Хуторецкий Г.М. Проектирование турбогенераторов

Подождите немного. Документ загружается.

Эта формула справедлива для сплошных элементарных про-

водников и дает достаточно точные результаты при а

<Ю мм.

Коэффициент вытеснения тока для паза с двумя стержнями,

набранными из полых проводников, может быть определен по

формуле

К.

„

0.107

(^)

(^-J (s^f al

-10-,

(5-10)

где k

и f

определяют по табл. 5-6. Как и для сплошных про-

водников, /г

определяется главным образом высотой элемен-

тарного проводника.

Коэффициент вытеснения тока может составлять £

=1,1

—

4-2,0 в зависимости от глубины паза и высоты элементарных

проводников.

Критическими называют такие значения &

, которые

•обеспечивают минимальные суммарные потери в пазу при за-

данных размерах элементарных проводников и их числе. Если

задано число элементарных проводников т.\ и ширина меди fr„i,

то критическое значение коэффициента будет Дг

= 1,333. При

любом другом £

суммарные потери в пазу при заданном числе

т\

будут больше.

Большое практическое значение имеет случай, когда высота

элементарного проводника задана по условиям технологии вы-

полнения стержня или заполнения паза. Например, минималь-

ная высота полого проводника ограничивается технологией вы-

полнения стержня, самих проводников и минимальной высотой

каналов в них. При заданной высоте элементарного полого про-

водника а

критическим значением коэффициента Фильда, как

нетрудно усмотреть из основного выражения для &

, будет

При этом значении /г

добавочные потери равны основ-

ным и увеличение или уменьшение числа элементарных провод-

ников заданной высоты вызовет возрастание суммарных потерь

в меди.

Как уже отмечалось, турбогенераторы выполняются в основ-

ном с двухслойной обмоткой; при этом при одинаковом выпол-

нении верхних и нижних стержней дополнительные потери

в верхнем стержне будут в семь раз больше, чем в нижнем. Это

обстоятельство приводит к тому, что при коэффициенте вытес-

нения для всего паза

/г

коэффициент дополнительных по-

терь для верхнего стержня составит 2,75. Поэтому часто при-

бегают к выбору размеров стержней такими, чтобы коэффи-

циент вытеснения для верхнего стержня составил 2, при этом

коэффициент вытеснения для всего паза будет &

1,572.

С целью разгрузки верхних стержней от дополнительных по-

терь и улучшения охлаждения они для мощных турбогенерато-

ров часто выполняются из большего числа элементарных про-

водников, чем нижние. Применяются в верхних стержнях также

элементарные проводники меньшей высоты.

5-9. Высота элементарного проводника

При косвенном охлаждении необходимо сохранять невысо-

ким коэффициент &ф для паза. Здесь следует считаться с тем

условием, что дополнительные потери в верхнем стержне зна-

чительно больше, чем в нижнем. Поэтому при больших к

верх-

ний стержень может сильно перегреваться.

При косвенном охлаждении верхний и нижний стержень

обычно для простоты изготовления набирают из элементарных

проводников одной высоты. Для такой обмотки коэффициент

для паза, как правило, не превышает 1,2—1,33. Выбор вы-

соты элементарного проводника (мм), обеспечивающего коэф-

фициент к

= 1,33, можно произвести по формуле

:,' а

м с =

88^-- . (5-11)

Обычно для не очень глубоких пазов высота элементарного

проводника выбирается меньшей, чем рассчитанная по (5-11).

При пазе нормальной глубины она составляет

1,4—3,0

мм.

После того как выбрана высота элементарного проводника,

следует проверить отношение ее к ширине. По технологическим

соображениям не рекомендуется иметь отношение ширины эле-

ментарного проводника к его высоте более 6.

При непосредственном водяном охлаждении обмотки ста-

тора все элементарные проводники или часть их выполняются

полыми в виде медных трубок прямоугольного сечения с пря-

моугольным каналом.

Высота канала в полом медном проводнике выбирается

обычно равной

1,54-2,0

мм. При меньших значениях a

трудно обеспечить надежное выполнение канала в собранном

стержне и протекание воды. Толщина стенки меди определяется

механической прочностью и технологическими соображениями;

она обычно принимается равной 1—2 мм. Таким образом, вы-

сота полого проводника оказывается в 1,5—3 раза больше вы-

соты сплошного. Поэтому при одинаковой высоте паза коэффи-

циент к

при полых проводниках будет значительно больше,

чем при сплошных.

