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1 冷却方式的选择
80年代，国内空冷汽轮发电机单机容量最大为35MW，由于冷却技术的限制，50MW及更大容量的汽轮发电机采用氢冷、双水内冷或水氢氢冷却方式。
随着燃气蒸汽联合循环机组作为电网调峰机组的广泛应用，空冷汽轮发电机以冷却系统简单，启动、运行、维护方便等优势，受到业主普遍欢迎。伴随着冷却技术的进步，空冷汽轮机单机容量和市场需求量迅速增长。国外ABB、Alstom、日立等公司已有大量100～200MW的空冷汽轮发电机投入商业运行。即使对于常规火力发电厂，空冷汽轮发电机与氢冷发电机相比较，仍日益受到用户的欢迎。
90年代，国内各电机制造厂家均投入人力、物力开展50～150MW空冷汽轮发电机研制。对50～150MW新系列发电机选用全空冷冷却方式，是基于以下技术经济分析和市场分析。
1.1 市场需求分析
随着冷却技术和绝缘技术的进步，50～150MW空冷汽轮发电机不仅具备了研制的可能性，而且有广泛的用户需求，90年代国内外空冷汽轮发电机订货量成倍增长。
1.2 辅机系统对比分析
氢冷汽轮发电机需要有氢气控制系统、制氢站、密封油供油系统，而空冷汽轮发电机无需上述3个系统。因此，方便了安装、启动、运行、维护，受到用户普遍欢迎。
1.3 运行效率对比分析
若计入辅机功率损耗，则空冷汽轮发电机效率大致与氢冷相当。
这是因为空气的密度高于氢气的密度，空冷汽轮发电机风扇和转子与气体的摩擦损耗高于氢冷汽轮发电机。因此一般来说，空冷汽轮发电机主机效率要比氢冷汽轮发电机低0.1％～0.15％左右，例如QF-75-2-10.5型75MW转子空冷汽轮发电机效率比50MW氢冷汽轮发电机低0.11％。但是，若以汽轮发电机主机和辅机系统为一整体进行分析，考虑到空冷汽轮发电机没有密封油泵、密封瓦和制氢站的功率消耗，则75MW空冷汽轮发电机运行效率大致与50MW氢冷汽轮发电机相当。
1.4 制造成本对比分析
氢冷汽轮发电机机座、端盖须按防爆要求进行设计和制造，所消耗的结构材料较多，并要做水压、气密试验，加上需要增加氢控和密封油供油系统，在这点上，氢冷汽轮发电机制造成本会高于空冷汽轮发电机。
容量50～150MW的空冷汽轮发电机，一般定子空外冷、转子空内冷。空外冷冷却效果较氢冷差，定子线圈电流密度和铁心磁通密度取值相对较低，定子线圈铜线、绝缘、硅钢片用量相对较多。另外转子需要采用内冷，转子线圈制造工时会增加。在此点上，空冷汽轮发电机成本会高于氢冷汽轮发电机。
考虑到上述制造成本上的差异互补，一般说来，50～150MW容量等级的空冷汽轮发电机在制造成本、运行效率方面大致与氢冷汽轮发电机相当，但由于辅机系统简单，安装、启停、运行、维护方便，日益受到用户的欢迎，已有取代同容量等级氢冷汽轮发电机的趋势。因此，对50～150MW新系列汽轮发电机选择全空冷冷却方式。
2 主要设计规范
2.1 基本规范
型号 QF-75-2-10.5
额定功率／ＭＷ 75
最大连续出力／ＭＷ 83
额定容量／ＭＶＡ 88
额定电压／kV 10.5
额定电流／A 4852
额定功率因数 0.85
额定转速／r·min－1 3000
额定频率／Hz 50
相数 3
短路比 ≥0.5
效率（保证值）／％ ≥98.4
轴振动／μm ≤75
绝缘等级 F（温升按B级考核）
冷却方式 密闭循环空气冷却，其中转子空内冷、定子空外冷
励磁方式 自并激静止可控硅励磁
2.2 运行特性
进相运行能力 功率因数超前0.95，可带100％负荷
失磁运行能力 带50％负荷300min
负序能力I2／％ 10
I22t／％ 15
调峰能力 允许40％～100％负荷
变动及两班制调峰运行
2.3 温升限值／Ｋ
定子绕组 80
定子铁心 80
转子绕组 65
集电环 80
3 主要设计数据
QF-75-2-10.5型75MW空冷汽轮发电机与QFQ-50-2-10.5型50MW氢冷汽轮发电机主要设计数据对比情况如表1～3所示。
4 主要设计特点与新技术的采用
4.1 采用内置冷却器总体布置方式
在冷却器布置方式上，发电机一改传统的空冷汽轮发电机冷却器机外坑内布置方式，而采用机内内置式冷却器布置.
