發電機結構介紹
1 發電機基本構成
汽輪發電機主要由定子、轉子、端蓋和軸承等部件組成，具體的發電機結構見下圖。
2 發電機冷卻方式
發電機的發熱部件，主要是定子繞組、定子鐵芯(磁滯與渦流損耗)和轉子繞組。必須採用高效的冷卻措施，使這些部件所發出的熱量散發除去，以使發電機各部分溫度不超過允許值。
發電機採用水-氫-氫冷卻方式，即發電機定子繞組及引線是水內冷，發電機的轉子繞組是氫內冷，轉子本體及定子鐵芯是氫冷。為此，發電機還設有定子水冷系統，發電機氫冷系統和為防止氫氣從軸封漏出的密封油系統。
3 發電機定子
發電機定子主要由機座、定子鐵芯、定子繞組、端蓋等部分組成。
1)機座與端蓋
機座是用鋼板焊成的殼體結構，它的作用主要是支持和固定定子鐵芯和定子繞組。此外，機座可以防止氫氣洩漏和承受住氫氣的爆炸力。
在機殼和定子鐵芯之間的空間是發電機通風(氫氣)系統的一部分。由於發電機定子採用徑向通風，將機殼和鐵芯背部之間的空間沿軸向分隔成若干段，每段形成一個環形小風室，各小風室相互交替分為進風區和出風區。這些小室用管子相互連通，並能交替進行通風。氫氣交替地通過鐵芯的外側和內側，再集中起來通過冷卻器，從而有效地防止熱應力和局部過熱。
端蓋是發電機密封的一個組成部分，結構如圖所示。為了安裝、檢修、拆裝方便，端蓋由水平分開的上下兩半構成，並設有端蓋軸承。在端蓋的合縫面上還設有密封溝，溝內充以密封膠以保證良好的氣密。
軸瓦採用橢圓式水平中分面結構，軸瓦外園的球面形狀保證了軸承有自調心的作用。
在轉軸穿過端蓋處的氫氣密封是依靠油密封的油膜來保證。密封瓦為銅合金製成，內圓與軸間有間隙，裝在端蓋內圓處的密封座內。密封瓦分成四塊，在徑向和軸向均有卡緊彈簧箍緊，儘管密封瓦在徑向可以隨軸一起浮動，但在密封座上下均有銷子可以防止它切向轉動。密封油經密封座和密封瓦的油腔流入瓦和軸之間的間隙沿徑向形成油膜以防止氫氣外洩。
在滑環端軸承及油密封設有對地絕緣以防止軸電流損傷轉軸。
2)機座隔振——定子彈性支撐
為了減低由於轉子磁通對定子鐵芯的磁拉力引起的雙頻振動，以及短路等其它因數引起的定子鐵芯振動對機座和基礎的影響，在定子鐵芯和機座之間採用臥式彈性隔振結構。
彈性隔振結構形式如左圖所示：在定位筋的背部裝彈簧板，彈簧板通過墊塊，用螺栓固定在定位筋的背部，彈簧板中部與機座內的隔板相連，構成彈性隔振結構。
3)定子鐵芯
定子鐵芯是構成發電機磁路和固定定子繞組的重要部件。為了減少鐵芯的磁滯和渦流損耗，定子鐵芯採用導磁率高、損耗小、厚度為0.5mm的優質冷軋硅鋼片衝制而成。每層硅鋼片由數張扇形片組成一個圓形，每張扇形片都塗了耐高溫的無機絕緣漆。衝片上衝有嵌放線圈的下線槽及放置槽楔用的鴿尾槽。扇形衝片利用定子定位筋定位，通過球墨鑄鐵壓圈施壓，夾緊成一個剛性圓柱形鐵芯，用定位筋固定在內機座上。齒部是通過壓圈內側的非磁性壓指來壓緊。邊段鐵芯塗有粘接漆，在鐵芯裝壓後加熱，使其粘接成一個牢固的整體，進一步提高鐵芯的剛度。
為了減少端部漏磁通在壓圈和邊段鐵芯中引起的發熱，和在端部鐵芯中的附加電氣損耗，在壓圈上裝有全銅屏蔽;邊端鐵芯為階梯狀以增加鐵芯內園與轉子之間的氣隙;並在齒上衝有小槽。
轉子繞組端部存在大量的漏磁通,另外,發電機運行時定子繞組在鐵芯端部也產生大量的漏磁通,這些漏磁通主要是垂直進入端部定子鐵芯,從而感應出垂直於軸向的渦流,引起鐵芯端部過熱.發電機在欠勵條件下運行時,定子繞組會產生更多的漏磁通, 使鐵芯端部過熱更為嚴重。為了減少端部漏磁通在壓圈和邊段鐵芯中引起的發熱和在端部鐵芯中的附加電氣損耗,上海電機公司採取了以下措施:
a)鐵芯端部設計成階梯狀
