CN1416201A

CN1416201A - 汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却自循环回路

Info

Publication number: CN1416201A
Application number: CN 01131397
Authority: CN
Inventors: 顾国彪; 黄德书; 傅德平
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-07
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: CN1191668C

Abstract

本发明汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，包括定子铁芯槽部冷却循环分回路、铁芯段之间的冷却循环分回路、和定子铁芯两端端部压圈与齿压板之间的冷却循环分回路，定子腔内注入高绝缘低沸点物化性能好的液体冷却介质，各部位的冷却循环分回路中的冷却液体均与定子腔内的冷却液体联通，冷却液体吸热沸腾气化后在循环回路中畅通流动，形成自循环运行，使定子的各部分都得到有效地冷却。本发明蒸发冷却循环回路不仅具有水、氢和空冷的所有优点，而且完全杜绝了现有技术水、氢冷介质因泄漏而损害绝缘和氢爆炸事故的发生，在大型汽轮发电机和特种电机中有广阔的应用前景。

Description

汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却自循环回路

技术领域

本发明涉及一种用高绝缘低沸点不燃爆液体介质冷却汽轮发电机定子铁芯、绕组线圈及其固定部件的自循环蒸发冷却回路的结构。

背景技术

现有技术中，汽轮发电机的定子铁芯、绕组线圈及其固定部件，常用的冷却方式为气体(空气、氢气)冷却和水冷却(简称水冷)，它们各有其利弊。气体以其无孔不入对大面积分散发热部件，如铁芯等的冷却比较有利，但对集中发热部件如绕组线圈和端部结构件等则容易形成局部过热区，从而影响绝缘寿命及电机的安全运行。而水冷则与气体冷却相反，对于大面积分散发热部件，水冷布置较为困难。因而大型汽轮发电机，普遍采用水—氢—氢，或水—水—氢，或水—水—空三种混合冷却方式。

上述几种冷却方式都是利用流动的液体或气体介质的“比热”带走各部件的损耗所产生的热量。这些冷却方式的共同特点是：由于电机定子绕组内部均采用水内冷，铁芯及其发热部件都采用空气或氢气冷却，因此具有绕组线圈电流密度高、用铜量少、电机尺寸小、运行温度低和过载裕度大等优点。缺点是：水是一种导电率高的介质，氢是一种易爆性的气体介质。因此，水一旦从绕组线圈内部向外泄漏，就会发生破坏绕组线圈绝缘或造成相间短路的重大事故。氢泄漏会发生更严重的爆炸事故。以上这种事故在运行时间较长的水、氢冷机组中发生尤为频繁和严重。而且随着发电机单机容量的不断增大，以上几种冷却方式已经满足不了大容量机组的冷却要求。

由于水、氢冷却介质是导致重大事故的隐患，并且满足不了发展特大型汽轮发电机组的冷却技术要求。所以寻找新的冷却介质，研究新的冷却技术，提高电机的安全运行的可靠性的要求变得越来越迫切。目前很多国家都重视新型冷却技术的研究开发。途径之一是，采用不燃烧、不导电、无毒的液体介质来替换水、氢冷却介质。如俄罗斯、瑞士、日本和加拿大等国，将在300～500MW以上等级容量发电机上采用不燃爆的液体介质来冷却电机。

在大型电机新型冷却技术方面，我国自主研究开发的蒸发冷却技术独树一帜。所谓蒸发冷却，是把冷却液体灌入电机定子腔内，利用液体介质气化吸热的原理来冷却电机。蒸发冷却选用的冷却介质具有高绝缘、低沸点、安全、无毒、稳定的特性，如氟利昂-113及其替代品新氟碳化合物。

