采用副槽供風橫向風隙冷卻的汽輪發電機轉子的制作方法

本發明屬于發電機轉子領域，涉及一種采用新型通風結構的汽輪發電機轉子，尤其涉及單機功率1200MW以上的單級風扇壓頭的全速汽輪發電機。

背景技術：

早期的汽輪發電機轉子使用外冷卻方式，線圈產生的熱量通過熱傳導作用傳遞到轉子外圓表面，再通過氣隙內冷卻氣體的對流散熱傳遞出去。由于外冷卻轉子的傳熱溫差大，發電機單機功率僅做到100MW；為滿足機組容量持續增長的需求，目前世界上以氣隙取氣和副槽供風為取風方式的內冷轉子被廣泛運用在大容量汽輪發電機產品中。其中：

氣隙取氣轉子沿軸向分為奇數個進風區和偶數個出風區，進風區槽楔加工進風斗，出風區槽楔加工甩風斗，轉子齒表面加工引風槽，裝配完成后的槽楔突出轉子表面，依靠風斗迎風與背風的氣流動壓差達到取風效果；為達到理想的取風效果，發電機定子沿軸向與轉子對應布置進出風區，并在風區間布置切向氣隙隔板，容量更大的發電機還要布置軸向氣隙隔板提高轉子風斗的取風能力。氣隙取氣方式因線圈冷卻風道形式不同可細分為斜流式和橫流式，斜流式氣隙取氣被大量應用于600MW～1000MW氫內冷轉子，但國內已投運1000MW汽輪發電機運行數據給出的氣隙取氣轉子熱點溫升已經接近熱考核限值，這表明如果仍采用現有通風結構，發電機單機容量會受到限制；橫流式氣隙取氣作為另一種強化傳熱方式，換熱面積大，傳熱溫差低，但對定轉子耦合通風結構有更為復雜和精細的設計要求。

副槽供風轉子利用線槽底部副槽風道供風，槽楔及線圈風孔加工簡單，冷卻氣體溫度基準比氣隙取氣低10K～20K。依據現有公知技術，副槽供風方式根據線圈冷卻風道形式可細分為單(雙)排徑向直風孔，交替徑向風孔，軸向風孔，分段軸向風孔。

已公開的專利ZL 201020557308.3描述了一種采用雙排徑向直風孔冷卻的空冷汽輪發電機副槽供風轉子。根據描述，該轉子線圈采用兩排徑向出風孔冷卻轉子中部，與采用單排徑向直風孔的冷卻結構相比，能夠增大線圈換熱面積，提高轉子的散熱性能。

另外，該專利還描述了轉子端部的兩路冷卻風道，線圈開設兩段軸向風道，空氣流過風道并帶走線圈熱量后進入氣隙。這種風路相比簡單的端部一路風道結構，風路長度減短、冷卻效果較好。

另一公開專利ZL 200410033045.5則描述了一種分段軸向風孔冷卻的汽輪發電機轉子。該轉子線圈槽內采用多組雙排軸向冷卻風孔，風孔內冷卻氣體的流向以轉子中心線為界對 稱分布，并與副槽內氣體流向保持一致；同時并列的雙排軸向風孔及風孔入口、出口位置相互錯開。這種結構使得副槽內冷卻氣體能夠更為均勻地分配到線圈風孔中，并且能夠較好地限制線圈熱點溫度，相比單(雙)排徑向風孔和簡單軸向風孔的冷卻效果更好。

上述技術公知在應用中存在一定局限性。目前世界上分段軸向冷卻轉子通風結構主要應用于1500rpm半轉速汽輪發電機(最大單機功率1760MW)。由于半速機轉子直徑大，端面副槽深度能夠達到80mm，可為8m至9m長的轉子本體提供不少于18.5m³/s的冷卻氣體，轉子溫升能滿足設計要求。相比之下，3000/3600rpm全速機轉子直徑要小一倍，受轉子齒根應力限制，副槽深度不可能達到半速機的水平，相同容量電機的副槽冷卻氣體遠不如半速機充足(≤10m³/s)。正因如此，采用徑向或分段軸向冷卻的副槽供風方式尚未應用于1000MW級全速汽輪發電機轉子，而國內單機功率1000MW級全速機采用的是多級風扇-軸向通風結構，其特點是發電機采用多級高壓小流量風扇供風，轉子以中心線為界對稱布置通長軸向風孔，冷卻氣體則依靠高壓風扇鼓風被送入轉子風孔，完成對轉子的冷卻后排入氣隙。這種發電機的風扇設計與安裝復雜，通風損耗遠高于其它機型，轉子僅在端面附近開設小副槽供冷卻氣體進入線圈軸向風孔的進風口。