鐵芯孔兩端逐漸放大,這可以防止轉子漏磁通量過多聚集在定子鐵芯端部,而且可以使部分漏磁通轉變成垂直於定子軸線的徑向磁通,從而減少損耗降低端部過熱。
b)在轉子線圈端部採用非磁性護環。
通過勵磁繞組護環的去磁作用,增加了漏磁通的磁阻,從而減少了轉子端部漏磁通對定子鐵芯的影響。
c)在鐵芯端部表面,採用一塊銅防護板,既所謂的電屏蔽環
採用電屏蔽的目的是防止端部大部分軸向漏磁通穿過鐵芯。因為鐵芯端部採用階梯形後，壓圈處的漏磁會有所增加,利用漏磁通能在銅防護板內產生的大量渦流,此渦流的方向將阻止漏磁通穿過。而銅與用作鐵芯端片的石墨鑄鐵相比,電阻率只有約1/5,根據磁穿透深度定律,損耗降到大約1/2,而且銅的導熱係數是石墨鑄鐵的5倍,因而,銅防護板不會出現過熱。
d)鐵芯端部壓圈和鐵芯端板(壓指)採用高電阻率、低導磁率材料
這種材料增大了銅防護板和鐵芯間的磁阻，使漏磁通不易穿過鐵芯，高電阻率又使該部位渦流減小，故此部件也不會過熱。
e)在鐵芯端部扇形體上開槽
由於在鐵芯端部扇形齒部開槽隙，使得渦流流動面積減少了約1/2，於是渦流損耗減小了約3/4。
f)冷卻風系統中，加強對端部的冷卻。
4)定子繞組
定子繞組的端部結構如下圖所示，它是由嵌入鐵芯槽內的絕緣線棒在端部聯結成的線圈，繞組端部為籃式結構，並且由引線環連接成固定的相帶。採用連續式F級環氧粉雲母絕緣系統，表面有防暈處理措施。
在負載運行條件下，定子繞組會產生自感應渦流損耗，為減少這種損耗，定子線棒採用了羅貝爾換位形式。所謂換位，就是在線棒編織時，讓每根線棒沿軸向長度，分別處於槽內不同高度的位置，這樣每根線棒的漏電抗相等，使每根導體內電流均勻，減少直線及端部的橫向漏磁通在各股導體內產生的環流及附加損耗。
定子線棒由矩形的空心和實心股線混合編織而成，定子繞組就是通過空心股線中的水介質來冷卻的。定子線棒端部的所有股線均焊接到水電接頭上，通過銅帶將兩根線棒水電接頭焊在一起形成電氣連接，構成一匝線圈;而所有空心股線中的冷卻水通過水電接頭的水路接至靠滑環端的匯流母管，並經絕緣引水管進入線圈。在發電機的集電環端設有一條進水母管;在汽機端部設有一條出水母管。冷卻水流通道為單向型，即從集電環端流向汽機端。
匯流母管是直接接地的，從線圈到匯流母管間的連接是採用單個加強型絕緣管，這種絕緣管設計上能夠受發電機的運行電壓，這就保證了線圈的對地絕緣。但對於這種結構，測量線圈絕緣卻是不方便的。
1-槽底墊料 2-主絕緣 3-實心線 4-層間墊料 5-半導體彈性波紋板 6-空心線 7-傳動墊條 8-滑動楔塊 9-錐形楔銷
定子線棒在槽內的固定如上圖所示，它有良好的固定：側面有半導體彈性波紋板，徑向還用帶斜度的槽楔組合固定。定子繞組端部設有特殊的支撐系統，用浸膠滌玻繩幫扎固定在由玻璃鋼支架和綁環組成的端部固定件上，幫扎固定後進行烘焙固化，使整個端部在徑向和周向上為剛性固定，確保端部固有頻率遠離倍頻，避免運行中發生共振。軸向可沿支架滑銷方向，隨負載或工況變化而自由地移動，大大減少了由於負載或工況變化在繞組和支撐系統引起的應力，提高了機組運行的可靠性及滿足機組調峰運行的要求。
5)發電機出線
發電機各相和中性點出線均通過集電環端機座下部出線罩引出機座，在出線罩與定子外機座之間放置有密封墊以維持氣密性。出線罩板採用非磁性材料以減少定子電流產生的渦流損耗。出線罩板下方開有排洩孔以防止引線周圍積存油或水。
定子出線及氫冷迴路如上圖所示。定子出線通過高壓絕緣套管穿出機殼外，套管由整體的陶瓷和銅導電杆組成，導電杆兩端鍍銀。過渡引線及出線套管均採用氫氣內冷，套管上裝有電流互感器供測量和保護用。