以高绝缘低沸点介质替代水、空气、氢气冷却介质的蒸发冷却技术，除了保持了水、空、氢冷介质冷却的所有优点外。还具有以下的特点：(1)冷却温度低、温度分布更加均匀、无局部过热点；(2)低沸点介质(氟利昂-113及其替代品新氟碳化合物)的绝缘性能高、物理和化学性能好，不会有类似水、氢冷介质因泄漏而损害绝缘和爆炸的事故，也没有氧化物堵塞的问题；(3)灌入的冷却液体对电机定子绕组线圈起到部分主绝缘的作用，同时还能够有效地抑制绕组线圈在槽内和端部槽口的电晕放电；(4)转子取消了轴两端的风扇，增加了定子、转子之间的隔离套筒，降低了风摩损耗，而且转子即使发生冷却水泄漏也不会影响定子绝缘；(5)没有水处理系统和供氢储氢设备；(6)电机定子结构采用整体性密闭，定子腔内的部件一直保持在清洁的工况下运行。因此，在对机组进行一般维修时，定子也就无须检修。

由于汽轮发电机转子的转速高，单位功率所用材料少，是发热比较集中的装置。就其各部分的损耗分布，比损耗以绕组为最高，端部结构件和铁芯次之。因而冷却设计应针对不同区域的不同特点而区别处置。当定子采用全浸式蒸发冷却，以新型冷却介质替代水、氢气、空气冷却介质时，除了要保持蒸发冷却汽轮发电机的运行优点和安全可靠地运行，还必须要解决以下关键性技术问题：(1)对定子绕组线圈，在定子铁芯槽里必须要有冷却液体的冷却循环回路通道，使液体吸热沸腾气化后的气、液两相流动尽量畅通；(2)在定子铁芯段与铁芯段(风道)之间，必须要合理地设计冷却液体的流动循环回路结构，(3)定子铁芯两端端部的压圈，必须要有上下进液冷却循环通道，使端部得到有效地冷却。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽轮发电机定子的全浸式蒸发冷却循环回路。本发明设计是针对汽轮发电机定子结构的特点和水、氢气冷却介质存在的问题，在现有技术定子的主要结构更改不大的情况下，提供一种定子全浸式蒸发冷却循环回路，循环回路中注入高绝缘低沸点和物化性能稳定的冷却介质，在汽轮发电机定子腔内形成自循环蒸发冷却，并且保证其有效的冷却和安全可靠地运行。

众所周知，汽轮发电机的定子铁芯、绕组线圈和其固定部件以及转子是构成定子、转子的磁路、电路的磁体与导体的组合，是由许多部件和构件组成的。要说明的是，本发明汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路是在现有技术冷却结构基础上设计的，其定子铁芯、绕组线圈、冷凝器、隔离套筒、定子压圈和固定部件以及转子是构成本发明循环回路的部件或构件，而它们本身并不是本发明的内容。但是为了叙述方便起见，在申请文件中，它们作为本发明的组成部分一并叙述。

本发明汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，组成汽轮发电机定子的部件装在定子腔中，包括定子铁芯、铁芯槽、定子绕组线圈、机组两端即汽轮机端和励磁机端的压圈与齿压板，该蒸发冷却循环回路中有定子铁芯槽部的冷却循环分回路，铁芯段之间的冷却循环分回路，定子铁芯两端压圈与齿压板之间的冷却循环分回路；所述定子铁芯槽部的冷却循环分回路与铁芯段之间的冷却循环分回路的冷却通道连通，所述铁芯段之间的冷却循环分回路的各冷却通道并联联通，所述定子两端端部压圈与齿压板之间的冷却循环分回路的各冷却通道并联联通；定子腔内注入高绝缘、低沸点的冷却液体，直至灌入的冷却液体自动流入所述三个冷却循环分回路中，使定子绕组线圈、定子铁芯和两端部的齿压板与压圈全部浸没在冷却液体中，冷凝器装在机座顶部，以其下部的开口与定子腔顶部的开口联通。

本发明定子铁芯槽的冷却循环分回路中，槽的形状为开口槽，槽口嵌入槽楔，槽的垂直于其轴线的剖面为矩形，其中顺序嵌入槽底垫条、绕组线圈的直线段和槽楔楔下垫条，两个绕组线圈之间还嵌入层间垫条；所述嵌入槽内的绕组线圈直线段的主绝缘上分段缠绕一层固定绝缘层，使之作为槽固定，即固定绝缘层的宽度与槽宽相同，固定绝缘层的段数等于铁芯的段数；在主绝缘层上分段缠绕固定绝缘层的凸出绝缘层，凸出绝缘层的位置正好对应于一段铁芯段的中间部位，两个凸出绝缘层之间的下凹段正好对着各个铁芯段与铁芯段之间的冷却循环分回路通道，二者联通构成汽液两相冷却液体的自循环冷却通道。

