哈电600MW等级汽轮发电机技术特点 
刘大鹏　　焦晓霞 
（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨，150040） 
摘要：哈尔滨电机厂有限责任公司，20世纪80年代，引进美国西屋电气公司600MW汽轮发电机设计与制造技术，在国内率先消化、吸收，同时开展了大量的国产化和科研工作，并按国家要求与西屋电气公司对引进型产品进行联合优化设计，提高了发电机效率、最大出力和励磁顶值电压倍数，满足了电力部门对励磁及各种参数的要求。在此基础上，哈电对600MW汽轮发电机不断优化和改进，且将其发展成多容量和功率因数规格、系列化的第三代成熟产品。 
关键词：汽轮发电机；功率因数；额定功率；刚—柔固定结构；转子阻尼系统 
1 引言 
哈尔滨电机厂有限责任公司（简称：哈电机，英文缩写：HEC）在20世纪80年代初期引进美国西屋电气公司600MW汽轮发电机设计与制造，在完成本地化生产（装机于安徽平圩电厂）的同时，1987年又按照国家要求与西屋电气公司对引进型产品进行联合优化设计。先后研制出国产首台优化型600MW发电机（哈三电厂3号机），国产首台额定650MW，最大连续出力700MW的核电站汽轮电发电机（核电秦山二期），国产首台600MW超临界机组的发电机（沁北电厂1号机）。HEC还先后在2台600MW等级发电机（哈三3号机、秦山二期1号机）上进行过型式试验和较全面的科研试验，充分掌握了600MW等级发电机的各种性能参数，为机组的安全运行提供了保障，同时为600MW等级发电机的优化和改进提供了有力依据。现在，HEC的600MW等级汽轮发电机通过不断优化和改进，已发展为多容量和功率因数规格、系列化的第三代成熟产品。以下对HEC的600MW等级汽轮发电机的技术特点予以简要介绍。 
2 发电机技术特点 
2.1 发电机规格 
HEC的600MW级发电机的额定功率有600MW、660MW、670MW和680MW四种，额定功率因数有0.85和0.9两种，励磁方式有无刷和静止两种，规格较齐全，发电机不仅出力大，而且效率高，如：额定功率因数0.9并采用静止励磁的600MW发电机效率可达到99%。 
2.2 冷却方式 
发电机定子绕组采用水内冷、发电机定子铁芯和端部结构件采用氢冷、发电机转子采用气隙取气的氢内冷的冷却方式。 
2.3 发电机绝缘等级 
发电机定子和转子均采用F级绝缘，按B级运行考核。 
2.4 定子机壳防爆设计 
发电机机座、端盖、出线盒和冷却器外罩等均能承受按3.5倍额定氢压设计，因此整个定子机壳具有良好的防氢爆性能。 
2.5 定子铁芯 
定子铁心由高导磁、低损耗的无取向冷轧硅钢板冲制并经绝缘处理的扇形片叠装而成。为了防止端部杂散损耗的增加，端部边段铁心设计成沿径向呈阶梯形状并粘接成整体，而且在齿部开槽。 
定子铁芯径向采用圆形定位筋定位后，再由圆形定位筋外侧的夹紧环收紧，而且机组运行一定时期后可通过夹紧环再径向收紧铁芯。 
定子铁芯轴向收紧除圆形定位筋外，还采用了绝缘穿心螺杆，并通过液压拉伸器收紧铁芯。 
定子铁芯端部采用了无磁性压指和分块压板的紧固结构。 
 
 2.6 定子铁芯隔振结构 
为了使定子铁芯振动传到基础的力降为最小，发电机定子铁芯和机座之间采用立式弹簧板的隔振结构。 
隔振结构是在出风区内定子铁心与定子机座之间设置6组弹簧板。定子铁心经夹紧环与弹簧板的一端相连接，弹簧板的另一端与机座隔板相连接。弹簧板分布在夹紧环的两侧和底部，底部弹簧板用来保持铁心的稳定，并在事故状态下分担电磁力矩。 
隔振结构在强度上能承受至少20倍额定转矩的突然短路扭矩。 
 