6)測溫元件和出線板
a)熱電阻
在定子繞組的每一相的最熱點埋設有檢溫計(R.T.D)，測量繞組的溫度。而線棒溫度，採用每個槽內上下層線棒間埋置的電阻檢溫計來測量。鐵芯溫度用埋置的熱電偶測量。此外，在冷卻器的進風區埋設有電阻檢溫計，以測量冷卻器的進出風溫。
所有機內的檢溫計均通過機座下部的接線端子板引出。
b)熱電偶
由於發電機在欠勵運行時，定子端部部件的溫度會很高，這些部位均埋設熱電偶以測量溫度。
在定子壓圈，銅屏蔽和鐵芯邊端齒部測量部位所安裝的熱電偶是銅-康熱電偶，其傳感部件焊在測點位置。
定子線圈出水溫度，採用佈置在出水接頭上的熱電偶測量。
軸瓦溫度採用埋置在鎢金下的熱電偶測量。
熱電偶的股線和保護套之間的間隙用陶瓷物質填充，使股線與外層空氣隔絕，並可避免熱電偶在空氣中和高溫下被腐蝕。
熱電偶引線(玻璃絲包股線)被引至測溫端子箱的出線板上。
4.發電機轉子
1)轉子本體
發電機轉子是由一根整體合金鋼鍛件加工而成，在轉子本體上徑向地開有許多縱向槽用於安裝轉子繞組, 同時作為磁路。轉子繞組在槽內由鋁合金和鋼槽楔緊固以抵禦離心力。這種磁性和非磁性兩種槽楔的應用能夠保證合理的磁通分佈。這些槽楔均楔入了轉子槽口處的鴿尾槽內。
轉子大齒上加工橫向槽(即月牙槽)，用於均衡大、小齒方向的剛度，以避免由於它們之間的較大差異而產生倍頻振動。
如上圖所示，為減少由於不平衡負荷產生的負序電流在轉子上引起的發熱，提高發電機承受不平衡負荷(負序電流和異步運行)的能力，採用了半阻尼繞組，在轉子本體兩端(護環下)設有阻尼繞組。該半阻尼繞組只在轉子兩端裝梳齒狀的用紫銅板製成的阻尼環，其梳齒伸進每個槽及大齒上阻尼槽的槽楔下，由槽楔壓緊。阻尼電流通路是由護環、槽楔、阻尼銅條形成的阻尼系統。
2)轉子繞組
轉子繞組由高強度含銀銅線製成，具有較高的抗蠕變能力，從而提高了發電機承擔調峰負荷的能力。
為防止由於離心力的作用，對轉子繞組端部產生破壞，轉子線圈放入槽內後，槽口用鋁合金槽楔和鋼槽楔固緊，以抵禦轉子高速旋轉產生的離心力。非磁性槽楔和磁性槽楔的應用，保證了合理的磁通分佈。採用了高強度、非磁性合金鋼鍛件加工而成的護環，熱套在轉子本體兩端，採用懸掛式嵌裝，一端與轉子本體熱套配合，另一端為懸掛式。轉子繞組與護環之間採用模壓的絕緣環絕緣。為了隔開和支撐端部線圈，限制它們之間由於溫差和離心力引起的位移，端部繞組間隔塊放置了模壓的環氧玻璃布絕緣塊。
轉子槽襯用含雲母、玻璃纖維等材料的複合絕緣壓制而成，具有良好的絕緣性能和機械性能。
3)轉子引線和集電環
通過轉子引線與集電環以及電刷裝置，可以給發電機提供額定出力及強勵時所需的勵磁電流。
轉子電流通過電刷通入熱套在轉子外伸端的集電環，再通過與集電環相聯接的徑向和軸嚮導電螺桿傳到轉子繞組。導電螺桿用高強度和高導電率的銅合金製成。導電螺桿與轉軸之間有密封結構以防漏氫。
集電環用耐磨合金鋼製成，是一對帶溝槽的鋼環，經絕緣後熱套在轉子軸上的。在集電環與轉軸之間設有絕緣套筒。
集電環上加工有軸向和徑向通風孔。表面的螺旋構可以改善電刷與集電環的接觸狀況，使電刷之間的電流分配均勻。兩集電環間設有風扇以冷卻滑環和電刷。
4)碳刷
為了能在發電機運行時安全、迅速地更換電刷，採用了盒式刷握結構。每次可換一組(4個)電刷。
通入轉子勵磁電流的電刷是由天然石磨材料粘結制成。碳刷具有低的摩擦係數和自潤滑作用。每個碳刷帶有兩柔性的銅引線(即刷辮)。採用恆壓式盤簧徑向地裝在刷盒上，從而在電刷長度達到磨損極限之前沒必要調整彈簧壓力。彈簧的壓力施加在碳刷中心線上，彈簧是一種螺旋式的，壓力是恆定的。