Для обмотки с полыми проводниками обычно рекоменду-

ется иметь й

<1,6. В отдельных случаях у обмотки с непосред-

ственным охлаждением при очень глубоких пазах можно допус-

кать £

=2.

Для стержней, набранных только из полых проводников, вы-

соту элементарного проводника, обеспечивающую &

=1,6, опре-

деляют по формуле

'" a„.

=127-^V^T- (5-12)

При £

а„.

155

V^M

•

(5-13)

Qai

Здесь

ky,

qMilq

— отношение площади меди к полному се-

^елению полого проводника, включая и канал (см. табл. 5-6).

Если предварительно &

неизвестно, то можно задаться значе-

нием причем для более узкого паза величина

д/^м принимается большей.

Если высота элементарного полого проводника, определен-

ная по (5-12) или (5-13), оказывается недопустимо малой, то

следует или выбрать большую плотность тока, или перейти

к комбинированному стержню.

Комбинированные стержни применяют с целью уменьшения

как основных, так и дополнительных потерь, поскольку сплош-

ные проводники выбираются меньшей высоты, чем полые.

Комбинированные стержни могут иметь на один полый про-

водник 2; 3; 4 и более сплошных элементарных проводников

меньшей высоты. Совокупность одного полого и N сплошных

проводников называется группой. Следует заметить, что при

большом числе сплошных проводников в группе суммарные

потери уменьшаются, однако нагрев обмотки из-за меньшего

расхода воды при этом повышается, так как расход воды нахо-

дится в прямой зависимости от числа полых проводников. По-

этому число проводников в группе может определяться также

схемой охлаждения.

Если по воде последовательно соединяются два и более

стержней, то стержни выполняют обычно только из полых про-

водников или с 2—3 сплошными проводниками в группе. Если

же все стержни обмотки по воде соединяются параллельно, то

группа может состоять из 2—6 сплошных проводников на один

полый. Практически большое распространение находят группы,

состоящие из одного полого и двух сплошных проводников, так

как при этом достигаются большие преимущества при ремонте

стержней.

Наибольшие конструктивные преимущества для машин сред-

ней мощности имеют схемы, в которых последовательно по воде

соединяются два стержня, так как при этом все подводы воды

к обмотке и все отводы удается выполнить на стороне, проти-

воположной выводам статорной обмотки (т. е. со стороны тур-

бины).

Для самых крупных турбогенераторов приходится все

стержни соединять по воде параллельно.

Выбор высоты полого проводника в комбинированном

стержне, обеспечивающей /г

=1,6, может быть произведен по

формуле

.„=127-^У^Ч>. (5-14)

о.

е.

1,6

1,2

1,0

0,8

_s*

N=4

QM.C

0,4 0,5 OJB 0,7 0,8 0,3 1,0

Рис.

5-1. Дополнительный коэффициент для определе-

ния высоты полого проводника в комбинированном

стержне

и л ~ высота полого проводника; а —высота сплош

ного;

N— число сплошных проводников, приходящихся на

один полый

(5-15)

а для к

а„.

155——

д/^м i|\

Яа\

где \|з — функция, зависящая от отношения высоты сплошного и

полого элементарного проводников и от числа сплошных про-

водников в группе. Функция г|з может быть определена по гра-

фику рис. 5-1. Непосредственно из графика следует, что чем

больше сплошных проводников и чем меньше их высота, тем

более крупным может быть принят полый проводник.

Найденная высота полого и сплошных проводников округ-

ляется до ближайших значений по сортаменту (см. табл. 5-6 и

5-7). Сечения элементарных проводников указаны в тех же таб-

лицах. Сечение меди одной группы вычисляют по формуле

Яг =

<7м.

п + М/м. с- . . •

Число групп в стержне составит

= q

i/q

если выполнять все группы одинаковыми (что предпочтительно),

то число групп следует округлить до целого четного (для упро-

щения транспозиции).

