河北邯峰发电厂为中外合资，规划容量为2520MW的大型火力发电厂，一期工程2台660MW汽轮发电机(THDF115/67)系德国西门子公司发电部(简称KWU)制造。双方于1996年9月签订供货合同。首台发电机预计2000年底投入商业运行。
　　THDF系列发电机冷却方式为水、氢、氢，即定子绕组水冷，转子绕组和定子铁心氢冷。发电机通风系统采用转子汽侧多级高压轴流式风扇，转子绕组轴向通风，定子铁心为沿轴向分段的径向通风。1997年9月，邯峰发电工程首次设计联络会期间，西门子公司提出发电机定子铁心通风方式的改进设计方案，即将原来的径向通风改为轴向通风。本文就改动后发电机的各项参数及性能变化等问题作了分析和研究。
1　THDF系列发电机通风结构及设计概念
　　大型发电机冷却通风结构设计是电机设计的关键技术之一。不良的通风结构，可能会造成电机某些运行性能的先天不足。冷却效果的低下，不但影响出力，而且还可能引起电机温升偏高或局部过热，加速绝缘老化，缩短电机寿命。有关研究表明，B级绝缘温度比额定每升高10℃，其寿命将缩短一半。
1.1　定子铁心径向通风方式
　　THDF系列发电机原有的通风冷却系统是：转子采用轴向通风，定子铁心采用径向通风。邯峰电厂发电机供货合同中规定也采用这种通风方式，其结构如图1所示。
　　由图1可见，该通风方式靠安装在汽侧转子上的多级(邯峰为5级)轴流式风扇，使氢气在发电机内部闭路循环冷却，所有的热氢由风扇抽出，通过氢气冷却器冷却后分为3路。一路由导向板通过风扇轮毂下部风道引入转子端部进风区后分成两部分，分别冷却端部绕组和1/2轴转子槽部导体，前者冷却端部绕组后从位于磁极表面的出风孔进入气隙，后者沿轴向进入槽内冷却各匝导线后流向转子中部的出风区，沿径向通风孔排入气隙；第2路冷氢通过机壳内四周的风道到达励侧区域，亦分成两部分，一部分冷却铁心端部金属结构件及出线盒等处后流进气隙，另一部分氢气与第1路相似，进入转子冷却另一半绕组；第3路冷氢则通过铁心背部的风道由各挡风板均匀分配并引向铁心各段径向通风道，冷却铁心后进入气隙。从图1不难看出，上述各路热氢几乎都是从汽侧护环处气隙排出才由风扇回到氢冷却器，此处气隙气流的“瓶颈”效应不可避免，这是促使KWU改变其大容量THDF系列发电机定子铁心通风方式设计的重要原因之一。

图1　THDF发电机定子铁心径向通风方式风路示意

1.2　定子铁心轴向通风方式
　　定子铁心改成轴向通风方式后的风路如图2所示。转子的尺寸及风路结构未作变动，定子铁心风路则由扇形硅钢片穿孔叠压后形成的轴向通风道组成。氢冷器出来的冷氢分成2路，一路与径向通风方式相同，冷却汽侧的1/2转子；另一路大部分从铁心背部通风道流至励侧后分成几部分，分别冷却励侧转子和定子铁心等，其中冷却铁心的氢气进入铁心励侧进风口沿轴向通风道流至汽侧出风口，再由风扇回到氢冷器。轴向通风方式下，由于冷却铁心和冷却励侧转子的气体一同从发电机汽侧流向励侧，其风道结构设计简单，且截面积可相对减小，从而大大缩小了整个发电机定子外径尺寸，便于铁路运输。采用该通风方式后，发电机定子外径由径向通风时的4200mm缩小至3800mm。

图2　THDF发电机定子铁心轴向通风方式风路示意

1.3　西门子大型汽轮发电机通风冷却系统设计新概念
　　发电机径向通风和轴向通风虽都是国际上常用的通风方式，但轴向通风方式下电机的温度不均匀程度可能较大。在国内，包括进口机组，很少见到采用轴向通风方式的大型汽轮发电机，特别是定子铁心轴向通风。西门子公司提供的资料表明，KWU以前并无完整成熟的设计、制造定子铁心轴向通风的经验和产品运行业绩，其引入定子铁心轴向通风的设计概念，还是源于1988年和1990年分别对美国西屋(WH)制造的2台核电站发电机定子铁心及线圈的修理和更换，而这2台4极发电机定子铁心原本就是轴向通风。从1995年开始，KWU对THDF系列发电机定子铁心通风方式进行改进设计，由于该系列发电机定子绕组为水内冷，线棒的冷却效果较好，如果铁心采用轴向通风方式，不仅可以克服上面提到的汽侧气隙气流的“瓶颈”现象，而且还可相应地减少风扇级数，降低风损以达到提高发电机整体效率的目的。设计思路没有错误，但良好的设计和制造水平需通过实际运行和试验验证。只有通过出厂型式试验分析和现场运行性能考核测试，才能最终确认改进设计的优劣。邯峰电厂发电机定子铁心由径向通风改成轴向通风方式后，发电机各部的温升(或温度)将是我们关注的主要问题。
2　发电机主要设计参数及型式试验结果分析
　　KWU采用定子铁心轴向通风方式制造的首台THDF型发电机型式试验于1998年4月在其港口厂内试验台上完成。被试机容量、冷却方式、尺寸等规格与供给邯峰电厂的发电机几乎完全一样，中方人员现场见证了包括空载和短路特性、效率测定、温升试验在内的部分型式试验过程。
　　型式试验方法和各项额定工况下测算结果的求取依据德国标准VDE—0530和国际标准IEC—34，与我国标准GB/T1029—93类似。试验前布设了近170个测点用于监测各种运行参量，所有测点信号通过各类转换、隔离装置接入计算机采集处理，并实时显示和打印结果。
　　表1列出KWU提供的邯峰电厂发电机额定工况下各部温升、损耗组成及效率、通风系统主要参数的设计值或保证值，以及对应的型式试验测算值。

表1　　发电机部分参数及型式试验结果