綜合上述考慮，開發單機功率1200MW以上的全速汽輪發電機，轉子若采用現有斜流式氣隙取氣或副槽供風-徑(軸)向通風結構會存在較大技術難度，為此需提出一種適合全速機副槽深度和單級風扇壓頭，同時冷卻效果更佳的轉子通風結構，以保證線圈溫升滿足熱分級考核標準。

技術實現要素：

本發明的目的在于：提出一種采用新型通風結構的汽輪發電機轉子，解決單機功率1200MW以上的單級風扇的全速汽輪發電機轉子冷卻問題。

本發明目的通過下述技術方案來實現：

一種采用副槽供風橫向風隙冷卻的汽輪發電機轉子，轉子線槽嵌入線圈，線槽底部設有副槽，槽楔設有通風孔將轉子內部風道和外側氣隙連通，轉子兩端套護環，轉子線槽內的線圈兩側邊設有分別連通槽楔通風孔和副槽的側邊徑向風道，線圈內部設有徑向上密集分布的橫向風隙連通兩側邊徑向風道，相鄰節距橫向風隙的氣體流向相反并與副槽氣體流向垂直；護環下方的端部線圈直線段設有軸向風道，端部槽楔設有連通該軸向風道和氣隙的端部槽楔風孔；端部線圈弧線段設有橫向風道，大齒端部設有連通該橫向風道和氣隙的甩風槽；

該轉子的風路由三部分構成，第一路風由護環下方進入轉子副槽，然后經線圈一側的側邊徑向風道流進線圈內密集的橫向風隙，冷卻線圈后再流經線圈另一側的側邊徑向風道， 從槽楔通風孔排入轉子和定子間的氣隙；

第二路風由護環下方進入端部線圈直線段進風孔，流經端部線圈直線段軸向風道，冷卻線圈后從端部槽楔風孔排入轉子和定子間的氣隙；

第三路風由護環下方進入端部弧線段進風孔，流經端部線圈弧線段橫向風道，冷卻線圈后從大齒甩風槽排入轉子和定子間的氣隙，護環下方安裝徑向向內伸長的絕緣隔板將護環下方風腔在周向方向上分割為成對進風區和出風區，出風區與大齒甩風槽連通，進風區與端部弧線段進風孔連通。

上述方案中，轉子進風側與風扇出口連通，出風側與發電機氣隙連通；線槽徑向高度差在轉子旋轉時提供足夠的氣體流動能頭；線匝銑制等節距密集橫向風隙，提供轉子充足的熱交換面積；轉子副槽、各通風孔等為冷卻氣體提供必要的流道。

線圈橫向風隙內的氣流被控制在層流入口段流態，壁面的速度邊界層和熱邊界層均未建立，雖然風隙內氣流的速度低于徑向風孔和軸向風孔結構，但對流換熱系數可保持與軸向長風孔湍流換熱系數相當的水平。

本發明與現有技術公知(專利ZL 201020557308.3、專利ZL 200410033045.5)的不同在于，本體段線圈冷卻采用更為高效的密集橫向風隙結構實現，滿足更大單機容量的全速機在一定副槽深度和單級風扇壓頭條件下轉子冷卻的需求；取相同負荷、相同長度和直徑尺寸，轉子槽內熱點溫升降低約18％。

作為選擇，連通槽楔通風孔(風道出口)和一側的側邊徑向風道的通風孔(上通風孔)，與連通另一側的側邊徑向風道和副槽(風道進口)的通風孔(下通風孔)，在沿副槽長度方向上左右交錯布置。

上述方案中，槽內線圈側邊徑向風道及風道進出口對應的上、下通風孔沿副槽口迎背風側交錯布置，使得相鄰節距的橫向風隙氣體流向相反，與副槽氣體流向垂直，達到減小線圈橫向溫差的目的。