本发明定子铁芯段冷却循环分回路设在铁芯段与铁芯段之间的通风沟处，其铁芯为环形，由N片扇形铁片迭拼装而成，扇形铁片沿内径边开有若干个径向槽；通风沟处装有扇形通道铁片，该扇形通道铁片是在相同形状的每一扇形铁片的同个面上，有许多个等高的金属小切块凸起，这些金属小切块沿径向间隔有序排列，每一通风沟处迭装入若干个扇形通道铁片，小切块的间隔空隙处形成冷却循环分回路通道。

本发明压圈与齿压板之间的冷却循环分回路大体呈圆盘状，齿压板装在定子铁芯端面，压圈在齿压板之间形成冷却腔，压圈用螺栓装在机座上，压圈的压脚压紧齿压板，大体呈圆形的压圈上外圆上有沿圆周均匀分布的径向通孔，端面有沿圆周均匀分布的平行与轴线的通孔，这些通孔使压圈的冷却腔与外部贯通。

本发明汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路中各冷却循环分回路互相联通。安装在机座顶部的冷凝器为直交式冷凝器。

本发明汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，为冷却液体吸热沸腾气化过程中的气液两相流体提供了畅通流动的通道，而气液两相流体在各自通道内的流动则借助于安装在定子腔顶部的冷凝器来完成。

本发明蒸发冷却循环回路中，定子铁芯槽部冷却循环分回路在定子铁芯内圆沿圆周均匀分布，它们的数量等于定子的槽数。设定子槽数为N。铁芯段与铁芯段(通风沟)之间的冷却循环分回路为M个，M等于定子铁芯段的总数减1，它们沿定子铁芯轴向长度每隔一相等距离布置一个。端部铁芯齿压板与压圈之间的循环分回路为两个，分别位子在定子铁芯两端。所述安装在机座顶部的冷凝器的进气口和滴液口通过法兰与机座顶部的出口联通。

本发明循环回路及发电机定子腔内灌入高绝缘低冷却液沸点介质，如氟利昂-113，或其替代品新氟碳化合物，如HCFC-141b或CH₃CFCl₂。定子内部为常温(40C～90C)蒸发冷却方式。

本发明汽轮发电机定子槽部和铁芯段之间及端部压圈与齿压板之间的循环回路通道中，冷却循环回路中的冷却液体都能够畅通无阻地流动。因此，进入定子槽部和铁芯段之间及压圈与齿压板之间的部件表面都能及时得到充足的冷却液体浸润。当发电机组运行时，绕组、铁芯、压圈、齿压板及其他部件中，由于能量损耗而产生大量热量，使充满在其周围的冷却介质温度升高。当冷却介质达到了与压力相对应的饱和温度，就开始沸腾，吸收热量而变成蒸气，从而使发热部件得到充分冷却。因为蒸汽密度小于液体，产生浮力而向上浮升。在重力加速度的作用下，浮升上去的蒸气遇到安装在机座顶部的冷凝器的冷凝管，将热量传给二次冷凝水之后，冷凝成液体滴落到下部的定子腔内，进而重新进入各自的冷却循环回路通道中，形成周而复始的自循环运行过程。

本发明汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路结构，不仅具有水、氢和空冷的所有优点，而且因采用低沸点、高绝缘性、物化性能好的氟利昂-113及其替代品新氟碳化合物作为冷却介质，完全杜绝了水、氢冷介质因泄漏而损害绝缘和氢爆炸事故的发生，省去了水处理系统和供氢储氢设备，并且因为冷却液体密闭、蒸发冷却循环运行。特别是本发明冷却循环回路，是根据电机定子各部分损耗分布和不同区域的不同特点而设计的，使电机定子的各个部位均得到有效地冷却，从而较好地解决了电机在运行过程中的局部过热问题。

本发明汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，在大型蒸发冷却汽轮发电机，特别是600MW以上容量等级的超临界机组，以及作为军用舰船动力的发电机中，都具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路机组总装配示意图。

