1 前言
随着联合循环、热电联产、燃汽轮机发电机组及调峰机组的增加，对中等容量发电机组的需要越来越多，因此提高该类电机的性能和经济性，是电机工作者关心和追求的目标。
从上世纪中期开始，人们把冷却介质由空气转向氢气和水，使电机的冷却效果发生了飞跃，同时也使更大容量的汽轮发电机不断被研制出来。目前，国外汽轮发电机的最大单机容量已达1710MVA(4极)和1412MVA(两极)。我国在引进吸收和消化国外先进技术的基础上对原有电机进行了改型和优化设计，并相继开发和研制出多种新型电机。在1986年制成300MW双水内冷和全氢冷型汽轮发电机的基础上，1989年又试制成功优化型300MW水氢氢冷汽轮发电机，并投入运行。600MW的单机也逐步进入一些大的电力系统。这些电机的一些主要性能已经达到当今的国际水平。
与空冷汽轮发电机相比，氢冷汽轮发电机的设计和制造成本较高，它需要一个耐压机座、特殊的密封装置和附加的冷却气体处理设备，另外与氢气打交道的人员还要经过专门培训。
虽然相同容量的空冷发电机的体积较大，但许多方面空冷还是有优势的，如辅机系统少、安装维护方便、运行费用低等。另外因没有在打开电机前和重新充氢时要用CO2冲刷置换的工艺过程 ，空冷发电机的检修时间较短，操作也简单。因而，发电机采用空冷虽然效率略低于氢冷，但其总体经济效益提高了。为此，当前发电机的发展趋势之一便是在中大型的汽轮发电机中采用空气作为冷却介质。而如何实现这一目标则是科技工作者要研究的课题。
国内大容量空冷汽轮发电机的研制工作起步较晚，与国外大公司相比有较大差距。目前，国内容量最大的空内冷汽轮发电机就是本文所述的济南发电设备厂研制的135MW的空冷汽轮发电机。
以前，空冷发电机的容量仅能做到30MW以下。1989年，济南发电设备厂开始引进ABB技术 。1992年，第一台50MW空冷汽轮发电机试制成功。1994年，一台60MW的空冷汽轮发电机在深圳南山电厂并网运行。1999年，一台100MW的空冷发电机在吉林四平热电厂运行成功。目前，第一台135MW的空冷汽轮发电机已在山东里彦电厂并网运行。该厂空冷发电机单机容量演化情况见图1。
空冷的冷却能力比氢冷差，而且损耗大、效率低，因而增加空冷发电机容量的主要难题就是抑制线圈温度和降低包括风耗在内的各种损耗及解决材料强度的限制。在对135MW空冷汽轮发电机的研制中，借助了最新的热力学分析技术、结构分析技术和电磁分析技术，通过采用先进的通风系统和科学合理的结构以及恰当的工艺方法，解决了这些难题，实现了在较大容量汽轮发电机中使用空气作为冷却介质的目标。试验表明，已达到当今国际水平。
2 发电机主要数据
3 基本结构
该发电机根据积木块原理，按机座号进行设计。发电机定子采用空外冷，转子绕组为空内冷。冷却空气由发电机的两端轴流式风扇驱动形成密闭循环回路。采用分离式座式轴承、整体转子锻件、无刷励磁系统，结构紧凑合理(见图2)。
3.1 定子部分
3.1.1 定子铁心
定子铁心采用外压装结构。外压装使得观察叠压情况非常直观，调节也极方便，可使铁心各部分的叠压紧度相同，两个端面平行度保持在1mm以内，全长的弯曲不超过0.4mm，保证了铁心叠压的高质量。定子铁心压圈采用非磁性的硅铝合金制成，除具有良好的机械性能外，压圈在铁心端部形成了良好的屏蔽，降低了发电机的端部损耗。另外，铁心的弹性支撑使结构噪声明显减小，例如振幅减半，可使噪声降低6dB(A)。电机噪声的绝大部分是气动噪声，它主要是由风扇和自通风转子产生。由于直径较大，新型发电机气动噪声在没有任何相应措施的情况下将非常突出。因此，在定子机座的端部区域采取特殊的防音措施以吸收气动噪声并减弱向周围的传播。小的开口和缝隙会特别不利，因为噪声可以不受阻碍地向周围传播，因此，亦采取措施以保证机座尽可能地隔音。这些措施的作用在试验期间得到验证。按照DIN45635，在额定转速和额定电压下所测的噪声等级为94dB(A)，此值同纯机械运行获得值几乎一致。最终证明铁心的振动有效地从机座隔开了。
3.1.2 定子绕组
定子线棒绝缘全部采用F级少胶云母带包扎，VPI真空压力浸渍，提高了绝缘的行性，绝缘寿命可达40年，介电性能与整体性能较好。定子线圈端部采用L型并头套(图3)，焊接采用银焊，提高了焊接质量。
3.1.3 VPI系统