5-10. Высота паза статора

После того как определены размеры элементарных провод-

ников, производят «выкладку» паза, т. е. подробное определе-

ние всех размеров паза в соответствии с принятым числом эле-

ментарных проводников и нормами на изоляцию, указанными

в табл. 5-5. Ширина паза определена по (5-7), а высота при не-

посредственном охлаждении (мм) будет

= [(a

.n + Д

(

) + N (a

.c+

)]-^^

+ h

(5-16)

где hi — суммарная толщина изоляции по высоте паза; h

—

высота клина;

/г

= а

.п + Аг— место по высоте стержня для

транспозиции.

При косвенном охлаждении все элементарные проводники

сплошные, число их на стержень

\.lq*.

с-

Ввиду того что элементарные проводники в стержне обычно»

расположены в два столбца, это число должно быть не только-

целым, но и четным. Высота паза при этом вычисляется по фор-

муле

/ix

= (a

.c+A

-)^

^ +

+ /i

+/i

, • (5-16а)

где

+ Лг.

Клин паза статора служит для удержания стержней обмотки

в пазу, высота его обычно лежит в пределах от 10 до 35 мм.

Как правило, более высокий клин соответствует более глубо-

кому и широкому пазу. Если турбогенератор имеет относи-

тельно низкое индуктивное сопротивление рассеяния обмотки

статора, то более глубокий паз за счет клиновой зоны приводит

к некоторому повышению рассеяния и снижению токов корот-

кого замыкания. Иногда высота клина выбирается с таким рас-

четом, чтобы роторный бандаж отстоял от обмотки в лобовой

части на 5—10 мм в том случае, если в процессе монтажа ротор

будет лежать прямо на расточке. Однако обычно у больших

машин при монтаже в расточку предварительно кладут изоля-

ционную прокладку и стальной лист. Толщина подстилочного

листа составляет 10—15 мм, поэтому, как правило, и при низ-

ком клине бандаж ротора не касается обмотки статора.

Как уже отмечалось, отношение высоты паза к диаметру

расточки для нормальных двухполюсных машин составляет

hi/Di =

0,16-^0,21,

а для четырехполюсных h\ID\

0,10^-0,15.

Отношение высоты паза к его ширине обычно не превосхо-

дит 7—8. В практике могут быть и отклонения от приведен-

ных значений.

5-11.

Электротехническая сталь

В турбогенераторах применяется электротехническая сталь

с высокими электромагнитными свойствами. В табл. 5-8 приве-

дены марки стали по ГОСТ 21427.0—75 и удельные потери при

1 Тл и 50 Гц для стали толщиной 0,5 и 0,35 мм. Как правило,

Таблица 5-8 Марки электротехнической стали

Марка стали по ГОСТ 21427

0—75

Удельные потери, Вт/кг, при

1 Тл и 50 Гц для стали толщи-

ной 0,5 мм

То же, 0,35 мм

1511

1,55

1,35

1512

1,40

1,2

1513

1,25

1,05

1514

1,15

0,9

3411

1,10

0,8

3412

0,95

0,7

3413

0,8

0,6

в турбогенераторах мощностью 50 МВт и выше применяются

стали с удельными потерями 1,40 Вт/кг и менее. Электротехни-

ческая холоднокатаная сталь марок 3411, 3412 и 3413 с ориен-

тированными магнитными свойствами обычно применяется

в крупных машинах. При этом в двухполюсных генераторах

для наивыгоднейшего использования свойств холоднокатаной

стали она располагается так, чтобы направление проката со-

впадало с направлением магнитного потока по спинке. Индук-

ция в спинке сердечника при применении холоднокатаной стали

в этом случае может быть принята на 5—10 % выше, чем для

горячекатаной. Однако иногда с целью повышения механиче-

ской жесткости сердечника направление проката располагают

вдоль зубцов, так как модуль упругости стали поперек проката

в 1,5 выше, чем вдоль проката, и жесткость при тех же разме-

рах спинки увеличивается.

Удельные потери в холоднокатаной стали поперек проката

примерно в

1,4—1,6

раза больше, чем потери вдоль проката,

представленные в табл. 5-8.

Листы электротехнической стали изолируются лаком.

Коэффициент заполнения k

для электротехнической стали

с лаковым покрытием принимается: 0,93 для стали толщиной

0,5 мм и 0,90 для стали толщиной 0,35 мм.