刷架採用左右分瓣把合結構，由導電環、刷座及風罩等部件組成，對地絕緣。
電刷的更換：正常操作條件下，電刷磨損量在1000小時時為10-15mm，當電刷長度達到接近磨損極限時，電刷軟導線處於幾乎完全伸長的狀態。因此，在電刷上標有一條磨損極限，如果電刷磨損超過這條線，將不能繼續使用，需進行更換。
5.發電機通風系統
發電機以氫氣作為主要冷卻介質，採用徑向多流式密閉循環通風方式運行，定子繞組採用單獨的水冷卻系統，而氫氣冷卻系統，包括風扇盒氫氣冷卻器完整地置於發電機內部。
發電機通風系統如上圖所示，採用徑向多流式密閉循環通風。
1)定子通風系統
發電機定子鐵芯沿軸向分為13個風區，6個進風區和7個出風區相間佈置。裝在轉子上地兩個軸流風扇(汽、勵側各一)將風分別鼓入氣隙和鐵芯背部，進入背部的氣流沿鐵芯徑向風道冷卻進風區鐵芯後進入氣隙;少部分風進入轉子槽內風道，冷卻轉子繞組;其它大部分再折回鐵芯，冷卻出風區的鐵芯，最後從機座風道進入冷卻器;被冷卻器冷卻後的氫氣進入風扇前再循環。這種交替進出的徑向多流通風保證了發電機鐵芯和繞組的均勻冷卻，減少了結構件熱應力和局部過熱。
為了防止風路的短路，常在定轉子之間氣隙中冷熱風區間的定子鐵芯上加裝氣隙隔環，以避免由轉子拋出的熱風吸入轉子再循環。
2)轉子通風系統
轉子通風冷卻方式如上圖所示，分為下種兩種情況：
轉子本體段的導體冷卻採用的是“氣隙取氣”系統：在轉子線棒鑿了兩排不同方向的斜流孔至槽底，於是，沿轉子本體軸向就形成了若干個平行的斜流通道。通過這些通道，冷卻用氫氣交替的進入和流出轉子繞組進風口的風斗，迫使冷卻氫氣以與轉子轉速相匹配的速度通過斜流通道到達導體槽的底部，然後拐向另一側同樣沿斜流通道流出導體。從每個進風口鼓進的冷風是分成兩條斜流通道向兩個方向流進導體，同樣，有兩條出風通道匯流在一起從出風口流出進入氣隙。因此，每個通道從平行線棒縱向切面看成“V”形，而垂直線棒橫斷面投視圖為“U”形。
由於任何數量的斜流段都可以沿軸向排列，因而轉子繞組的這種結構設計方式與轉子長度無關，具有很方便的靈活性。發電機共分成13個風區(6進7出)，每個風區有8個通道，共81個通風道，。轉子通氫冷卻通風孔個數：進風區：一個槽裡面有48個孔，共有32個槽，合計32×48=1536個。出風區：一個槽裡面有56個孔，共有32個槽，合計32×56=1792個。用於端部冷卻：每一段為4個孔，兩端共8個孔。沿轉子長度方向，高溫出風區和低溫進風區交替分佈。同時定子的進出風區與轉子的進風區相匹配，並採用靜止擋風板以限制熱風在轉子中的再循環，另外，從定子流進氣隙的氣流量比進入轉子的氣流量大，進一步降低轉子熱氣量的再循環。因此轉子銅線溫度比較均勻。
對於轉子兩端繞組，斜流氣隙取氣系統所冷卻不到的部分，冷卻氣體由風扇壓迫進入護環下的軸向風道(第7個進風區)，然後從本體端部由徑向風道進入氣隙。
3)氫氣冷卻器
為減少氫冷發電機的通風阻力和縮短風道，氫氣冷卻器安放在機座內的矩形框內。冷卻器為四組，立放在發電機兩端的兩側。
冷卻器和機座間的密封墊結構既可以密封氫氣，又可以在冷卻器因溫度變化脹縮時起到補償作用，從而始終起到良好的密封作用。
氫氣冷卻器的水箱結構保證了發電機在充氫的狀態下，可以打開水箱清洗冷卻水管，當冷卻器水管從外部水管拆開後，冷卻器可以從發電機中抽出。
氫氣冷卻器的容量能滿足以下運行條件：
(1)5%的冷卻水管堵塞時，發電機可以在額定出力下連續運行。
(2)一組氫氣冷卻器推出運行時，允許發電機帶80%負荷連續運行。
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