定義
由汽輪機或燃氣輪機驅動的發電機。與鍋爐、汽輪機合稱火電廠的三大主機。現代的透平發電機都是三相交流同步發電機,它利用電磁感應原理,將汽輪機或燃氣輪機的機械能變為電能輸出。
先進的全氫冷透平發電機
眾所周知，氫氣是一種良好的冷卻介質，具有密度小、比熱高、導熱率大等優點。氫氣的這些優點很早就引起電機工程界的注意。1913年，德國西門子公司提出用氫氣作為電機的冷卻介質，還製作了一個模型進行試驗，但因試驗中發生氫氣爆炸而中途夭折。繼後，德國學者舒勒(M.Schuler)和西屋公司工程師費爾德(Field)、吉爾曼(Gilman)、紐伯里(Newburry)等相繼對氫氣冷卻電機進行過分析和實驗研究。1923年，美國通用電氣公司(GE)開始對氫冷電機進行實驗研究。1926年，GE公司製成世界上第一台試驗型氫外冷汽輪發電機(50MW)。1928年，西屋公司改制成首台氫外冷汽輪發電機(6MW)。同年，西屋公司製成首台工業用氫外冷同步調相機(15MVA)。從1930年後，GE公司和西屋公司正式承接氫外冷汽輪發電機的訂貨，批量生產氫外冷汽輪發電機。歐洲和前蘇聯的電氣公司從1937年後也開始生產氫外冷汽輪發電機。
在開發氫外冷汽輪發電機的同時，國外一些公司又開展了直接氫氣冷卻(氫內冷)汽輪發電機的研究。1951年，美國AllisChalmers公司率先製成定子表面空冷、轉子氫內冷的試驗型汽輪發電機(60MW)。1953年，GE公司、西屋公司和德國AEG公司分別研製成轉子氫內冷的汽輪發電機。第2年，AllisChalmers，GE和西屋公司相繼研製成定、轉子繞組均採用氫內冷的汽輪發電機。而在歐洲國家和前蘇聯，各主要電氣公司或工廠從1954年後也開始生產氫內冷汽輪發電機。
1956年定子水冷汽輪發電機在英國問世，兩年後轉子水內冷汽輪發電機在中國誕生。水冷技術的誕生，使大型汽輪發電機的冷卻系統呈現多元化格局，各個公司根據用戶需要和本公司技術特色、經驗，發展不同的定轉子繞組冷卻系統。美國西屋公司對氫冷技術情有獨鍾，在100～1000MW的廣大範圍內採用全氫冷方式；美國GE公司在100～350MW內採用了全氫冷方式，而在300～1200MW範圍內多採用水氫冷卻系統；西門子公司在120～250MW間採用全氫冷方式，而在大於250MW的範圍內則發展了水氫冷卻和全氫冷卻兩大系統，其中THRI，THDI和THDD系列透平發電機為全氫冷系統，涵蓋69MVA到830MVA；ABB公司僅在100～250MW範圍內採用全氫冷方式；Alsthom公司的透平發電機技術與ABB公司類似，公司也只在中等容量機組中採用全氫冷系統。
20世紀80年代後，燃氣輪機技術取得重大進展，大型燃氣輪機的誕生和推廣套用點燃了人們研究較大容量新型全氫冷透平發電機的熱情，也因此近年來全氫冷透平發電機技術取得了長足進步。
下面介紹國外幾家著名公司的典型全氫冷透平發電機。
2 美國西屋公司的新系列模組化全氫冷透平發電機
20世紀80年代中期，美國西屋公司根據它對90年代以後電力工業需要的預測，開始進行新系列100～600MW全氫冷透平發電機的設計(圖1)。整個系列有3組直徑，包括200多個規格的60Hz發電機及200多個規格的50Hz發電機。對每組而言，轉子外徑Dr、定子鐵心內徑Db、定子槽底直徑Dsb、定子鐵心外徑Dc和機座外徑Dl，均保持不變，改變定子鐵心、轉子本體長度(軸向長度增量為101.6mm)或定子槽形，就可以獲得一種新規格發電機。到90年代中期，西屋公司完成了整個系列透平發電機施工設計，試製樣機也已投入運行。
2.1 冷卻系統