图2是本发明汽轮发电机定子铁芯槽部和铁芯段冷却循环分回路横断面图。

图3是本发明汽轮发电机定子铁芯槽部和铁芯段冷却循环分回路纵向剖视图。

图4是图2中本发明的绕组线圈直线部分的绝缘结构图。

图5是图4之B-B剖视放大图。

图6是图2中本发明汽轮发电机定子铁芯段冷却循环分回路结构图。

图7是图6之O-C剖视图。

图8是图1中A局部放大图，表示压圈与齿压板冷却循环分回路结构。

表1是采用本发明的50MW汽轮发电机定子浸泡式蒸发冷却机组并网运行记录数据。表示定子铁芯和定子绕组层间平均温度的变化。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明内容进一步详细说明。

首先请参见图1。本发明蒸发冷却循环回路，包括汽轮发电机的定子机座10、端盖20、安装在机座顶部的冷凝器30、与机座两端端盖连接的隔离套筒40、定子绕组线圈50(它由许多线圈组成)、铁芯60(它由许多扇形铁片叠压而成)、压圈70(定子铁芯两端各一个)和铁芯两端端部齿压板80。电机定子浸泡式蒸发冷却循环回路分为三个部分：(1)定子铁芯槽部冷却循环分回路900(图3)，它是设置在铁芯内圆的各个槽里所嵌入的二个绕组线圈的直线段的固定绝缘的两侧；(2)定子铁芯段冷却循环分回路100(图3)，它设置在沿轴线方向安装的定子铁芯段之间；(3)定子铁芯两端端部压圈与齿压板的冷却循环分回路300(图8)，它包括呈环状的压圈状沿圆周均分的径向孔811和端面一圆周上均布的轴向孔813。

定子铁芯槽部冷却循环分回路900如图2、图3、图4和图5所示。它由铁芯60和槽楔902组合而成，其横向剖面为矩形，图2内部由一层槽楔楔下垫条903、一层绕组层间垫条904、一层槽底垫条905和两个绕组线圈50的直线段。两个绕组线圈50的直线的主绝缘上等间隔缠绕一层固定绝缘层906，均采用30mm左右宽的绝缘带。以轴向长度相隔矩离约30mm左右分段缠绕(用厚度约0.5mm)的绝缘层凸起907并且使绝缘层凸起数应等于定子铁芯段数。这样两个绕组线圈边的直线段50嵌入定子铁芯槽内。直线部分的绝缘外层包缠的绝缘层凸起907，正好对应于一段定子铁芯段901，两个绝缘层凸起907之间的下凹部位，也正好与铁芯段之间的冷却循环分回路100的通道对正，并使二者联通；

定子铁芯段冷却循环分回路100，如图4图5和图8所示。它由铁芯段901(由许多扇形片110拼叠而成)、通道扇片111和金属小切块112焊接后拼成。其中冷却通道用金属通道扇形片111、在同一侧面和若干个金属小切块112有系排例焊接成如图6和图7所示的扇形通道单元113。该扇形通道单元113，在定子铁芯叠压过程中，根据铁芯冷却通道数，每个通道放入若干个扇形通道单元113拼成；

端部压圈与齿压板冷却循环分回路114，如图1和图8所示。它由压圈70和齿压板80组合而成，其中在压圈70的环状外圈壁沿圆周和轴向均匀开有若干个孔801，冷却液体通过孔801自由出入。安装在机座顶部的冷凝器30选用的是普通的直交式结构的热交换冷凝器。

使用本发明技术方案的一个实例50MW蒸发冷却汽轮发电机如图1、图3和图8所示。定子铁芯60和定子绕组线圈50全部浸泡在冷却液体中。转子为水内冷。定子铁芯60的内圆和转子之间用玻璃钢套筒40隔开。机座顶部装有冷凝器30。定子的电流输出引线由6个特制的玻璃钢套管与机座底部的出线盒相固定。机组与外部连接的还有进液、放液、液位监测器和电机常规监测元件引线等。机组安装完成后定子腔内灌入冷却液体。随后，从定子腔内灌入的冷却液体自动流入定子铁芯槽部冷却循环分回路900，定子铁芯段冷却循环分回路100和铁芯两端部压圈70与齿压板80的冷却循环分回路300。

