CN106849433A - 采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，属于发电机转子领域，转子线槽内的线圈两侧设有分别连通槽楔通风孔和副槽的侧边径向风道，线圈内部设有径向上密集分布的横向风隙连通两侧的侧边径向风道，相邻节距横向风隙的气体流向相反并与副槽气体流向垂直；护环下方的端部线圈直线段设有轴向风道，端部槽楔设有连通该轴向风道和气隙的端部槽楔风孔；端部线圈弧线段设有横向风道，大齿端部设有连通该横向风道和气隙的甩风槽；本发明是一种采用新型通风结构的汽轮发电机转子，解决单机功率1200MW以上的全速汽轮发电机转子冷却问题。

Description

采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子
技术领域
本发明属于发电机转子领域，涉及一种采用新型通风结构的汽轮发电机转子，尤其涉及单机功率1200MW以上的单级风扇压头的全速汽轮发电机。
背景技术
早期的汽轮发电机转子使用外冷却方式，线圈产生的热量通过热传导作用传递到转子外圆表面，再通过气隙内冷却气体的对流散热传递出去。由于外冷却转子的传热温差大，发电机单机功率仅做到100MW；为满足机组容量持续增长的需求，目前世界上以气隙取气和副槽供风为取风方式的内冷转子被广泛运用在大容量汽轮发电机产品中。其中：
气隙取气转子沿轴向分为奇数个进风区和偶数个出风区，进风区槽楔加工进风斗，出风区槽楔加工甩风斗，转子齿表面加工引风槽，装配完成后的槽楔突出转子表面，依靠风斗迎风与背风的气流动压差达到取风效果；为达到理想的取风效果，发电机定子沿轴向与转子对应布置进出风区，并在风区间布置切向气隙隔板，容量更大的发电机还要布置轴向气隙隔板提高转子风斗的取风能力。气隙取气方式因线圈冷却风道形式不同可细分为斜流式和横流式，斜流式气隙取气被大量应用于600MW～1000MW氢内冷转子，但国内已投运1000MW汽轮发电机运行数据给出的气隙取气转子热点温升已经接近热考核限值，这表明如果仍采用现有通风结构，发电机单机容量会受到限制；横流式气隙取气作为另一种强化传热方式，换热面积大，传热温差低，但对定转子耦合通风结构有更为复杂和精细的设计要求。
副槽供风转子利用线槽底部副槽风道供风，槽楔及线圈风孔加工简单，冷却气体温度基准比气隙取气低10K～20K。依据现有公知技术，副槽供风方式根据线圈冷却风道形式可细分为单(双)排径向直风孔，交替径向风孔，轴向风孔，分段轴向风孔。
已公开的专利ZL 201020557308.3描述了一种采用双排径向直风孔冷却的空冷汽轮发电机副槽供风转子。根据描述，该转子线圈采用两排径向出风孔冷却转子中部，与采用单排径向直风孔的冷却结构相比，能够增大线圈换热面积，提高转子的散热性能。
另外，该专利还描述了转子端部的两路冷却风道，线圈开设两段轴向风道，空气流过风道并带走线圈热量后进入气隙。这种风路相比简单的端部一路风道结构，风路长度减短、冷却效果较好。
另一公开专利ZL 200410033045.5则描述了一种分段轴向风孔冷却的汽轮发电机转子。该转子线圈槽内采用多组双排轴向冷却风孔，风孔内冷却气体的流向以转子中心线为界对称分布，并与副槽内气体流向保持一致；同时并列的双排轴向风孔及风孔入口、出口位置相互错开。这种结构使得副槽内冷却气体能够更为均匀地分配到线圈风孔中，并且能够较好地限制线圈热点温度，相比单(双)排径向风孔和简单轴向风孔的冷却效果更好。
上述技术公知在应用中存在一定局限性。目前世界上分段轴向冷却转子通风结构主要应用于1500rpm半转速汽轮发电机(最大单机功率1760MW)。由于半速机转子直径大，端面副槽深度能够达到80mm，可为8m至9m长的转子本体提供不少于18.5m3/s的冷却气体，转子温升能满足设计要求。相比之下，3000/3600rpm全速机转子直径要小一倍，受转子齿根应力限制，副槽深度不可能达到半速机的水平，相同容量电机的副槽冷却气体远不如半速机充足(≤10m3/s)。正因如此，采用径向或分段轴向冷却的副槽供风方式尚未应用于1000MW级全速汽轮发电机转子，而国内单机功率1000MW级全速机采用的是多级风扇-轴向通风结构，其特点是发电机采用多级高压小流量风扇供风，转子以中心线为界对称布置通长轴向风孔，冷却气体则依靠高压风扇鼓风被送入转子风孔，完成对转子的冷却后排入气隙。这种发电机的风扇设计与安装复杂，通风损耗远高于其它机型，转子仅在端面附近开设小副槽供冷却气体进入线圈轴向风孔的进风口。
