁空冷汽轮发电机设计中力求结构安全可靠，使用维护方便，制造工艺合理。在满足产品性能和结构要求的前提下，尽量采用本厂已有工装设备及材料，以降低产品造价和制造周期，可借用QF-12-2 10.5kV汽轮发电机的许多部件。QF-9-2 10.5kV静止励磁汽轮发电机设计时预留了合理的裕度，可考虑超发，设计中充分考虑产品的系列化、标准化和通用化，提高设计的继承性，目前在QF-9-2 10.5kV发电机的基础上已开发出QF-8-2 10.5kV、QF-10-2 10.5kV、QF-8-2 6.3kV、QF-9-2 6.3kV、QF-10-2 6.3kV等系列电机，每年生产五十台以上的产品，产生了可观的经济效益。
“QF-8～10-2系列空冷汽轮发电机”获山东省监狱管理局科技进步三等奖。
参考文献：
[1]陈世坤，电机设计，北京：机械工业出版社，2000.
[2]汪耕、李希明，大型汽轮发电机设计、制造与运行，上海：上海科学技术出版社，2000.
[3]李隆年、电机技术，北京：清华大学出版社，1992.
作者简介：
董江伟（1981-），男，汉族，山东济南人，本科，2004年山东大学电气工程学院毕业，工程师，2004年参加工作，主要从事发电机研究；荆中金（1981-），男，汉族，山东济南人，研究生，2008年山东大学电气工程学院毕业，工程师，2008年参加工作，主要从事发电机研究；龙国强（1981-），男，汉族，山东济南人，本科，2004年哈尔滨理工大学电气学院毕业，工程师，2004年参加工作，曾从事发电机研究，现主要从事汽轮机研究。