基本介紹
- 中文名：透平發電機
- 外文名：turbine generator
- 分類：二極、四極；單軸、雙軸
- 相關領域：機械，物理髮電機
- 作用：發電
- 構成：轉子和定子
工作原理,結構,發電機型式,發電機冷卻方式,發展簡史,
工作原理
透平發電機有旋轉和靜止兩部分，都嵌有由很多按一定方式排列連線的線圈組成的繞組。一般是在旋轉的轉子上的勵磁繞組通人直流電流，在轉子外周產生接近正弦分布的勵磁磁場，它的大部分磁通穿過氣隙與靜止的定子電樞繞組相交鏈。當原動機驅動轉子以一定速度旋轉時，在定子電樞繞組內就感應出基本上按時間的正弦函式變化的交流電動勢。定子繞組的線圈分三個相帶排列，一個線圈代表一個相帶；每個相帶的匝數相等，三個相帶在每對磁極空間的位置彼此相差120。，所以感應出大小相等的三相交流電動勢。在時間上相位也各相差120。。定子繞組的出線端接通三相對稱負載以後，定子繞組內就產生彼此相位相差120。的三相電流。這三相電流也產生一種磁場，與轉子磁場以同步轉速旋轉，此磁場改變了原來轉子勵磁磁場所產生的氣隙磁通，使轉子勵磁電流需要增加(電感性負載電流)或減少(電容性負載電流)，以維持定子繞組輸出端的額定電壓。同時電樞電流與氣隙磁通相作用所產生的電磁力和電磁力矩，對轉子的旋轉起制動作用。原動機需要增加機械轉矩，使轉子轉速維持在額定頻率的同步轉速。這樣就將機械能通過電磁作用轉變成電能。
結構
透平發電機由轉子和定子兩大部分組成。轉子通常為隱極式，由軸伸及具有下線槽的細長圓柱形本體段、勵磁繞組、槽楔、護環、中心環、風扇等組成。勵磁繞組嵌放在轉子本體段的槽內。空氣或氫氣外冷的繞組導線用扁銅線組成；氫內冷的繞組直線部分有的用扁銅線，中央銑有長方形孔，或在兩側銑出凹口作通風道；有的用凹形銅線，並在軸中央段鑽有徑向孔形成通風通道。氫內冷的繞組端部多用凹形銅線形成通風道，並在側面鑽有進風口和出風口，形成通風通道。空內冷的繞組有的採用空心扁銅線的通風冷卻結構。水內冷繞組則採用空心銅線。勵磁繞組嵌人槽內後。打入槽楔，將繞組緊固在槽內。勵磁繞組的端部靠護環保護，護環一端熱套緊固在轉子本體上，另一端固定在中心環上。轉子本體和軸是一整體鍛件，多用高強度和高導磁率的Cr—Ni—Mo—V合金鋼鍛壓而成。轉子本體圓周上大約有2//3左右開有若干軸向槽，勵磁繞組就嵌入這些槽內。轉軸兩端裝有風扇，使冷卻用的空氣或氫氣在機內循環。軸伸部分由軸承支承，軸兩端分別與汽輪機(或燃氣輪機)和勵磁機相連線。
定子由電樞繞組、鐵芯以及機座和端蓋等組成。電樞繞組嵌放在定子鐵芯的槽內，每相繞組由若干線圈串聯而成，每個線圈通常由兩根嵌入鐵芯槽內的線棒在端部焊接而成。線棒的導線由多股絕緣扁銅線組成。水內冷的線棒除絕緣扁銅線外還有空心銅線，而氫內冷的線棒除絕緣扁銅線外還有空心反磁鋼管。線棒的主絕緣多採用環氧樹脂粉雲母帶。定子鐵芯呈圓筒狀，由高導磁率、低損耗的矽鋼片疊裝而成，固定在機座的內圈。鐵芯內圓周開有均勻分布的槽，是矽鋼片疊裝前衝出的。電樞繞組嵌進槽內，並用槽楔固定。有的鐵芯沿軸向分段，段間由隔片組成徑向通風道；有的採用軸向通風。整個鐵芯兩端用齒壓板和壓圈固定在機座內圈的定位筋上，使鐵芯和機座聯成一個整體。機座外殼與鐵芯外圓周的空間內有環形中隔板．是通風迴路的組成部分。機座兩端有端蓋封閉，構成一個密封循環通風系統。氫冷發電機採用端蓋軸承。發電機引出線的瓷套管安裝在靠勵磁機一端的機座下部。