发电机的定子线棒绝缘采用少胶云母带绑扎，真空压力浸渍系统(简称VPI)，整个生产流水线的自动化水平很高。该绝缘系统的耐热等级为F级。该绝缘系统介电性优，整体性能好，提高了产品的耐用性和可靠性，具有当今国际先进水平。鉴于该部分是发电机定子的关键技术，将在下一章进行专门的研究。
3.1.4 防晕结构
发电机防晕结构采用外防晕的形式，就是用不同电阻率的防晕带使线圈表面的电位梯度分布均匀。并且线圈不同部位，所用防晕带也不同。因为线棒出槽口处电场十分集中，最易发生电晕，因此，从槽口低阻层开始包扎一定长度的防晕层，改善槽口的电场分布，提高槽口起晕电压。
3.1.5 定子的双机座结构
发电机定子铁心与机壳联结非常独特，采用悬挂式弹性联接，称双机座结构(图4)。整个铁心仅有几个带耳朵状的环通过管子与外机座焊接。此弹性联结用来减弱切向振动，而径向振动通过外机座的薄钢板来吸收以达到隔振效果。定子机座采用薄钢板焊接的上下两半结构。由于机座不但要承受定子的重量，引导空气的流动，而且还要吸收定子在运行时产生的振动，因此，机座的焊接工艺和质量要求非常严格。
3.2 转子部分
转子的主要部件是转子本体、转子绕组、阻尼系统、护环、风扇等。转子本体是一个带有联轴器的整体锻件，在励磁机端有一个中心盲孔，用于装配励磁引线。
转子护环采用高度抗腐蚀能力的材料18Mn18C制成。护环以悬挂结构安装在转子本体上。这种结构可使绕组中热膨胀所产生的应力不能传递到轴上。
风扇为轴流式风扇，风叶由硅铝合金锻造而成，叶片采用螺栓安装到风扇环上，风叶的俯仰角根据冷却所需风量而定。
转子采用空内冷，转子绕组由空心导线组成。导线上具有进出风口，由空气直接冷却导线，提高了冷却效果。因为空内冷发电机转子绕组在运行时，除了承受高速旋转产生的离心力外，还要承受因铜线间温度差异，与本体和绝缘材料之间的热膨胀不同所产生的热应力。如果这些应力总和超过了铜线的屈服极限，就会产生永久变形，引起匝间短路，振动增大，通风面积减少，甚至通风道错位造成堵塞。转子线圈在本体中部用绝缘销与转子本体固定，槽绝缘与绕组之间以及最上层导体和与之接触的槽帽之间均刷了一层润滑漆，护环绝缘与端部铜线之间同样涂一层润滑漆。运行时在离心力的作用下，转子绕组可看成一个整体，各匝间不会产生相对位移，热膨胀和收缩时转子线圈就能整体地在槽中心向两端轴向伸缩，消除了转子铜线的热应力。另外，转子线圈采用的含银冷拉铜线，具有较高的抗蠕变强度，而设计时的铜线应用应力远远小于铜线的屈服强度，成功地解决了转子绕组的有害变形问题。
3.3 轴承
该发电机采用分离式座式轴承。在发电机的每一端都有一个φ315座式轴承，励磁机后面有一个φ160座式轴承。轴承由水平分开的两半组成。轴瓦是钢制的，内衬巴氏合金。每个轴承都有一个顶轴高压油装置，以便在开机时减少轴承摩擦，便于启动。为防止轴电流通过轴承，发电机励端采用具有绝缘结构的轴承。绝缘附加在轴承环和轴承座之间，挡油环和顶轴高压油联结装置也有绝缘。
3.4 测量部分
定子绕组和定子铁心各有6个PT100的电阻测温元件围绕圆周平均分布，以便在运行中检测各处的温度。
每个冷风区里有电阻温度计PT100，用于遥测观察进风温度或接信号器。在每条热风区里有一个电阻温度计PT100，用于遥测或引出信号。在每条热风区里还有一个温度计并带有电接点。
每个轴承出油口处装有指针式温度计并带有电接点，以便观测油温或给出报警信号。轴瓦上也装有温度计来测量轴瓦温度。
在热风区有一个温度计并带有电接点，另设一只PT100电阻温度计。
以上各接线端均配在发电机汽端的接线盒内以供安装时集中接线。
3.5 励磁部分
135MW空内冷汽轮发电机的标准设计采用WBT95－2型无刷励磁系统，包括交流励磁机、副励磁机、旋转二极管整流器AVR。采用单整流环全波整流，旋转整流器的二级管采用阻容保护。励磁机磁场回路中装有二极管磁场继电器，间接地监视整流桥，以便在二极管万一阻断或击穿时，使发电机迅速跳闸，以保护其它二极管自动电压调节系统。AVR有双通道，其性能可满足发电机独立运行和并网运行多种工况较高的需求。其双通道励磁系统由两个独立的通道系统组成。一个通道处于运行状态，它完成发电机的电压调节，称主通道。备用通道装有控制和跟踪系统，在励磁过程中，主通道的工作一直被监视，并且自动跟踪备用通道，随主通道工作点调整，保证主通道从测量到输出之间发生故障时，主通道能平滑地，无扰动地向备用通道切换，整个系统不但具有较高的自动化水平，而且具有良好的可靠性。