В практике отечественного турбогенераторостроения пре-

имущественное распространение получила сталь толщиной

0,5 мм.

5-12. Размеры сердечника статора

Полная длина активной стали статора (мм) может быть

уточнена по принятой индукции в зазоре.

=•

Ф„р

26.

(5-17)

(^ + б)

В настоящее время наибольшее распространение получила

система радиальной вентиляции активной стали. При такой си-

стеме активная сталь по длине разбивается на отдельные па-

кеты, разделенные вентиляционными каналами. Ширина кана-

лов и пакетов зависит от принятой системы охлаждения об-

мотки статора.

При косвенном охлаждении обмотки статора ширина паке-

тов должна быть относительно невелика, так как через боко-

вую поверхность пакетов отводятся потери, выделившиеся не

только в активной стали, но и частично в меди обмотки. Боль-

шой расход газа в машине требует большого числа вентиля-

ционных каналов, причем скорость газа в каналах оказывается

достаточно высокой.

У машин с косвенным охлаждением ширина пакета обычно

составляет

= 30ч-50 мм. Более узкий пакет принимается при

воздушном охлаждении. Машины с водородным охлаждением

могут иметь пакет шириной 50 мм, так как охлаждение в этом

случае более интенсивное, чем воздушное. Ширина вентиляци-

онного канала обычно принимается равной Ь

=\0 мм.

При непосредственном охлаждении обмотки статора тепло-

вая нагрузка на активную сталь значительно меньше. Потери,

выделившиеся в зубцовой зоне сердечника, частично отводятся

водой, протекающей по полым проводникам обмотки. Ширина

пакета поэтому здесь может быть выбрана несколько большей

и составляет

= 50ч-75 мм. Повышенная ширина пакета не

только затрудняет отвод потерь от него, но и увеличивает тем-

пературный перепад внутри пакета, поэтому ширина пакета

свыше 75 мм, как правило, не рекомендуется. Здесь ширина

вентиляционного канала может составлять

= 5-И0 мм. Ка-

налы шириной 5 мм позволяют уменьшить ширину пакета и

повысить скорость движения газа. Последнее обстоятельство

должно учитываться в тех случаях, когда расход газа через ма-

шину мал.

Число вентиляционных каналов может быть определено вы-

ражением

После этого определяют длину активной стали без каналов

= h-n

(5-19)

и эффективную длину стали

h =

(5-20)

Как правило, все пакеты статора имеют одинаковую ши-

рину. Однако крайние пакеты, в которых выделяются дополни-

тельные потери, обусловленные торцевыми полями рассеяния,

с целью более интенсивного охлаждения не рекомендуется вы-

бирать шире 40 мм. Как правило, они выбираются шириной

20—25 мм.

Иногда при косвенном охлаждении и одноструйной схеме

вентиляции (см. рис. 2-8, а) практикуется выполнение пакетов,

расположенных ближе к середине машины, меньшей толщины,

чем удаленных. Этим достигается более равномерное распреде-

ление газа по длине машины.

Относительно короткие машины (Л до 1500 мм) выполняют

обычно с одноструйной вентиляцией. Более длинные машины

с косвенным охлаждением в большинстве случаев имеют много-

струйную вентиляцию для выравнивания распределения газа и

температуры по длине машины (см. рис. 2-8,6, б). Длина вен-

тиляционного отсека колеблется от 500 до 800 мм. Струйность

вентиляции машины определяется по числу горячих струй. Тур-

богенераторы с непосредственным охлаждением обмотки ста-

тора даже с большой длиной могут выполняться с одноструй-

ной или чаще с радиально-тангенциальной системой венти-

ляции.

Выбранную длину машины следует проверить по индукции

в зубцах статора.

Площадь спинки сердечника статора (м

) определяется по

формуле

=-£s-,

(5-21)

после чего может быть найдена высота спинки статора (мм)

/г

а1

= -^.Ю

(5-22)

и внешний диаметр сердечника по спинке (мм)

= D

+ 2(h

+ h

). (5-23)

Высота спинки статора существенно влияет на его вибра-

цию.