該系列透平發電機採用全氫冷系統。氫壓為0.414MPa，對燃氣輪機拖動的較小發電機可在0.21MPa下運行。在定子繞組，氫氣通過布置在兩根羅貝爾線棒間的一排矩形薄壁不鏽鋼管，從線圈邊的一端流到另一端，即採用軸向冷卻方式。在轉子繞組方面，氫氣從兩端通過空心導線進入，然後從轉子中部排入氣隙。在發電機汽端，一台多級軸流式風扇吸入來自氣隙、鐵心、定子線圈的氫氣，以及經過管道來自出線盒的氫氣，並將氫氣送入兩台立式氫氣冷卻器中，冷卻後，氫氣又從兩端進入定子線圈、轉子線圈、定子鐵心和定子連線線。流經連線線的氫氣進入出線套管後再進入出線盒。
2.2 電磁設計
（1）三個直徑組與容量(MVA)的關係見圖2；不同直徑組下，定子鐵心長度與容量(MVA)的關係見圖3。
（2）最佳化設計，使該系列發電機具有合適的效率(最小為98.5％，包括軸承及密封損耗)，同時滿足用戶對短路比(最小為0.50)的要求。
（3）該系列發電機最初設計成供60Hz使用，但做少量改動後可適用於50Hz。頻率由60Hz變為50Hz時，定子線棒截面保持不變。
（4）該系列發電機的電壓範圍為13.8～24kV。在整個100～600MW功率範圍，相應3個固定直徑的3個功率段(彼此間有重疊)，發電機容量(MVA)與額定電壓(kV)的關係如圖4所示。
（5）發電機容量(MVA)與發電機電抗xd的關係如圖5所示。從圖5看出，全氫冷發電機的超瞬變電抗x″d較高(25％～30％)。
（6）在最大功率密度下，該系列發電機的容量(MVA)與效率η的關係見圖6。從圖6看出，對各功率段而言，效率η隨容量增加而上升；對3個功率段而言，其最高效率和最低效率基本相同。
2.3 結構設計
（1）鐵心採用軸向彈簧棒裝配結構(圖7)，定子鐵心端部採用鋁板禁止。
（2）為了縮短製造周期，採用鐵心及機座平行製造的工藝。鐵心疊裝時，先將鐵心疊片堆疊在鐵心籠內，堆疊時用定位筋定位，多次加壓後用永久定位棒代替臨時定位筋，然後裝上壓板和絕緣穿心螺桿，再液壓壓緊，使鐵心成為一個堅固的整體。最後把定位塊連線到定位棒上，同時機座裝上彈簧棒。一切就緒後，即可將鐵心籠彈性裝入機座內。圖8為定子鐵心和機座的斷面圖。
（3）對彈簧裝配和機座結構的動力學要求是：機座倍頻振動不大於鐵心振動的1/7；能承受可能產生的最大短路力矩；鐵心－彈簧件－機座系統的自然頻率不得接近電網頻率或兩倍電網頻率；彈簧棒的尺寸選擇應使鐵心振動的鏇轉頻率不超過40Hz。
（4）由於採用軸向冷卻，沒有徑向通風道，所以鐵心具有很高的機械整體性；定子鐵心的端部階梯鐵心段設有幾條徑向風道，以補充軸向冷卻；定子鐵心兩端設有高強度無磁性齒壓板及鋁壓板(兼作磁禁止)，採用奧氏體穿心螺桿壓緊。
（5）機座結構簡單，既無大的溝槽，又無鐵心箍環。機座底板沿長度方向不是連續的(只有1/3左右)。
（6）採用自找正球面座式軸承。對所有發電機而言，軸承座都是一樣的(但軸承、密封的直徑隨發電機功率和發電機軸向長度而變)。
（7）主出線盒位於機座勵端，為不鏽鋼盒。電流互感器採用簡單緊湊的板上安裝型結構。
3 美國通用電氣公司(GE)的NHI全氫冷透平發電機
GE公司是世界上最大的電氣公司，其透平發電機技術水平，在相當長一段時間裡，居世界前茅。GE公司大型汽輪發電機的傳統冷卻方式為水氫氫冷卻方式。但是，近年來，GE公司為適應發電設備結構簡單、成本低廉、可靠性高等的要求，在1998年推出了採用新型全氫冷的NHI透平發電機(圖9)。
3.1 發電機主要參數
NHI汽輪發電機有50Hz和60Hz兩種機型，其主要參數見表1。
3.2 冷卻系統
NHI發電機的轉子繞組採用直接氫冷，定子採用氫外冷。
發電機通風型式採用7段設計。立式冷卻器直接布置在端罩後。
發電機轉子繞組通風一改GE公司傳統的氣隙取氣方式而採用帶副槽的徑向通風型式。氣體從護環下進入，經副槽然後通過轉子導體中加工出的許多徑向風道流出，並帶走銅導線中的熱量。
