Хуторецкий Г.М. Проектирование турбогенераторов

Подождите немного. Документ загружается.

М.

ХУТОРЕЦКИЙ.

М.

И.ТОКОВ

ЕВ.ТОЛВИНСКАЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

гм ХУТОРЕЦКИЙ,ми.токов

Е.В.ТОЛВИНСКАЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

н,

н-

ми

| и

JHO

|ОВ

рт-

б-

р-

о-

а-

Ленинград

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

Ленинградское отделение

1987

ББК 31.261.1

X9S

УДК 621.313.322—818.001.63

Рецензент Г. В. Рубисое

Хуторецкий Г. М. и др.

X 98 Проектирование турбогенераторов/Г. М. Хуторецкий,

М. И. Токов, Е. В. Толвинская. — Л.: Энергоатомиздат.

Ленингр. отд-ние, 1987.— 256 е.: ил.

Приводятся основные размеры, электромагнитные нагрузки и обмоточные

данные турбогенераторов с косвенным и непосредственным охлаждением об-

моток при частотах вращения 3000 и 1500 об/мин и мощностях до 1000—1200 Мвт

включительно. Рекомендации по выбору основных параметров базируются на

теоретических предпосылках, опыте проектирования и изготовления туробогсне-

раторов различной мощности. Излагаются основные тенденции в изменении

параметров и технических характеристик в зависимости от мощности и си-

стемы охлаждения. Методики электромагнитного и механического расчетов

позволяют определить основные параметры и характеристики турбогенера-

торов.

Для инженерно-технических работников, занятых проектированием, изго-

товлением и эксплуатацией турбогенераторов, может быть полезна студентам

вузов.

X 2302030000-130 ,<.,_„

ББК 31

,.,

051(01)—87

Производственное издание

ГАРРИ МИХАЙЛОВИЧ ХУТОРЕЦКИЙ

МИХАИЛ ИВАНОВИЧ ТОКОВ

ЕЛЕНА ВАЦЛАВОВНА ТОЛВИНСКАЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

Редактор Ю. В. Долгополова

Художественный редактор Д. Р. Стеванович

Технический редактор Н. А. Минеева

Корректор Е. Н. Ульева

ИБ № 1777

Сдано в набор 25.05.87. Подписано в печать 20.08.87. М-18450. Формат 60X90'/i6. Бумага

книжно-журнальная. Гарнитура литературная. Высокая печать. Усл. печ. л. 16. Усл.

кр.-отт. 16. Уч.-изд. л.

18,33.'

Тираж 4140 экз. Заказ № 2005. Цена 1 р. 40 к.

Энергоатомиздат, Ленинградское отделение.

191065,

Ленинград, Марсово поле, 1

Ленинградская типография № 4 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского

объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при

Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной тор-

говли, 191126, Ленинград, Социалистическая ул., 14.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Турбогенераторы относятся к классу синхронных машин,

но их проектированию свойственна своя специфика, связан-

ная с высокими частотами вращения, большими единичными

мощностями, применением различных охлаждающих схем и

сред. Достаточно упомянуть, что в настоящее время успешно

эксплуатируются турбогенераторы 1200 МВт, 3000 об/мин и

1500 МВт, 1500 об/мин. Диаметры роторов этих генераторов

составляют 1250 и 1800 мм, масса их 105 и 210 т соответст-

венно. Наряду с непосредственным газовым охлаждением об-

моток—наиболее прогрессивным в турбогенераторостроении

за последние 30 лет самое широкое применение нашли охлаж-

дающие жидкости, и прежде всего вода. Значительно усовер-

шенствовались различные газовые схемы охлаждения. Про-

гресс в изоляционной технике позволил создать турбогенера-

торы с номинальным напряжением 24—27 кВ, а при масляном

охлаждении — и до 30—36 кВ.

Являясь важнейшими генераторами электроэнергии в на-

шей стране, турбогенераторы должны удовлетворять самым

высоким требованиям по своим технико-экономическим пока-

зателям и надежности работы. Для большинства работающих

турбогенераторов коэффициент готовности составляет 0,990—

0,995,

наработка на отказ

000—18 000 ч, срок службы 25—

30 лет. Естественно, что создание таких совершенных машин

является сложной и длительной технической задачей, которая

начинается с проектирования. Вопросы проектирования турбо-

генераторов, изложенные в тех или иных пособиях и руковод-

ствах, всегда носят учебно-тренировочный характер, так как

конкретное проектирование в полном объеме таких сложных

машин может осуществляться только в больших конструктор-

ских и технологических отделах при заводах-изготовителях.