2.7 定子铁心端部屏蔽结构 
定子铁芯端部采用磁屏蔽（见图1）。发电机定子铁芯两端设有用硅钢板冲制的扇形片叠装成内圆表面呈阶梯多齿状的磁屏蔽层，有效地将定子端部漏磁分流，减小端部发热，增加发电机的运行能力。 
2.8 定子线棒 
定子线棒采用实心导线和空心导线最佳组合，以降低电气损耗。线棒对地绝缘采用F级环氧粉云母带。为降低定子绕组电晕电位，线棒的槽内部分和槽口部分均进行防晕处理。定子线棒经一次模压成型，因而具有良好的绝缘强度、机械强度和防晕性能。 
定子上、下层线棒采用不同的截面，并在直线部分进行540°罗贝尔换位加空换位，可使涡流引起的附加损耗和股间环流损耗、包括端部横向磁场差异引起的附加损耗大为减少。 
为增大相间的放电距离，线棒的鼻端采用不等距分布，同相线棒鼻端距离缩小，相间距离被加大。 
定子线棒两端采用了水电分离的连接结构，并用软股线组合连接上下层线棒 
2.9 定子槽内固定结构 
首先在槽底和上、下层线棒间填加外包聚酯薄膜的热固性适形材料，并采用涨管压紧工艺，使线棒在槽内良好就位。同时，在线棒的侧面和槽壁之间塞入半导体垫条，使线棒表面良好接地，以降低线棒表面的电晕电位。 
定子槽楔由高强度F级玻璃布卷制模压成型，在槽楔下面采用弹性绝缘波纹板径向压紧线棒。定子槽口处槽楔具有可靠的防松结构。 
2.10 定子绕组端部刚—柔固定结构 
定子绕组端部采用了大尺寸整体玻璃钢锥环、可调绑扎环、鼻端径向撑紧环的固定结构，同时通过21个无磁性弹簧板与定子铁心端部相连，整个定子绕组的端部形成沿径向和切向固定牢固、沿轴向可伸缩的刚—柔固定结构。 
当发电机运行时，由于温度变化引起线棒轴向胀缩时，定子绕组端部整体可沿轴向伸缩，从而有效地减缓了绕组绝缘中的热应力，并使发电机适于调峰运行工况。 
定子绕组端部固定结构中，与绕组相接触的各环件及所有紧固件均为非金属材料，从而避免因采用金属材料而带来的局部过热和尖端放电现象。 
 
2.11 转子轴 
转子轴由一个整根的26CrNi4MoV合金钢实心锻件加工而成，在寿命期内能承受起停机10000次以上。 
2.12 转子线圈护环 
转子线圈护环由18Mn18Cr无磁性钢整体锻件制成，具有较强的抗应力腐蚀能力，能承受运行时的巨大的环向应力、径向重复性椭圆变形和端部会聚磁通。 
为了防止由缺口引起的机械强度下降，采用了不在护环上钻径向通风孔的结构。 
2.13 转子线圈 
转子线圈由高强度精拉含银铜排制成，具有较强的抗应力腐蚀能力，适于发电机调峰运行。 
转子线圈由8瓣组成，每瓣单独加工成型，因而具有良好的尺寸和形状。线圈各瓣之间、各线圈间均采用中频感应钎焊连接。 
2.14 转子隐风斗技术 
HEC通过对通风系统进行优化和研究试验，在600MW等级汽轮发电机转子上采用了“全隐式风斗”这一新技术。 
由于转子采用气隙取气氢内冷的冷却方式，转子风斗的形式，即风斗的高矮是这种通风方式的关键技术。风斗越高，虽然取风效果越好，但所带来的风摩损耗也越大，影响发电机的效率，甚至较大的风摩损耗会影响定子铁心的温度。 
HEC长期以来就注重这方面的研究，并进行了转子凸起式、半隐式和全隐式风斗的系列性科研和试验工作，成功的在600MW等级发电机上采用了转子全隐式风斗结构。 
转子采用全隐式风斗结构后，使风摩损耗与凸起式风斗比降低了420kW，同时可将发电机效率提高0.07%。此外，由于表面无凸起物，还给转子装抽及维护带来极大便利。 