作為選擇，在一個側邊徑向風道節距內，布置若干組橫向風隙，且橫向風隙特征尺寸小于側邊徑向風道特征尺寸。

上述方案，通過合理利用橫向風隙和側邊徑向風道的組合，大幅度增加轉子槽內散熱面積，有效地提高了冷卻線圈的效率。其中，橫向風隙和側邊徑向風道的特征尺寸是指該風隙和風道的寬度和水力直徑。

作為選擇，轉子線槽內線圈側邊徑向風道的軸向長取其節距的5/6，側邊徑向風道的寬取線圈寬的1/12；橫向風隙的軸向寬取其節距的2/5，徑向高度取線匝高度的1/6；線匝橫向風隙節距取側邊徑向風道節距的1/5。

上述方案中，具有以上特征比例的橫向風隙有效散熱面積為側邊徑向風道散熱面積的300％；取相同負荷、相同長度和直徑尺寸，具有以上特征比例的轉子槽內總散熱面積可達到徑向風孔結構的200％以上。

其中，所述側邊徑向風道的軸向長，是指其在轉子軸向上的尺寸。

所述側邊徑向風道的節距，是指轉子軸向上相鄰兩側邊徑向風道的中心線之間的距離。

所述側邊徑向風道的寬，是指其在轉子周向(橫向)上的尺寸，也即其在線圈寬度方向上內陷的深度。

所述橫向風隙的軸向寬，是指其在轉子軸向上的尺寸。

所述橫向風隙的的節距，是指轉子軸向上相鄰兩組橫向風隙的中心線之間的距離。

所述橫向風隙的徑向高度，是指其在轉子徑向上的尺寸。

作為選擇，端部線圈直線段軸向風道和端部線圈弧線段橫向風道設置雙排風道。

上述方案中，相比現有技術的端部兩路冷卻風道，上述結構更為靈活，弧線段橫向風道數量可隨線圈長度做必要的調整，絕緣墊塊和風區隔板數量亦可隨之改變。

作為選擇，轉子槽楔與轉子表面平齊，槽楔無風斗，轉子齒表面無橫向引風槽。

上述方案中，與現有汽輪發電機氣隙取氣型轉子的不同在于，本體段冷卻氣體通過轉子線槽底部的軸向副槽進入線圈冷卻風道(側邊徑向風道和密集橫向風隙)，并從槽楔通風孔排入氣隙，在此方式下，轉子槽楔與轉子表面平齊，槽楔無風斗，轉子齒表面無橫向引風槽。

作為選擇，槽楔通風孔孔徑沿軸線方向分組變化。

上述方案中，通過調節槽楔通風孔的孔徑分布，能夠使轉子槽內的冷卻氣流分布更加均勻，達到軸線方向均勻冷卻的目的。

作為選擇，轉軸兩端套裝風扇，中心環下方安裝旋轉導流葉柵。

上述方案中，中心環下方安裝旋轉導流葉柵整流氣體流速與流向，減小端部線圈通風條件的迎背風差異和副槽口進風阻力，達到降低線圈局部熱點、保證線圈溫升更加均勻的目的。

前述本發明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發明可采用并要求保護的方案：如本發明，各選擇即可和其他選擇任意組合，本領域技術人員在了解本發明方案后根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本發明所要保護的技術方案，在此不做窮舉。

本發明的有益效果：對于開發單機功率1200MW以上的全速汽輪發電機，本發明是一種適合全速機副槽深度和單級風扇壓頭，同時冷卻效果更佳的轉子通風結構，可以保證線圈 溫升滿足熱分級考核標準。

附圖說明

圖1為本發明轉子裝配示意圖。

圖2為槽內三維裝配(圖1中的局部I)示意圖。

圖3為圖2截面E-E氣體流向示意圖。

圖4為圖2截面E-E相鄰節距的截面F-F氣體流向示意圖。

圖5為副槽和線槽內氣體流向示意圖。

圖6為端部風路示意圖。

附圖中各項分別為：1.轉軸 2.風扇 3.中心環 4.護環 5.護環絕緣 6.阻尼端環 7.阻尼條 8.轉子小齒 9.轉子大齒 10.大齒甩風槽 11.線圈絕緣墊塊 12.風區隔板 13.導流葉柵 14.槽底絕緣墊條 15.槽側絕緣 16.楔下絕緣墊條 17.槽楔 18.轉子銅線匝 19.匝間絕緣 20.端部槽楔 21.副槽 22.槽底絕緣風孔 23.線圈側邊徑向風道 24.線匝橫向風隙 25.楔下絕緣風孔 26.阻尼條風孔 27.槽楔風孔 28.端部線圈直線段軸向風道 29.端部槽楔風孔 30.端部線圈直線段進風孔 31.端部線圈弧線段橫向風道 32.端部線圈弧線段進風孔 33.護環下方的端部出風腔 34.護環下方的端部進風腔。