Настоящая книга не является в этом смысле исключением.

Она написана на базе обобщения опыта проектирования тур-

богенераторов в ЛПЭО «Электросила», а также многолетнего

преподавания курсового и дипломного проектирования турбо-

генераторов на электромеханическом факультете Ленинград-

ского политехнического института. В основу построения книги

положено пособие Г. М. Хуторецкого «Проектирование совре-

менных двухполюсных турбогенераторов» (ЛПИ, Ленинград,

1962).

Ограниченный объем книги и обилие конкретных конструк-

тивных исполнений, когда практически каждый завод-изгото-

витель выпускает турбогенераторы оригинальной конструкции,

не дают возможности изложить все принципы проектирования

и многочисленные схемы охлаждения, но в этом и нет необхо-

димости. Практика показывает, что, несмотря на большое раз-

личие в конкретном конструктивном исполнении и в технологии

изготовления, основные размеры, электромагнитные и механи-

ческие нагрузки и параметры машин одинаковой мощности

практически очень близки. Поэтому вопросы выбора парамет-

ров,

основных размеров и электромагнитных нагрузок в книге

рассмотрены на примерах проектирования турбогенераторов

с водородно-водяным охлаждением, которые в настоящее

время нашли преимущественное распространение в нашей

стране и в практике мирового турбогенераторостроения. Эти

рекомендации в большинстве случаев могут быть распростра-

нены и на турбогенераторы аналогичных параметров с дру-

гими системами охлаждения.

Книга может быть использована студентами электротехни-

ческих вузов при курсовом и дипломном проектировании,

а также специалистами конструкторских отделов и проектных

организаций, интересующимися вопросами проектирования и

эксплуатации турбогенераторов. Авторы выражают благодар-

ность сотрудникам отдела турбогенераторов НИИ ЛПЭО

«Электросила» за помощь при написании книги.

Отзывы о книге, замечания и пожелания просим присылать

по адресу: 191065, Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинградское

отделение Энергоатомиздата.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Рост потребления и выработки электроэнергии в народном

хозяйстве характеризуется весьма высокими темпами. В 1983 г.

выработка составила 1416 млрд. кВт-ч. Основная доля произ-

водства электроэнергии в настоящее время приходится на теп-

ловые и атомные электростанции, вместе они производят около

85 % всей электроэнергии. На долю атомных электростанций

(АЭС) приходится около 7 % производимой электроэнергии,

однако важно то обстоятельство, что в связи с общим энерге-

тическим кризисом в области органических энергоносителей

(уголь, газ, нефть и пр.) доля АЭС в общем балансе будет не-

прерывно увеличиваться.

Как тепловые, так и атомные электростанции комплекту-

ются быстроходными турбогенераторами, главным образом

средней и большой мощности. Согласно действующим стан-

дартам в Советском Союзе для тепловых электростанций из-

готовляются турбогенераторы на частоту вращения 3000 об/мин,

а для атомных

—

на 3000 и 1500 об/мин.

Основная тенденция в развитии энергетики и турбогенера-

торостроения состоит в непрерывном увеличении единичной

мощности энергоагрегатов. Это обстоятельство связано с тем,

что выработка энергии на больших единичных агрегатах и

изготовление их обходится значительно дешевле. Создание

наиболее мощных, предельных по мощности турбогенераторов

на каждом историческом этапе ограничено мощностью энерго-

систем, достигнутыми принципами проектирования турбогене-

раторов, достижениями металлургии и пр. Естественно, что

изготовление предельных по мощности турбогенераторов це-

лесообразно только в том случае, если надежность их эксплуа-

тации будет не ниже и даже выше, чем у машин меньшей

мощности. Таким образом, создание турбогенераторов пре-

дельной мощности представляет собой сложную техническую

задачу, однако опыт показывает, что удвоение предельной

мощности турбогенераторов происходит за каждые 7—10 лет.