3.6 通风部分
整个电机的冷却系统有两套对称回路与转子两端的轴流式风扇相对应。转子主要有两部分气流来冷却。一部分为进入气隙的冷却空气来冷却转子表面。另一部分为从护环下面进入转子导体内部的气流。其气流又分为两路，一路进入导体端部，然后由本体端部大齿上的月牙槽进入气隙，另一路由导体端部进入导体内部，沿轴向流向导体中部，然后由导体中的圆孔径向进入气隙(见图5)。
部分定子冷却空气直接进入气隙并在此处与来自转子端部线圈的冷却空气汇合，流经铁心中的径向通风沟，铁心中间有一30mm的通风道。然后排入机座气室中，经冷却器冷却返回风扇，重新投入循环。
另一路气流冷却定子端部线圈后沿轴向风道进入机座第2室，经铁心叠片进入气隙，并再次分流。一半沿进风方向折回第1气室；另一半与来自机组中部的转子冷却空气汇合，再沿叠片，经第3气室和第2冷却器返回风扇。
为防止长期运行后，由于冷却空气泄漏等原因而造成风量不足，特在机壳外端盖上又设置了两个空气过滤器，随时补充因泄漏而减少的空气。
4 主要试验
4.1 超速试验
1.2倍额定转速(3600r/min)下2min，在冷态下进行，不得发生有害变形。为了检查转子在超速过程中是否发生匝间短路等现象，在下列4种情况下测量转子绕组的阻抗及对地电阻值：①超速前转子静止时；②升速过程中到额定转速时；③超速后回到额定转速时；④超速后转子静止时。在超速过程中应测量两端轴承振动值额定转速时不大于0.038mm，1.2倍额定转速时不大于0.12mm(双振幅)。
轴承座振动值见表2。临界转速见表3。
关于转子的临界转速，国标规定：发电机转子临界转速应避开额定转速的10%。从超速试验的结果可知，其临界转速都在规定的转速范围之内。
4.2 耐压试验
直流耐压 48300V 60s 合格；
交流耐压定子 28600V 60s 合格；
转子 2330V 60s 合格；
4.3 空载短路特性试验
4.3.1 发电机空载特性
在额定转速下，定子供给他励电源，在滑环上测量整流后的直流电压，使之达到被试电机顶值电压，1min后再降到零。在上升和下降过程中各测7～9点，记录励磁电压、电流、转子电压、转速等(表4)，并以励磁电流和电压为坐标绘制特性曲线。
4.3.2 发电机短路特性
将被试电机在定子引出线端三相短路，拖动到额定转速，调节励磁电流使定子电流达到额定值的125%，然后逐渐减少励磁电流，依次记录7～9点的定子电流、激磁电压、激磁电流各值(表5)。
发电机空载短路特性见图6。
通过空载短路特性数据及其特性曲线可知，该电机的饱和度较适中，因为如果设计得太饱和将
使励磁绕组用铜太多，而且电压调节也较困难；如果饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，并且磁密偏低表示硅钢片的利用率较低，电机铁心消耗材料较多。
4.4 效率的测量
空载损耗/kW 903.8
定子绕组的基本铜耗/kW 160.8
磁损耗/kW 417.2
杂散损耗/kW 199.2
总损耗/kW 1682.0
效率/% 98.77
该机效率值接近氢冷汽轮发电机的效率，是比较理想的。
4.5 参数测定
5 结束语
以上就135MW空冷汽轮发电机的主要参数、技术特点、结构特点和试验结果作了描述。为设计这台空冷发电机，对结构设计、通风系统的研究作了大量的工作。通过工厂试验，认为样机的试验结果与设计方案是吻合的，部分指标超出了国家标准，满足了用户的需要。这为今后开发设计出更大单机容量的空冷发电机提供了经验。
随着科技的进步，一些新工艺、新材料不断被用于空冷汽轮发电机的制造上，再加上增大单机容量可降低发电机的造价和材料消耗量，降低电厂的基建安装费用及运行费用，同时为满足社会对空冷汽轮发电机的需求，国内外的电机制造商会加大开发力度，相信今后会有更大容量的空冷汽轮发电机产生。国内最大的空冷汽轮发电机生产基地(济南发电设备厂)正在建设的重型发电机车间，就是为开发200MW～300MW空冷汽轮发电机做准备的。相信经过电机工作者的努力，国内空冷发电机的容量与国外的差距会逐渐缩小。
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