2.15 转子阻尼系统 
发电机转子每极表面（大齿）上设有两个阻尼槽，槽内置放了通长的阻尼铜条，并采用非磁性钢阻尼槽楔，从而使感应电流能顺利通过极表面上的横向槽，避免在横向槽周围形成过热点。同时，转子线圈槽楔采用了对感应电流屏蔽效果良好的铝合金，并在各段槽楔间采用连接块搭接，使感应电流能顺利通过各段槽楔间的接缝处，防止了在槽楔接缝处的齿部形成过热点。此外，与护环接触的端头槽楔采用热态导电性能良好的铍铜合金，使护环能与端头槽楔接触良好，并通过端头槽楔将各阻尼铜条、各线圈槽内的槽楔并联在一起，形成了可靠的笼式转子阻尼系统。 2.16 发电机轴承  
发电机轴承采用可倾式，下半为2块可倾瓦块，特点是能自调心，不失稳。  
2.17 发电机油密封  
发电机采用双流环式油密封，而且密封瓦为双环组成，即密封瓦在空侧进油处沿轴向分成两个独立的环，空侧进油使两环胀开，并分别推向密封瓦座的两个侧面，从而使密封瓦两侧与密封瓦座侧面靠紧，减少由与瓦座间的间隙造成的密封油损失。而且双环密封瓦比单环密封瓦更容易随轴浮动。  
2.18 发电机轴向和横向定位  
为了在运行状态各部温度发生变化时，以及在巨大径向和切向力作用时，保证机组纵向和横向中心有良好的定位，在发电机定子两侧中心线位置的座板上设有纵向定位键，在发电机端盖中心线上的回油箱底板上设有横向定位键。  
2.19 取代无刷励磁的大电流集电环刷架设计  
众所周知，无刷旋转励磁的特点是转子电流可以设计的较大，如HEC以前制造的无刷旋转励磁600MW发电机转子电流已达4128A，而对静止励磁的集电环设计来说是希望转子电流设计的越小越好，可以较容易解决集电环的发热问题。因此HEC将无刷旋转励磁600MW等级发电机改型设计为静止励磁600MW等级发电机，关键是如何解决较大电流所带来的集电环发热问题。  
HEC通过采取以下技术结构避免了大电流集电环发热问题。  
a. 合理选择电刷及其电流密度。  
b. 采用每个集电环上并排分布两组电刷的结构（见图7）；  
c. 优化外圆表面螺旋散热沟的宽和深、沿圆周分布的轴向和径向通风孔，如图3所示，用以加强集电环末端通风冷却，使集电环温度分布均匀。  
d. 优化集电环外径和材料热处理工艺，使集电环外圆线速度不超过电刷所能承受的能力以及达到合适的硬度  
2.20 集电环双导电螺钉设计  
集电环导电螺钉设计主要考虑其承受的电流密度，适当加大导电螺钉直径，可降低电流密度，避免过高电密引起发热。但直径的加大受导电杆直径的限制，本型发电机集电环外径设计的较小，导电杆的直径也相应小。因此，不能靠增加导电螺钉直径来解决大电流引起的高电密发热问题，但是可用增加导电螺钉的数量的方法解决可解决这个问题。600MW等级汽轮发电机转子集电环导电螺钉设计如图9所示，采用2个导电螺钉分布在集电环两端。  
2.21 与主转子分体的引线集电环小转子及人性化的隔音罩设计  
600MW等级汽轮发电机转子引线集电环装配及隔音刷架装配的总体设计如图10所示。与HEC的其它容量机组相比采用了全新的结构。  
首先，转子引线集电环装配是独立的，由装配在小轴上的集电环、集电环下绝缘套筒、风扇、导电螺钉和导电杆等组成，并通过小转子端部联轴器与发电机转子连接。小转子还设有装配在中心孔中的导电杆，并在联轴器端部与发电机转子联轴器处的导电杆连接，构成电气连接。  
分体转子的主要优点是减小锻件的尺寸和重量，防止运输中变形，以及通过与转子并行制造缩短周期。  
其次，隔音罩刷架装配由装配在底架上的隔音罩、构成风路的隔板、刷架、组合式刷盒、导电板（引线铜排）等组成。底架内隔有进出风路及设有导电板（引线铜排），底架底面上设有与基础风洞相接的进出风和连接导电板（引线铜排）用的接口。隔音罩装配在底架上，罩内用隔板隔成进出风区，隔音罩与小轴的接触处设有气封环，以防止灰尘。为方便维修工作，隔音罩内空间设计的较为宽敞，设有防爆灯和检修通道，并在隔音罩两侧设4个检修门，门上设有观察窗，而且刷握可带电插拔，以更换电刷。  
2.22 抑振轴承和载荷调整技术  
考虑到转子引线集电环装配与发电机转子连接后形成悬臂端，在运行时会产生摇摆，引起振动过大，并使集电环发热，故在转子引线集电环装配末端设计了座式轴承，用来起支稳作用，这种结构在国产600MW等级的发电机上也是首次采用。  
此外，在与主转子对组时，小转子尾端摆度控制和抑振轴承的稳定性两个难点，除了增加抑振轴承，为此还开发了提高端面加工和装配精度的技术和对轴承进行予加载荷的技术。  
2.23 三支撑的轴系厂内动平衡技术  
对采用静止励磁的600MW等级发电机，在动平衡间采用三支撑条件下转子的动平衡和超速，提高了发电机转子的平衡精度更好地控制和检验了制造质量。  
3 结论  
哈尔滨电机厂有限责任公司现有的600 MW等级发电机，适配于亚临界、超临界、超超临界汽轮机，即适用于各类型的火电站的需求，性能参数、结构设计和运行状态得到了用户广泛的认可。  

  
作者简介：  
刘大鹏（1960-）：男，黑龙江，1982年哈尔滨理工大学电机专业毕业，高级工程师，一直从事汽轮发电机设计工作。地址：哈尔滨电机厂有限责任公司 产品设计部 邮编：150040