综合上述考虑，开发单机功率1200MW以上的全速汽轮发电机，转子若采用现有斜流式气隙取气或副槽供风-径(轴)向通风结构会存在较大技术难度，为此需提出一种适合全速机副槽深度和单级风扇压头，同时冷却效果更佳的转子通风结构，以保证线圈温升满足热分级考核标准。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种采用新型通风结构的汽轮发电机转子，解决单机功率1200MW以上的单级风扇的全速汽轮发电机转子冷却问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，转子线槽嵌入线圈，线槽底部设有副槽，槽楔设有通风孔将转子内部风道和外侧气隙连通，转子两端套护环，转子线槽内的线圈两侧边设有分别连通槽楔通风孔和副槽的侧边径向风道，线圈内部设有径向上密集分布的横向风隙连通两侧边径向风道，相邻节距横向风隙的气体流向相反并与副槽气体流向垂直；护环下方的端部线圈直线段设有轴向风道，端部槽楔设有连通该轴向风道和气隙的端部槽楔风孔；端部线圈弧线段设有横向风道，大齿端部设有连通该横向风道和气隙的甩风槽；
该转子的风路由三部分构成，第一路风由护环下方进入转子副槽，然后经线圈一侧的侧边径向风道流进线圈内密集的横向风隙，冷却线圈后再流经线圈另一侧的侧边径向风道，从槽楔通风孔排入转子和定子间的气隙；
第二路风由护环下方进入端部线圈直线段进风孔，流经端部线圈直线段轴向风道，冷却线圈后从端部槽楔风孔排入转子和定子间的气隙；
第三路风由护环下方进入端部弧线段进风孔，流经端部线圈弧线段横向风道，冷却线圈后从大齿甩风槽排入转子和定子间的气隙，护环下方安装径向向内伸长的绝缘隔板将护环下方风腔在周向方向上分割为成对进风区和出风区，出风区与大齿甩风槽连通，进风区与端部弧线段进风孔连通。
上述方案中，转子进风侧与风扇出口连通，出风侧与发电机气隙连通；线槽径向高度差在转子旋转时提供足够的气体流动能头；线匝铣制等节距密集横向风隙，提供转子充足的热交换面积；转子副槽、各通风孔等为冷却气体提供必要的流道。
线圈横向风隙内的气流被控制在层流入口段流态，壁面的速度边界层和热边界层均未建立，虽然风隙内气流的速度低于径向风孔和轴向风孔结构，但对流换热系数可保持与轴向长风孔湍流换热系数相当的水平。
本发明与现有技术公知(专利ZL 201020557308.3、专利ZL 200410033045.5)的不同在于，本体段线圈冷却采用更为高效的密集横向风隙结构实现，满足更大单机容量的全速机在一定副槽深度和单级风扇压头条件下转子冷却的需求；取相同负荷、相同长度和直径尺寸，转子槽内热点温升降低约18％。
作为选择，连通槽楔通风孔(风道出口)和一侧的侧边径向风道的通风孔(上通风孔)，与连通另一侧的侧边径向风道和副槽(风道进口)的通风孔(下通风孔)，在沿副槽长度方向上左右交错布置。
上述方案中，槽内线圈侧边径向风道及风道进出口对应的上、下通风孔沿副槽口迎背风侧交错布置，使得相邻节距的横向风隙气体流向相反，与副槽气体流向垂直，达到减小线圈横向温差的目的。
作为选择，在一个侧边径向风道节距内，布置若干组横向风隙，且横向风隙特征尺寸小于侧边径向风道特征尺寸。
上述方案，通过合理利用横向风隙和侧边径向风道的组合，大幅度增加转子槽内散热面积，有效地提高了冷却线圈的效率。其中，横向风隙和侧边径向风道的特征尺寸是指该风隙和风道的宽度和水力直径。
作为选择，转子线槽内线圈侧边径向风道的轴向长取其节距的5/6，侧边径向风道的宽取线圈宽的1/12；横向风隙的轴向宽取其节距的2/5，径向高度取线匝高度的1/6；线匝横向风隙节距取侧边径向风道节距的1/5。
上述方案中，具有以上特征比例的横向风隙有效散热面积为侧边径向风道散热面积的300％；取相同负荷、相同长度和直径尺寸，具有以上特征比例的转子槽内总散热面积可达到径向风孔结构的200％以上。
其中，所述侧边径向风道的轴向长，是指其在转子轴向上的尺寸。
所述侧边径向风道的节距，是指转子轴向上相邻两侧边径向风道的中心线之间的距离。
所述侧边径向风道的宽，是指其在转子周向(横向)上的尺寸，也即其在线圈宽度方向上内陷的深度。
所述横向风隙的轴向宽，是指其在转子轴向上的尺寸。
所述横向风隙的的节距，是指转子轴向上相邻两组横向风隙的中心线之间的距离。
所述横向风隙的径向高度，是指其在转子径向上的尺寸。
作为选择，端部线圈直线段轴向风道和端部线圈弧线段横向风道设置双排风道。