具體實施方式

下列非限制性實施例用于說明本發明。

參見圖1～圖6，本發明所述采用副槽供風橫向風隙冷卻的轉子，轉子槽楔17與轉子表面平齊，槽楔17無風斗(進風斗、甩風斗)，轉子齒9/10表面無橫向引風槽。轉軸1兩端套裝風扇2，轉子線槽嵌入線圈18(轉子銅線匝)，槽楔17和轉子線槽之間依次為槽內阻尼條7和楔下絕緣墊條16，線槽底部銑副槽21，線槽和副槽21之間為槽底絕緣墊條14，大齒9端部銑甩風槽10；槽底絕緣墊條14，以及楔下絕緣墊條16、槽內阻尼條7和槽楔17均加工有通風孔分別連通線槽和副槽21，以及線槽與轉子和定子之間的氣隙；轉子線槽內的線圈兩側邊分別銃制側邊徑向風道23，一側邊的側邊徑向風道23經楔下絕緣墊條16、槽內阻尼條7和槽楔17通風孔連通轉子和定子之間的氣隙(如未做特殊說明，下文氣隙均表示轉子和定子之間的氣隙)，另一側邊的側邊徑向風道23經槽底絕緣墊條14通風孔連通副槽21；線匝內部沿徑向銑等間距密集分布的橫向風隙24，橫向風隙24連通前述兩側邊的側邊徑向風道23；轉子兩端套護環4，中心環3下方安裝導流葉柵13，護環4下方的端部線圈直線段設有軸向風道29，端部槽楔設有連通該軸向風道29和氣隙的端部槽楔風孔29；端部線圈弧線段設有橫向風道32，大齒10端部設有連通該橫向風道32和氣隙的甩風 槽10。

轉子線槽的一個側邊徑向風道23節距內，布置若干組橫向風隙24，橫向風隙24特征尺寸小于側邊徑向風道23特征尺寸。作為一種優選，側邊徑向風道23的軸向長取其節距的5/6，側邊徑向風道23的寬取線圈18寬的1/12；橫向風隙24的軸向寬取其節距的2/5，徑向高度取線匝高度的1/6；線匝橫向風隙24節距取側邊徑向風道23節距的1/5。

本發明轉子風路由三部分構成：

第一路風由護環4下方(護環4和轉子轉軸1之間有間隙形成風腔，下同)進入副槽21，經槽底絕緣墊條14上開設的通風孔(槽底絕緣風孔22)、線圈一側的側邊徑向風道23流進密集的線匝橫向風隙24，冷卻銅線后再流經線圈另一側的側邊徑向風道23、楔下絕緣墊條16上開設的通風孔(楔下絕緣風孔25)、槽內阻尼條7上開設的通風孔(阻尼條風孔26)，從槽楔17上開設的通風孔(槽楔風孔27)排入氣隙；為合理控制線圈溫升高點，轉子線槽內截面布置應如圖3和圖4方案在軸向交替變化，變化距離與線圈側邊徑向風道節距相同，截面的氣流方向如圖中箭頭方向一致：即，側邊徑向風道23及風道對應的槽底絕緣風孔22、楔下絕緣風孔25沿副槽長度方向左右交錯布置。

第二路風由護環4下方進入端部線圈直線段進風孔30，流經端部線圈直線段軸向風道28，冷卻銅線后從端部槽楔風孔29排入氣隙；

第三路風由護環4下方進入端部線圈弧線段進風孔32，流經端部線圈弧線段橫向風道31，冷卻銅線后從大齒甩風槽10排入氣隙，護環4下方安裝徑向向內伸長的絕緣隔板12(風區隔板，由部分絕緣墊塊11向內徑方向伸長形成)將護環下方風腔在周向方向上分割為成對進風區34(護環下方的端部進風腔)和出風區33(護環下方的端部出風腔)，出風區33與大齒甩風槽10連通，進風區34與端部弧線段進風孔32連通；轉子進風側與風扇2出口連通，出風側與發電機氣隙連通。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。