冷卻系統和勵磁系統是透平發電機必不可少的附屬系統．大部分設備部件都布置在發電機外。但空冷發電機的空氣冷卻器布置在機座內或下部的封閉小室．而氫冷發電機的氫氣冷卻器通常布置在機座內部。無刷勵磁系統的旋轉整流器則安裝在轉子軸上，其他勵磁系統則在轉子軸上裝有集電環，且另裝有電刷及刷架。
為了提高透乎發電機承受負序電流的能力，並避免次同步諧振時的負阻尼，有些製造廠在轉子槽楔下壓有阻尼條，阻尼條兩端接短路環，形成阻尼繞組。
發電機型式
透平發電機按轉子磁極數分，有二極式和四極式兩種；按轉子軸數分，有單軸式和雙軸式兩種。
二極式、四極式透平發電機 世界各國的電力系統採用兩種工作頻率．即50 Hz和60 Hz。透平發電機最少有兩磁極，因此透平發電機最高轉速是3000 r/min或3600 r/min，其轉子都是圓柱體(即隱極式轉予)。燃氣輪機和小容量的汽輪機大多具有更高的轉速，岡此要經減速齒輪與發電機連線。製造技術發展中期，大容量的汽輪機有兩個軸系，各與一台發電機相連線，其第二軸系的汽輪機由於末級葉片長度的限制多採用半轉速，即1500 r/min或1800 r/min，相連線的發電機就要有四磁極，稱為四極式發電機。核電廠的大容量汽輪機也多採用半轉速，其發電機也是四極式的。四極式發電機的離心力小，直徑可以大些．因此轉子軸和護環的材質要求比較低，轉子臨界轉速比較高，動平衡問題比較容易解決；轉子轉動慣量大，對電力系統的動態穩定性有利；四極定子鐵芯振動節點較多。不會產生倍頻振型，毋需採取專門的機座隔振措施；由於勵磁機匝數較少，轉子繞組容易冷卻；風損、銅損和定子端部附加損耗比較低，效率較高。四極式發電機的缺點是轉子的鍛造和加工要求較大規格的設備，新態電抗比較高，對鹿力系統的穩定性不利。
單軸、雙軸透平發電機 大容量的透平發電機組有分成兩個軸系的，稱為雙軸透平發電機。兩軸系的麗台發電機在出線端並聯連線作為一組發電機運行，第二軸系的轉速大多數是半轉速，也有採用全轉速的。20世紀70年代以來，大多數透平發電機採用單軸繫結構，以節省製造j[作量和材料消耗量。火電廠的單軸二極式透平發電機單機容量最大的是1200 MW，雙軸的雙機總容量最大的是1300 MW，核電廠單軸四極式透平發電機的單機容量最大已達1500 MW（1650MV·A）。
發電機冷卻方式
透平發電機採用的冷卻介質和冷卻方法的組合。以何種冷卻介質和何種冷卻方法將透平發電機定子繞組、轉予繞組和鐵芯內由電磁損耗以及機械損耗產生的熱量帶走，一直是個重要的技術問題，它決定發電機大部分主要部件的基本結構，並與發電機的重最、材料利用、可能製造的最大單機容量以及運行可靠性有密切的關係。在轉子鍛件性能和尺寸一定的條件下．改進冷卻方式是提高發電機單機容量的主要途徑。
發展簡史
從空氣表面冷卻到導體內部用氫或水直接冷卻，每一次冷卻技術的突破都是發電機發展史上的一個里程碑。最初的發電機是用空氣表面冷卻的。
1937年美國通用電氣(General Electric，GE)公司首次製造了氫氣表面冷卻的發電機，1951年美國阿里斯查摩(Allis Chalmers，AC)公司製造了第一台60 MW轉子氫內冷的發電機，1956年英國茂偉(Metropolitan Vickers，MV)公司製造了第一台30MW定子線圈用水在內部直接冷卻的發電機，1 958年中國上海電機廠製成了第一台定子和轉子繞組都用水在內部直接冷卻的12 MW雙水內冷透平發電機。此後上海電機廠生產的50 MW、60 MW、125 MW、300 MW透平發電機也採用這種冷卻方式。1966年德國開始試製一台100 MV·A的雙水內冷發電機．其後瑞典、瑞士相繼製造大型的雙水內冷發電機，單機容量已達1300 MW(四極半速發電機)。