上述方案中，相比现有技术的端部两路冷却风道，上述结构更为灵活，弧线段横向风道数量可随线圈长度做必要的调整，绝缘垫块和风区隔板数量亦可随之改变。
作为选择，转子槽楔与转子表面平齐，槽楔无风斗，转子齿表面无横向引风槽。
上述方案中，与现有汽轮发电机气隙取气型转子的不同在于，本体段冷却气体通过转子线槽底部的轴向副槽进入线圈冷却风道(侧边径向风道和密集横向风隙)，并从槽楔通风孔排入气隙，在此方式下，转子槽楔与转子表面平齐，槽楔无风斗，转子齿表面无横向引风槽。
作为选择，槽楔通风孔孔径沿轴线方向分组变化。
上述方案中，通过调节槽楔通风孔的孔径分布，能够使转子槽内的冷却气流分布更加均匀，达到轴线方向均匀冷却的目的。
作为选择，转轴两端套装风扇，中心环下方安装旋转导流叶栅。
上述方案中，中心环下方安装旋转导流叶栅整流气体流速与流向，减小端部线圈通风条件的迎背风差异和副槽口进风阻力，达到降低线圈局部热点、保证线圈温升更加均匀的目的。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案：如本发明，各选择即可和其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：对于开发单机功率1200MW以上的全速汽轮发电机，本发明是一种适合全速机副槽深度和单级风扇压头，同时冷却效果更佳的转子通风结构，可以保证线圈温升满足热分级考核标准。
附图说明
图1为本发明转子装配示意图。
图2为槽内三维装配(图1中的局部I)示意图。
图3为图2截面E-E气体流向示意图。
图4为图2截面E-E相邻节距的截面F-F气体流向示意图。
图5为副槽和线槽内气体流向示意图。
图6为端部风路示意图。
附图中各项分别为：1.转轴 2.风扇 3.中心环 4.护环 5.护环绝缘 6.阻尼端环7.阻尼条 8.转子小齿 9.转子大齿 10.大齿甩风槽 11.线圈绝缘垫块 12.风区隔板13.导流叶栅 14.槽底绝缘垫条 15.槽侧绝缘 16.楔下绝缘垫条 17.槽楔 18.转子铜线匝 19.匝间绝缘 20.端部槽楔 21.副槽 22.槽底绝缘风孔 23.线圈侧边径向风道24.线匝横向风隙 25.楔下绝缘风孔 26.阻尼条风孔 27.槽楔风孔 28.端部线圈直线段轴向风道 29.端部槽楔风孔 30.端部线圈直线段进风孔 31.端部线圈弧线段横向风道 32.端部线圈弧线段进风孔 33.护环下方的端部出风腔 34.护环下方的端部进风腔。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
参见图1～图6，本发明所述采用副槽供风横向风隙冷却的转子，转子槽楔17与转子表面平齐，槽楔17无风斗(进风斗、甩风斗)，转子齿9/10表面无横向引风槽。转轴1两端套装风扇2，转子线槽嵌入线圈18(转子铜线匝)，槽楔17和转子线槽之间依次为槽内阻尼条7和楔下绝缘垫条16，线槽底部铣副槽21，线槽和副槽21之间为槽底绝缘垫条14，大齿9端部铣甩风槽10；槽底绝缘垫条14，以及楔下绝缘垫条16、槽内阻尼条7和槽楔17均加工有通风孔分别连通线槽和副槽21，以及线槽与转子和定子之间的气隙；转子线槽内的线圈两侧边分别铳制侧边径向风道23，一侧边的侧边径向风道23经楔下绝缘垫条16、槽内阻尼条7和槽楔17通风孔连通转子和定子之间的气隙(如未做特殊说明，下文气隙均表示转子和定子之间的气隙)，另一侧边的侧边径向风道23经槽底绝缘垫条14通风孔连通副槽21；线匝内部沿径向铣等间距密集分布的横向风隙24，横向风隙24连通前述两侧边的侧边径向风道23；转子两端套护环4，中心环3下方安装导流叶栅13，护环4下方的端部线圈直线段设有轴向风道29，端部槽楔设有连通该轴向风道29和气隙的端部槽楔风孔29；端部线圈弧线段设有横向风道32，大齿10端部设有连通该横向风道32和气隙的甩风槽10。
转子线槽的一个侧边径向风道23节距内，布置若干组横向风隙24，横向风隙24特征尺寸小于侧边径向风道23特征尺寸。作为一种优选，侧边径向风道23的轴向长取其节距的5/6，侧边径向风道23的宽取线圈18宽的1/12；横向风隙24的轴向宽取其节距的2/5，径向高度取线匝高度的1/6；线匝横向风隙24节距取侧边径向风道23节距的1/5。
本发明转子风路由三部分构成：
