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汽轮发电机的构造

Steam Turbine Generator Structure

这里介绍汽轮发电机的构造,由于发电机大小不同,结构也不相同,但主要部分的结构与功能相同,本课件就汽轮发电机的基本结构与组成进行介绍,为显示清楚,定子与转子槽数都较少,定子线圈外形按导线绕制的线圈绘制(不是用铜条或铜管连接成的线圈)。发电机主要部件结构则参考大中型汽轮发电机绘制。

发电机主要由转子与定子组成。汽轮发电机是同步发电机,由于汽轮机的转速很高,故汽轮发电机的转子只有一对磁极,在额定转速每分钟3000转时输出50赫兹的三相交流电。下面通过一个汽轮发电机模型来介绍汽轮发电机的基本构造与组成。

  • 转子

由于大型汽轮发电机转速高,转子磁极表面线速度达150m/s以上,离心力很大,故转子直径不能过大,大型发电机转子都为细长型。转子圆周上没有凸出的磁极,转子铁芯是一个在圆周上开有一些槽的圆柱,在圆周两侧各有一段槽距大的面称为大齿,就是磁极(图1所示),称之为隐极式转子。在槽中嵌有励磁绕组,隐极式转子将励磁绕组分成多个线圈,便于安装与加固。

励磁绕组两端通过集电环(滑环)接到励磁电源,在转子圆周两侧就形成北极与南极,旋转时就产生旋转磁场。

图1--隐极式转子示意图

图2是汽轮发电机定子铁芯与转子铁芯截面图,中部是转子铁芯,外部是定子铁芯,转子铁芯采用隐极式结构。为了显示清晰,本模型定子铁芯与转子铁芯设为较少的槽数。

图2--定子铁芯与转子铁芯截面

图3是放大的定子铁芯与转子铁芯截面图,两铁芯间有气隙。定子铁芯的内圆周有嵌放定子线圈的槽,在槽口两侧有固定槽楔的小槽,槽楔用途是压住定子线圈。转子铁芯的外圆周有嵌放转子线圈的槽,在槽口两侧有小槽,用来固定槽楔,在槽底有用于通风的槽。

图3--定子铁芯与转子铁芯截面局部图

转子铁芯与轴用高强度高磁导率的合金钢材整体制作,在转子铁芯部分有一些轴向与径向的孔隙,用来通风冷却。由于各种电机冷却方式不同,孔隙布置走向也不同,这里就不作介绍了,见图4。

图4--汽轮发电机转子

转子励磁绕组由多个线圈组成,嵌放在转子铁芯的槽中,多个线圈串联起来组成转子绕组,在转子轴的励磁端(简称励端)安装集电环,转子绕组的两个线端分别连接到两个集电环。见图5。

图5--嵌装好绕组的汽轮发电机转子

嵌放好线圈后在槽口塞入槽楔,压住槽内线圈,线圈在槽外的端部用护环压住,防止线圈被离心力甩出,见图6。

为减小负序磁场的影响,在转子表面还装有阻尼装置,这里就不介绍了。

图6--转子线圈与护环

为降低发电机的温度,在转子两端还装有轴流风扇对机内气体进行强制循环。见图7,这是整个转子,是发电机中的旋转部件。

图7--安装好集电环与风扇的汽轮发电机转子

  • 定子

因为定子铁芯内的磁通是在不停的变化,为防止涡流损耗,定子铁芯采用多层硅钢片叠成,硅钢片涂绝缘漆相互绝缘。硅钢片导磁良好。为通风冷却定子铁芯分成多段,段间有缝隙实现径向通风。在定子铁芯的两端用压圈与穿心螺杆压紧定子铁芯,见图8。

图8--汽轮发电机定子铁芯

在定子铁芯槽内嵌放定子的三相绕组,绕组形式一般为双层叠绕。每相绕组由多个线圈组成,按一定规律对称排列,大型发电机的线圈只有几匝,是用一根根铜条或铜管弯成,在端部进行连接形成线圈。本模型简化处理,线圈是由表皮绝缘的导线绕成多匝的线圈。

在24槽电机模型有24个线圈,分为3组,组成三相绕组,6个引出线中3个是A、B、C相输出端,3个为中性线端,一同连接到到电机下方的出线盒的瓷套管端子。

图9为排列在一起的24槽绕组示意图。

图9--汽轮发电机定子绕组

这些线圈是嵌装在汽轮发电机定子铁芯的槽内,见图10。

图10--嵌装绕组的定子铁芯

嵌装好线圈还要在槽口插入槽楔,把线圈压紧固定。图11是嵌装好线圈的定子铁芯剖视图。

图11--定子与绕组剖视图

发电机的实际组装过程是定子铁芯先安装进机座,然后才进行线圈的嵌装工作。

  • 定子与转子装入机座

机座(机壳)由钢板卷制焊接而成,为确保刚度在壳内壁焊有多圈圆环筋与多条轴向筋。本模型圆环筋较宽,为便于冷却气体流动,开有多个通气孔。在机座下方有发电机出线盒,发出的三相交流电从这里引出,见图12。安装好的机壳加端盖应有很好的气密性,以防止冷却介质泄露。