表1是50WW蒸发冷却汽轮发电机在各种工况下的运行记录数据。从这些记录数据可知，定子冷却采用全浸式蒸发冷却后，定子铁芯和绕组线圈层间的温度是低于常规冷却方式的机组，完全符合汽轮发电机的冷却技术要求。

表1

无功兆乏	定子铁芯的平均温度℃	定子绕组层间的平均温度℃
无功兆乏	定子铁芯的平均温度℃	定子绕组层间的平均温度℃	10	39	53
20	44	54	10	39	53
20	44	54	30	45	54
40	45	54	30	45	54
40	45	54	50	48	57
-10	46	50	50	48	57
-10	46	50	-5	42	50

Claims

1、汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，组成汽轮发电机定子的部件装在定子腔中，包括定子铁芯、铁芯槽、定子绕组线圈、机组两端即汽轮机端和励磁机端的压圈与齿压板，其特征在于该蒸发冷却循环回路包括定子铁芯槽部的冷却循环分回路，铁芯段之间的冷却循环分回路，定子铁芯两端压圈与齿压板之间的冷却循环分回路；所述定子铁芯槽部的冷却循环分回路与铁芯段之间的冷却循环分回路的冷却通道连通，所述铁芯段之间的冷却循环分回路的各冷却通道并联联通，所述定子两端端部压圈与齿压板之间的冷却循环分回路的各冷却通道并联联通；定子腔内注入高绝缘、低沸点的冷却液体，直至灌入的冷却液体自动流入所述三个冷却循环分回路中，使定子绕组线圈、定子铁芯和两端部的齿压板与压圈全部浸没在冷却液体中，冷凝器装在机座顶部，以其下部的开口与定子腔顶部的开口联通。

2、根据权利要求1所述的汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，其特征是所述定子铁芯槽的冷却循环分回路中，槽的形状为开口槽，槽口嵌入槽楔，槽的垂直于其轴线的剖面为矩形，其中顺序嵌入槽底垫条、绕组线圈的直一段和槽楔楔下垫条，两个绕组线圈之间还嵌入层间垫条；所述嵌入槽内的绕组线圈直线段的主绝缘上分段缠绕线层固定绝缘层，使之作为槽固定，即固定绝缘层的宽度与槽宽相同，固定绝缘层的段数等于铁芯的段数；在主绝缘层上分段缠绕固定绝缘层的凸出绝缘层，凸出绝缘层的位置正好对应于一段铁芯段的中间部位，两个凸出绝缘层之间的下凹段正好对着各个铁芯段与铁芯段之间的冷却循环分回路通道，二者联通构成汽液两相冷却液体的自循环冷却通道。

3、根据权利要求1所述的汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，其特征是其中的定子铁芯段冷却循环分回路设在铁芯段与铁芯段之间的通风沟处，其铁芯为环形，由N片扇形铁片迭拼装而成，扇形铁片沿内径边开有若干个径向槽；通风沟处装有扇形通道铁片，该扇形通道铁片是在相同形状的每一扇形铁片的同个面上，有许多个等高的金属小切块凸起，这些金属小切块沿径向间隔有序排列，每一通风沟处迭装入若干个扇形通道铁片，小切块的间隔空隙处形成冷却循环分回路通道。

4、根据权利要求1所述的汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，其特征是所述压圈与齿压板之间的冷却循环分回路大体呈圆盘状，齿压板装在定子铁芯端面，压圈在齿压板之间形成冷却腔，压圈用螺栓装在机座上，压圈的压脚压紧齿压板，大体呈圆形的压圈的外圆上有沿圆周均匀分布的径向通孔，端面有沿圆周均匀分布的平行与轴线的通孔，这些通孔使压圈的冷却腔与外部贯通。

5、根据权利要求1所述的汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，其特征是安装在机座顶部的冷凝器为直交式冷凝器。

6、根据权利要求1所述的汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，其特征是各冷却循环分回路互相联通。

7、根据权利要求1所述的汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却循环回路，其特征是循环回路及发电机定子腔内灌入高绝缘低冷却液沸点介质，如氟利昂-113，或其替代品新氟碳化合物，如HCFC-141b、或CH₃CFCl₂。