第一路风由护环4下方(护环4和转子转轴1之间有间隙形成风腔，下同)进入副槽21，经槽底绝缘垫条14上开设的通风孔(槽底绝缘风孔22)、线圈一侧的侧边径向风道23流进密集的线匝横向风隙24，冷却铜线后再流经线圈另一侧的侧边径向风道23、楔下绝缘垫条16上开设的通风孔(楔下绝缘风孔25)、槽内阻尼条7上开设的通风孔(阻尼条风孔26)，从槽楔17上开设的通风孔(槽楔风孔27)排入气隙；为合理控制线圈温升高点，转子线槽内截面布置应如图3和图4方案在轴向交替变化，变化距离与线圈侧边径向风道节距相同，截面的气流方向如图中箭头方向一致：即，侧边径向风道23及风道对应的槽底绝缘风孔22、楔下绝缘风孔25沿副槽长度方向左右交错布置。
第二路风由护环4下方进入端部线圈直线段进风孔30，流经端部线圈直线段轴向风道28，冷却铜线后从端部槽楔风孔29排入气隙；
第三路风由护环4下方进入端部线圈弧线段进风孔32，流经端部线圈弧线段横向风道31，冷却铜线后从大齿甩风槽10排入气隙，护环4下方安装径向向内伸长的绝缘隔板12(风区隔板，由部分绝缘垫块11向内径方向伸长形成)将护环下方风腔在周向方向上分割为成对进风区34(护环下方的端部进风腔)和出风区33(护环下方的端部出风腔)，出风区33与大齿甩风槽10连通，进风区34与端部弧线段进风孔32连通；转子进风侧与风扇2出口连通，出风侧与发电机气隙连通。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，转子线槽嵌入线圈，线槽底部设有副槽，槽楔设有通风孔将转子内部风道和外侧气隙连通，转子两端套护环，其特征在于：转子线槽内的线圈两侧边设有分别连通槽楔通风孔和副槽的侧边径向风道，线圈内部设有径向上密集分布的横向风隙连通两侧边径向风道，相邻节距横向风隙的气体流向相反并与副槽气体流向垂直；护环下方的端部线圈直线段设有轴向风道，端部槽楔设有连通该轴向风道和气隙的端部槽楔风孔；端部线圈弧线段设有横向风道，大齿端部设有连通该横向风道和气隙的甩风槽；
该转子的风路由三部分构成，第一路风由护环下方进入转子副槽，然后经线圈一侧的侧边径向风道流进线圈内密集的横向风隙，冷却线圈后再流经线圈另一侧的侧边径向风道，从槽楔通风孔排入转子和定子间的气隙；
第二路风由护环下方进入端部线圈直线段进风孔，流经端部线圈直线段轴向风道，冷却线圈后从端部槽楔风孔排入转子和定子间的气隙；
第三路风由护环下方进入端部弧线段进风孔，流经端部线圈弧线段横向风道，冷却线圈后从大齿甩风槽排入转子和定子间的气隙，护环下方安装径向向内伸长的绝缘隔板将护环下方风腔在周向方向上分割为成对进风区和出风区，出风区与大齿甩风槽连通，进风区与端部弧线段进风孔连通。
2.如权利要求1所述的采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，其特征在于：连通槽楔通风孔和一侧的侧边径向风道的通风孔，与连通另一侧的侧边径向风道和副槽的通风孔，在沿副槽长度方向上左右交错布置。
3.如权利要求1所述的采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，其特征在于：在一个侧边径向风道节距内，布置若干组横向风隙，横向风隙特征尺寸小于侧边径向风道特征尺寸。
4.如权利要求1所述的采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，其特征在于：转子线槽内线圈侧边径向风道的轴向长取其节距的5/6，侧边径向风道的宽取线圈宽的1/12；横向风隙的轴向宽取其节距的2/5，径向高度取线匝高度的1/6；线匝横向风隙节距取侧边径向风道节距的1/5。
5.如权利要求1所述的采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，其特征在于：端部线圈直线段轴向风道和端部线圈弧线段横向风道设置双排风道。
6.如权利要求1所述的采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，其特征在于：转子槽楔与转子表面平齐，槽楔无风斗，转子齿表面无横向引风槽。
7.如权利要求1所述的采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，其特征在于：槽楔通风孔沿轴线方向直径分组变化。
8.如权利要求1所述的采用副槽供风横向风隙冷却的汽轮发电机转子，其特征在于：转轴两端套装风扇，中心环下方安装旋转导流叶栅。
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