為了降低通風損耗、改善通風冷卻性能，GE公司對風路各部分的風量、風壓降，氣隙中的氣流分布，熱交換狀態等採用CFD(計算流體動力學)技術進行仿真分析和實驗；對轉子副槽和徑向風道進行了仿真分析和最佳化；對循環冷卻氫氣用軸流風扇葉片進行CFD分析和實物實驗(圖10)。
3.3 設計及結構特點
（1）在整個設計、製造、發運過程中，套用“六σ”法，建立嚴格的質量臨界值(CTQ)軌道。通過嚴格的設計評審和每道工序質量的嚴格控制及改進，將產品缺陷座控制在百萬分之三以下。
採用面向用戶設計方法，通過去掉或合併一些零件將發電機的零部件數減少10％；注意設計通用性，不但零件通用，而且一些較大部件(如端罩、冷卻器、電刷裝置)也能通用；採用裝配設計，改善機組的可拆卸性和可維護性。
（2）採用先進的設計手段和設計方法
（3）與空氣冷卻發電機比，由於NHI發電機的電負荷較高，故體積可縮小20％～30％，x′d也較高；與相同容量的水氫氫冷卻發電機相比，由於NHI發電機的系統數較少，故機組可靠性較高，可維修性也較好，且發電機的效率由98.7％提高到99％。
（4）NHI發電機可用蒸汽輪機驅動，也可採用燃氣輪機驅動，可用於燃氣—蒸汽聯合循環。
（5）定子鐵心與機座間採用彈性連線，鐵心的彈性採用帶溝槽的定位筋設計。機座為柔性結構，減少了零部件和緊固件數。鐵心和機座結構不但考慮了它們的加工性，而且考慮它們是否便於清理，以提高其清潔度。
（6）轉子設計中套用了基於轉子動態特性的有限元法和精確的高速平衡程式，因此轉子具有極好的振動性能。轉子線圈採用C形線圈，簡化了結構。
（7）絕緣系統設計不但考慮絕緣的電氣性能，而且注意絕緣的機械性能和熱性能。NHI發電機的轉子繞組採用F級絕緣，定子繞組採用F級及以上的絕緣，但溫升按B級絕緣設計(50Hz機按IEC標準，60Hz機按ANSI標準)。
（8）勵磁系統採用GE公司傳統的母線供電靜止勵磁系統。
（9）NHI發電機與燃氣輪機相連時，可作為燃氣輪機的啟動電動機用。
4 阿爾斯通(Alstom)公司的模組化全氫冷透平發電機
阿爾斯通電力公司是近年來迅速擴張的一家發電設備公司。1998年和2000年將英國通用電氣公司(GEC)和ABB公司的發電設備業務納入麾下後，已成為一個與GE公司和Siemens公司三足鼎立的西方最大的發電設備企業之一。
20世紀80年代前，阿爾斯通(Alsthom)公司(含阿爾斯通—大西洋公司時期)僅在100～250MW範圍內部分採用全氫冷冷卻方式(實際上，GEC，ABB，Alsthom公司在20世紀60年代都曾生產過250MW全氫冷機)。90年代後，隨著燃氣－蒸汽聯合循環技術的發展和燃氣輪機單機功率的增大，阿爾斯通公司針對燃氣－蒸汽聯合機組的需要，進行了模組化全空冷和全氫冷系列透平發電機的研製，完成了250MW全氫冷模型機的設計、製造和運行試驗工作。下面介紹這種250MW模型機的特點。
4.1 冷卻方式
（1）採用定子繞組間接氫冷，定子鐵心氫冷。氫氣流經徑向風溝，再由兩端的軸向風扇扇入氣隙。
（2）轉子直接氫冷，採用阿爾斯通公司傳統的副槽通風結構。
（3）氫壓：0.3MPa。
（4）採用逆流通風方式(圖11)。熱風向內通過鐵心徑向風溝後，再利用軸向風扇從氣隙兩端排出。
4.2 電磁設計特點
（1）發電機額定功率259MW，cosφ=0.84，額定電壓15.5kV。發電機輸出功率可以滿足209F聯合循環中9000F燃氣輪機和蒸汽輪機的功率要求。如果需要，該機可以將有效部件的長度增加550mm，將電壓由15.5kV提高到18kV，從而可使發電機的出力增加15％左右(即達到286MW)。