图12--发电机机壳

把定子铁芯安装在发电机机座内,再进行定子线圈嵌装,把各相线圈连接起来组成三相绕组。在定子铁芯的槽口插入定子槽楔,压紧槽内线圈,见图13。三相绕组的6个线端连接到出线盒的六个瓷套管端子,在出线盒外接成 Y 形连接,按三相四线输出。

图13--装入机座的发电机定子铁芯与绕组

把转子插入定子铁芯内是发电机安装的重要工序,要保证不损伤定子与转子的任何部分。图14是插入转子后的状态。

图14--发电机安装转子

本模型的两个转子轴承安装在机壳两侧的端盖上,称为端盖式轴承。每块端盖由上下两块组成,在端盖上安装轴承部件,轴承部件由轴瓦与轴承油密封等组成,循环的密封油可以润滑轴瓦、防止氢气泄露、降低轴瓦温度。

安装好机壳两侧的下端盖,在端盖上安装轴承部件,轴承把转子支撑起来,转子磁极与定子铁芯间留有气隙,转子可自由旋转,见图15。

图15--发电机安装轴承

  • 安装电刷装置

转子的励磁电源连接到电刷,电刷与集电环紧密接触,励磁电流先通过电刷,再通过集电环到转子励磁绕组。电刷由天然石墨制成,有很好的自润滑特性,导电良好,电刷通过刷辫接到励磁端子。电刷装在刷盒内,可自由上下移动,压簧把电刷压向集电环。压簧采用恒压弹簧,在电刷整个行程中压力基本不变,恒压弹簧固定在弹簧夹上,弹簧夹上有楔形卡子,弹簧夹插在刷盒内,卡子进入卡孔就卡住了。图16左图是压簧,右图是较新的电刷在刷盒的状态,中图是磨损较多的电刷(待换电刷)在刷盒的状态。

图16--电刷盒结构

刷盒固定在刷握上,刷握固定在刷握架上,刷辫连接到励磁电源接线端子上,见图17左图,在图17右图中显示了电刷与集电环的相对位置(图中隐去了转子轴)。

图17--电刷装置与集电环

图17仅为发电机电刷示意图,实际大型发电机的励磁电流很大,每个集电环由几段组成,电刷组相应增多,电刷数量达数十个。集电环采用耐磨的优质合金钢制成,为降低集电环温度,集电环有通风孔,在两集电环之间还装有离心风扇。

电刷装置安装在发电机的励端集电环的两侧。在转子两端还要安装转子上的风扇,为了使风扇的气流按照指定路径流动,必须安装上导风罩,见图18。


图18--发电机安装电刷与风扇

  • 发电机整机

把机座两端的上半端盖安装好,发电机就组装好了,图19是汽轮发电机的剖视图。

图19--汽轮发电机的剖视图

图20是汽轮发电机的励端(集电环与电刷端)外观图。

图20--汽轮发电机励端外观图

图21是汽轮发电机的汽端(接汽轮机端)外观图。

图21--汽轮发电机汽端外观图

  • 冷却系统

大型发电机产生的热量很大,必须有强有力的冷却措施,不同型号发电机的定子、转子、机座等主要结构基本一样,但冷却系统五花八门,也较复杂。

主要的冷却介质是氢气与水,也有用空气。氢气比空气的密度小很多、导热系数大很多;水与很大的比热容、导热系数大、价格低廉。冷却方式主要有:

  • 全氢冷发电机,电机定子绕组、转子绕组、定子铁芯均用氢气冷却。

  • 水氢冷发电机,电机定子绕组采用水内冷、转子绕组与定子铁芯用氢气冷却。

  • 水水空发电机,电机定子绕组与转子绕组采用水内冷、定子铁芯用空气冷却。

  • 水水氢发电机,电机定子绕组与转子绕组采用水内冷、定子铁芯用氢气冷却。

  • 全水冷发电机,电机定子绕组与转子绕组采用水内冷、定子铁芯也用水冷却。

  • 空冷发电机,电机定子绕组、转子绕组、定子铁芯均用空气冷却,仅用于中小型发电机。

氢气或水如何在电机内循环则有多种途径,根据循环路线在定子铁芯与转子铁芯上制作冷却介质的通道,绕组水冷采用空心铜管作导线,在管内通水冷却。

图22是全氢冷发电机的氢气流动示意图,机座完全密封,在机壳靠两端设有氢气冷却器,氢气冷却器就是排管式热交换器,管内是流动的水,水通过电机外设备冷却。在机壳内部充满氢气,风扇向两端抽出热氢气,热氢气经过氢气冷却器降温,再次进入定子与转子带走热量。图中浅蓝色箭头线示意氢气的流动路径。


图22--全氢冷发电机氢气流动示意图

除了上述的基本部件外,在定子、转子、绕组、轴承等部位分布着许多温度传感器;在一些部位还有压力传感器、振动传感器、位移传感器等,全面监视发电机的工作状态。

在机外还配有发电机的励磁系统、冷却水的净化装置与循环装置、氢气的储存与控制装置、密封油的循环系统等。

来源:电力圈

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