Эта вибрация вызвана силами магнитного тяжения основ-

ного потока, направленными радиально к ротору и распреде-

ленными по окружности периодически. Поскольку надежность

работы турбогенератора во многом определяется его вибрацион-

ным состоянием, то на стадии определения внешнего диаметра

сердечника двухполюсной машины необходимо проверить уро-

вень вибрации сердечника согласно рекомендациям гл. 12.

У четырехполюсных турбогенераторов вибрация сердечника су-

щественно ниже. Следует иметь в виду, что наружный диаметр

сердечника статора непосредственно влияет на внешний диа-

метр корпуса, который для крупных машин может быть огра-

ничен железнодорожными габаритами. Обычно не рекоменду-

ется иметь внешний диаметр корпуса статора более 4200 мм.

В исключительных случаях корпус может быть выполнен разъ-

емным.

4 Заказ J* 2005

5-13.

Длина витка обмотки статора и сопротивление

Длина витка обмотки статора определяется по формуле

U-2

+ l

), (5-24)

где /

i—длина лобовой части обмотки, которая может быть

найдена по приближенному выражению

« 2,5D

/p. (5-25)

Сопротивление постоянному току обмотки статора при 15 °С

гц

№

-Ю-

; (5-26)

57<7

а1

ери иной температуре

rie = Vi(i6), (5-27)

где коэффициент изменения сопротивления меди при изменении

температуры в широком диапазоне носит линейный характер:

235

+ » • (5-28)

235

+ fl

Для некоторых, типичных для турбогенераторов температур

kt имеет следующие значения:

/, °С 75 100 130

1,24 1,34 1,46

5-14. Пример выбора обмоточных данных статора

Продолжим пример, начатый в гл. 4.

Номинальный ток по (5-1)

/„ = -ia—^

376

5103

=10 870 А.

л/з

V3 20

Принимаем в соответствии с табл. 5-1 число параллельных

ветвей

а = 2

и число активных проводников в пазу

s„i

Об-

мотку принимаем стержневую петлевую.

Объем тока в пазу по (5-2)

Уп=

_1д£д1_

10870 2

= ю870 А.

а 2

Предварительно зубцовый шаг по расточке статора согласно

(5-3)

_^.

Юв

1087

°-

66,3

мм.

1640

Предварительное число пазов статора по (5-4)

Zl=

J^= "-

1295

- = 61,4.

/, 66,3

Окончательно принимаем по табл. 5-2 Zj =

60,

что соответ-

ствует числу пазов на полюс и фазу

_z^

^o_

=10

2pm 2 3

Окончательные значения зубцового шага и линейной на-

грузки

, я£>! я-1295

ап

о,

fi = = =67,81 мм;

= -^- =

-НЬШ..

= 1603 А/см.

/i 67,81

По табл. 5-3 принимаем относительный шаг

0,833.

При

этом первый частичный шаг у\ будет 1—26 и обмоточный ко-

эффициент по табл. 5-4

&об 1

= 0,923.

Число последовательно соединенных витков в фазе по (5-5)

SnjZj 2 60

1Г1

o)i= ' = = 10.

2та 2 3 2

Принимаем предварительно ширину паза статора по § 5-7

6ni = 0,45^i = 0,45

-67,81

=30,5 мм.

Двухсторонняя толщина изоляции по ширине паза при на-

пряжении 20 кВ по табл. 5-5

26,1

= 13,4 мм

Предварительная ширина элементарного проводника при

двух проводниках по ширине паза

(«1

= 2)

2bi

-Л, = 30,5-13,4 _

0>3 = 8|25 MMi

«i 2

где

Д,

= 0,3 мм

—

двухсторонняя толщина собственной изоляции

проводника.

Принимаем окончательно по табл. 5-6 6

i = 8,5 мм.

Окончательная ширина паза

ftni =

+ Aj) +

26,

= 2-(8,5 + 0,3)+13,4 = 31,0MM

Ьщ 31,0

h 67,81

= 0,457.

Принимаем предварительно плотность тока по рис. ' 4-4

/i = 5,7 мм

Требуемое сечение стержня

Ю870

псо 2

——

= =

953

мм

fl/i 2 5,7

Принимаем комбинированный стержень с тремя сплошными

проводниками на один полый

= 3 и отношением высоты спош-

ного проводника к высоте полого а

м с

/а

„

= 0,4.