（2）發電機按室溫50℃進行設計，所以本機在15℃室溫下額定運行時約有20％的裕度。
（3）發電機採用F級絕緣系統，但設計為按B級溫度運行。
（4）當用9000F燃氣輪機驅動本發電機發電時，本機還可用作燃氣輪機的啟動。啟動時由靜止變頻器向本機供電，此時發電機作電動機運行。
（5）通常採用鏇轉二極體勵磁(無刷勵磁)方式；也可採用靜止勵磁方式。
4.3 結構特點
（1）機座為兩個偏凡圓筒組成的焊接結構。機座與定子鐵心間採用軸向彈簧板連線。氫氣冷卻器裝在兩個偏向圓筒之間。
（2）蒸汽輪發電機的冷卻器位於頂部，出線端在底部；燃氣輪發電機的冷卻器布置在底部，出線端布置在頂部。兩者都採用同樣的機座，只需將發電機有效部件鏇轉180°，將機座內的支撐件作小小改變。
（3）定子鐵心疊片採用晶體取向矽鋼片。定子鐵心採用外壓裝。
（4）定子繞組採用Isotenax絕緣系統。定子線棒槽內固定採用帶波紋板的彈性側向和徑向楔緊結構。定子繞組端部用錐形楔塊楔緊，然後用預應力內籠將端部繞組固定在外部支撐結構上。
（5）轉子繞組由“E”形拉制銅線製成，銅線兩兩相對形成風道。
（6）護環採用18Cr18Mn鋼製成。
（7）軸向風扇葉片用鋁合金製成。
（8）採用端蓋式橢圓形軸承，有兩個進油口。由於採用端蓋式軸承，軸承中心距較短，可以採用剛性轉子。
另外，現屬阿爾斯通公司的原BBC公司發電設備部，在20世紀70年代也開發出了60～250MVA全氫冷系列透平發電機，圖13為該系列發電機的總體布置圖。
5 西門子(Siemens)公司的全氫冷系列透平發電機
西門子公司生產全氫冷汽輪發電機的時間很早。早在20世紀60年代，該公司就開發出了全氫冷汽輪發電機，1969年製成600MW全氫冷汽輪發電機。1969年4月，西門子公司和德國聯合電氣工業公司(AEG)共同組建電站設備聯合公司(KWU)後，KWU公司繼續發展全氫冷技術，在70年代構建了3個全氫冷透平發電機系列產品，即THRI，THDI和THDD系列透平發電機。1987年10月，西門子公司收購AEG公司在KWU公司的股份，繼續開發全氫冷透平發電機。
下面介紹西門子公司3個系列全氫冷透平發電機的特點。
5.1 THRI系列透平發電機
THRI系列為轉子直接徑向氫冷、定子間接氫冷的透平發電機系列。
該系列發電機的基本參數是：
功率/MVA69～160
電壓/kV10.5～13.8
cosφ0.8～0.95
頻率/Hz50，60
極數2
冷卻氫氣壓力/MPa0.1～0.3
THRI系列透平發電機的總體布置見圖14。根據用戶需要，發電機可以採用鏇轉二極體勵磁，也可採用靜止晶閘管勵磁方式。
5.2 THDI系列透平發電機
THDI系列為轉子直接軸向氫冷、定子間接氫冷的透平發電機系列。
該系列發電機的基本參數是：
功率/MVA150～250
電壓/kV 10.5～15.75(主要為15kV
cosφ0.75～0.85(主要為0.8)
頻率/Hz50，60
極數 2
冷卻氫氣壓力/MPa0.2～0.4
THDI系列發電機的風路見圖15，總體布置見圖16。根據用戶需要，發電機可以採用鏇轉二極體勵磁，也可採用靜止晶閘管勵磁方式。
5.3 THDD系列透平發電機
THDD系列透平發電機的基本參數是：
冷卻氫氣壓力/MPa0.3～0.5
THDD系列發電機的定子繞組和轉子繞組均採用直接軸向氫冷。氫氣冷卻器布置在驅動端。定子線棒中的冷卻氫氣從非驅動端進入線棒中的冷卻風管，然後軸向流向驅動端，最後經導風板流出定子線棒。轉子繞組的冷卻氫氣從兩端進入轉子線圈。轉子本體和轉子端部是分開通風的。
THDD系列發電機多採用鏇轉勵磁系統，只有少數場合採用靜止勵磁系統。
THDD系列發電機的風路見圖17；發電機的總體布置見圖18。