4个立式冷却器布置于发电机机座两端定子端部绕组两侧。冷却气体完全在发电机机内闭式循环，可以提高机内气体清洁度，避免长期运行后发电机定子风道（6mm风道）和转子绕组内冷风道的局部堵塞，从而提高发电机使用寿命，同时可以减少电厂设计和施工工作量。
发电机汽励两端采用2个座式轴承，方便发电机安装、运行、维护。
发电机6个出线端子位于机座励端下方，通过母线与变压器相联。
4.2 降低定转子温升的技术措施
发电机定子线圈、定子铁心及定子端部结构件均采用空外冷。定子尺寸与现有50MW氢外冷发电机相当，出力增加50％，定子温升问题显得十分突出。为了降低定子温升，将定子温升控制在允许范围内，通过绝缘技术的进步，定子主绝缘厚度由80年代的4.3mm减至3.0mm，不仅节省30％绝缘材料，更重要的是有效降低了绝缘温升。同时，定子铁心通风道高度由传统10mm改为6mm（相应采用若干技术措施控制风道闭口及改善风道流阻和控制风量分配），在铁心总长不变的前提下，发电机铁心段长可以明显缩短，从而可以降低定子铁心和定子线圈的热负荷及温升。除此之外，在结构设计上还采取若干技术措施。
为了降低转子绕组温升，采用了空气直接冷却转子铜线的内冷方式。见图2，转子线圈的槽内部分采用1/2轴向内冷；转子每匝铜线由2股凹形线组合而成，组合后形成6×18的内冷风道，冷空气经转子本体两端副槽由径向风孔进入线圈轴向内冷风道，冷却转子槽部线圈后在转子中段3风区处通过径向风孔抛入气隙；转子线圈的端部也有6×18内冷风道，冷空气从大齿中心线区域进入转子线圈横向内冷风道，再沿端部线圈走向进入端部线圈纵向内冷风道、冷却端部线圈后，到本体端部1风区处通过径向风孔抛入气隙，由于冷却气体与转子铜线发热体直接接触，直接带走铜线电气损耗，转子线圈得到有效冷却。
4.3 采用径向多流通风系统
发电机采用轴向5个风区、径向多流、定转子混合通风系统。
发电机轴向分为5个风区，冷却气体的循环动力由转子两端的轴流式风扇提供，冷空气分3路进入发电机本体区域。第1路经中心环与转轴之间的环形空间进入转子端部区域，其中一部分进入转子线圈端部内冷风道，冷却端部绕组后，经径向风孔进入1风区气隙；另一部分从转子两端附槽进风，进入槽部线圈内冷风道，冷却槽部绕组后到转子中部，通过径向孔进入3风区气隙。第2路风从定转子端部气隙口部轴向进入1风区气隙。第3路风吹拂并冷却定子端部绕组及定子压圈后进入机座背部2风区，从铁心背部进入铁心6mm径向风道，冷却2风区定子铁心和定子线圈后，进入气隙再沿轴向分左右两路，分别进入1风区和3风区气隙。进入1风区气隙的气体与转子端部的出风以及从端部气隙进入的气体，在1风区气隙混合后，沿径向进入1风区铁心风道，冷却1风区铁心和线圈后进入机座1风区；进入3风区气隙的气体与转子中部的出风在3风区气隙混合后沿径向进入3风区铁心，冷却铁心和线圈后进入机座3风区。进入3风区的热风通过机座风管进入机座1风区与1风区热风混合后进入冷却器，将热量传给冷却水。冷却器出来的冷风通过内外端盖之间的风道回到风扇入口，进入再循环，形成轴向5个风区、径向多流、定转子混合通风的通风系统，使发电机各个发热部位得到良好冷却。
4.4 定子线圈上下层不等截面
一般发电机定子线圈上层与下层在定子槽内所处的位置不同，上层线圈所处位置槽内漏磁场较强，上层线圈的附加损耗较大，温升较高。该产品采用上下层不等截面设计，上层线棒股线数量及线棒高度明显高于下层，这样上层基本铜耗下降，上层线圈总损耗与下层总损耗大致相等。与等截面设计相比，上层线棒的温升降低10％左右，上下层温升均匀，明显降低定子的最高温升。
4.5 定子线圈端部90°换位
发电机轴向尺寸较短，若采用槽部540°换位来抵消定子端部股线间的电势差产生的股线环流损耗，在换位操作上有一定困难。于是选择了槽部360°换位，每端端部90°换位的方式，这在结构和工艺上是一次新的尝试，以便为更大容量的空冷发电机的端部换位积累经验。
4.6 转子采用半梯形槽
发电机转子本体体积仅是50MW氢冷发电机转子体积的94.5％，而出力增加50％，即使采用内冷转子仍难以解决转子发热和温升问题。转子采用半梯形槽后，槽截面可以增加16％，放铜量增加15％，转子励磁损耗和温升降低15％，从而使转子温升可以控制在允许的范围内，并可以相应提高发电机的效率。
4.7 适应调峰运行的技术措施
该汽轮发电机定子绕组温升较高，调峰运行时线棒温度变化较大，在定子线棒中会引起附加热应力。在定子槽楔下方设弹性波纹板，控制对线棒的预紧压力，既压紧线棒，又便于线棒轴向伸缩。在定子绕组端部设置有12对L形金属弹性支架，支架组合体在径向、横向有较好的刚度，可以有效地支撑定子端部绕组；轴向有高的弹性或柔度，可随定子线棒轴向热胀冷缩，从而降低线棒调峰运行时的热应力，并将它控制在允许的范围内。
调峰运行时，转子励磁电流和温升也会随负荷变化，特别是两班制启停运行时，转子线圈也会出现较大的热应力。该产品除选用高强度银铜合金铜线制造转子线圈提高抗蠕变性能外，在转子护环绝缘的内层还设有聚四氟乙烯滑移层。调峰时，线圈可以在较低的约束力下轴向滑动， [1] [2] 下一页
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