Рост предельных мощностей в мировом турбогенераторострое-

нии имеет примерно такой же характер. В настоящее время

работающие турбогенераторы в двухполюсном исполнении

имеют наибольшую мощность 1100—1200 МВт, а в четырех-

полюсном 1300—1500 МВт. Единичные мощности свыше ука-

занных значений технически достижимы. Однако экономи-

ческая необходимость в таких агрегатах должна определяться

общей энерговооруженностью страны.

Наряду с турбогенераторами предельной мощности в на-

родном хозяйстве находят массовое применение турбогенера-

торы и значительно меньшей мощности: средняя мощность

в год турбогенераторов, выпускаемых заводами, примерно

в 1,5—2 раза меньше, чем предельная мощность этих машин.

Наряду с частотой вращения на конструктивное выполне-

ние и эксплуатацию турбогенераторов большое влияние ока-

зывает система охлаждения активных и конструктивных ча-

стей машины. Традиционно турбогенераторы малой мощности

до 12—25 МВт, а иногда и до 60—100 МВт выполняются

с воздушным охлаждением, которое обеспечивает простоту

конструкции и обслуживания. Турбогенераторы большей мощ-

ности обычно выполняются с водородным и жидкостным ох-

лаждением, причем практическое выполнение этих машин мо-

жет существенно колебаться в зависимости от традиции того

или иного завода-изготовителя. Однако по своим основным,

размерам и параметрам турбогенераторы различного исполне-

ния при одинаковых мощностях мало отличаются друг от

друга.

В последнее время многие фирмы проектируют и изготов-

ляют лабораторные и опытные турбогенераторы с использова-

нием явления сверхпроводимости в обмотках возбуждения.

В перспективе такие турбогенератры могут иметь удельный

расход материалов в 2—3 раза меньше и существенно более

высокую предельную мощность, чем у выпускаемых в настоя-

щее время. Но эти специальные турбогенераторы пока не

вышли из стадии опытного производства и поэтому здесь рас-

сматриваться не будут.

Проектирование турбогенераторов любой мощности пред-

ставляет собой сложную и весьма объемную задачу и на со-

временном уровне выполняется крупными конструкторскими

и технологическими отделами, накопившими большой опыт па

конструированию, производству и эксплуатации этих машин.

Ввиду сложности электромагнитных, тепловых, вентиляцион-

ных и механических процессов в быстроходных высокоисполь-

зованных турбогенераторах их проектирование ведется с при-

менением ЭВМ на всех стадиях разработки, включая и выпуск

чертежей. В то же время для начинающих специалистов в це-

лях освоения основ проектирования турбогенераторов необхо-

димо опираться на логические представления по выбору ос-

новных размеров, типов обмоток, влияния их на параметры

и удельные напряжения и пр. Полезно также дать основные

представления по проектированию специалистам, занимаю-

щимся ремонтом и эксплуатацией турбогенераторов. С этой

целью и написана книга. Естественно, что основное внимание

здесь уделено логике проектирования, связям между основ-

ными размерами, нагрузками и параметрами, основанным на

большом опыте по созданию машин такого типа. Многочислен-

ные и обширные методики расчета не могут быть здесь при-

ведены из-за ограниченного объема книги и опасения превра-

тить книгу в изложение теории и расчета турбогенераторов.

Ограниченное число расчетов в книге тем не менее позволяет

выявить основные характеристики и подтвердить правильность

принятых основных решений. При необходимости для уточне-

ния и дальнейшей разработки конструкции можно воспользо-

ваться специальной литературой по теории и расчету турбо-

генераторов.

Все приведенные в книге формулы и расчеты даны в еди-

ницах СИ с использованием кратных и дольных единиц. При

подстановке чисел в формулы величины даются в тех едини-

цах, в которых они вводяся первый раз (например, мощности

в мегавольт-амперах или мегаваттах, линейная нагрузка в ам-

перах на сантиметр и т. п.). При этом, если это требуется, в фор-

мулы вводятся переводные коэффициенты. Механические напря-

жения и давление приведены в мегапаскалях. При введении пе-

реводных множителей учтено, что один мегапаскаль численно

равен одному ньютону на квадратный миллиметр.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

1-1. Задание на проектирование

Проектирование турбогенераторов включает в себя разра-

ботку задания, определение основных активных размеров,пове-

рочные расчеты и конструирование машины по этим размерам.

В общем случае, когда речь идет о генераторах новых ти-

пов,

т. е. о генераторах, к которым предъявляются особые

требования относительно их исполнения или параметров, уже

на первой стадии разработки задания часто прибегают к ис-

следовательским и опытным работам для уточнения и обосно-

вания самих технических заданий.

В дальнейшем предполагается более простой случай, когда

задание на проектирование содержит такие требования, кото-

рые могут быть выполнены на основе опыта предшествующего

проектирования и изготовления турбогенераторов. Типовые

турбогенераторы требуют меньше времени и средств не только

на проектирование, но также, что является главным, на изго-

товление и доводку в эксплуатации. Поэтому к проектирова-

нию и изготовлению новых типов прибегают в том случае,

когда найдены новые прогрессивные методы конструирования

или новые материалы, которые, несмотря на повышенные пер-

воначальные затраты, в дальнейшем должны привести к зна-

чительной экономии, или если требуемые параметры турбоге-

нератора уже не могут быть получены в рамках существую-

щих конструкций. Последнее обстоятельство имеет место,

например, при проектировании турбогенераторов предельных

мощностей.

В техническом задании на проектирование должны быть

указаны:

1) номинальная мощность (активная) Р

, МВт;

2) номинальный коэффициент мощности costp

;

3) номинальное линейное напряжение U„, кВ;

4) номинальная частота вращения п

, об/мин;

5) номинальная частота /,,, Гц;

6) число фаз т (обычно три);

7) соединение фаз (как правило, звезда);

8) отношение короткого замыкания (о. к. з.) и статическая

перегружаемость W

;

9) система охлаждения;

10) коэффициент полезного действия ц

;

11) переходное и сверхпереходное индуктивные сопротив-

ления х/ и х/';

12) особые требования (допустимые перегрузки, несиммет-

ричные режимы и др.).

В задании на проектирование указываются номинальные

режимы и параметры. В действительности же при эксплуата-

ции имеют место отклонения от номинальных значений. На-

пример, могут быть отклонения по частоте, напряжению, cos

и пр. Допустимые отклонения частоты сети и напряжения от-

носительно невелики, а коэффициент мощности и температура

•охлаждающей технической воды могут колебаться в довольно

широких пределах и т. д. Турбогенератор, рассчитанный и

•спроектированный для номинального режима, должен удовлет-

ворять и ряду режимов при отклонении всех параметров или

части их от номинальных. Чем больше возможное отклонение

параметров от номинальных, тем большую гибкость допускает

машина в эксплуатации, однако при этом изготовление турбо-

генератора может быть очень усложнено и удорожено. Вслед-

ствие этого в соответствующих нормативных документах ука-

зывается, в каких пределах изменения турбогенератор дол-

жен гарантировать свои выходные данные или снижать их

в определенном диапазоне. Допустимые условия эксплуатации

указываются в инструкции по эксплуатации, которая прилага-

ется к каждому турбогенератору. Для того чтобы оговорить

возможные неноминальные режимы работы, многие из них

должны быть проверены расчетом или даже подтверждены

специальными испытаниями на стенде завода или на электро-

станции. При выдаче тех или иных рекомендаций, приведенных

ниже, по выбору основных размеров, электромагнитных и теп-

ловых нагрузок в какой-то мере учтены и допустимые откло-

нения параметров и режимов от номинальных.

1-2. Системы охлаждения

В зависимости от применяемой охлаждающей среды разли-

чают турбогенераторы с газовым охлаждением (воздушным

или водородным), с жидкостным (водяным или масляным) и

со смешанным. В последнем случае обмотка ротора обычно

имеет газовое охлаждение, а обмотка статора — жидкостное.

По принципу охлаждения различают турбогенераторы:

с непосредственным охлаждением проводников обмотки, с кос-

венным (отвод тепла через основную изоляцию) и со смешан-

ным охлаждением. В последнем случае обмотка ротора обычно

имеет непосредственное охлаждение проводников, а обмотка

статора — косвенное.

Возможные комбинации способов охлаждения турбогене-

раторов, которые к настоящему времени нашли применение,

сводятся к следующим: