Хуторецкий Г.М. Проектирование турбогенераторов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

РАСХОД ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ

7-1.

Общие замечания

Для поверочных тепловых расчетов необходимо задаться рас-

ходом охлаждающей среды в машине. Расход охлаждающей

среды определяют из условия поддержания температуры актив-

ных частей машины в допустимых пределах.

Выбор расхода охлаждающей среды может быть произве-

ден по ее нагреву. При газовом охлаждении расход обычно вы-

ражают в м

/с, а при жидкостном — в дм

/с Это связано с удоб-

ством записи и вычисления.

Если исходить из нагрева охлаждающей среды, то предва-

рительно должны быть рассчитаны отводимые потери Q Тогда

нагрев среды (°С)

* =

-?-.

Здесь Q — отводимые потери, кВт; L — расход охлаждающей

среды, м

/с для газа и дм

/с для жидкости; с —удельная объ-

емная теплоемкость, кДж/(м

-К) для газа и кДж/(дм

-К) для

жидкости.

Удельная объемная теплоемкость наиболее употребительных

охлаждающих агентов составляет: 1,1 кДж/(м

-К) у воздуха

и водорода (при нормальном атмосферном давлении) и 4,14 и

1,8 кДж/(дм

-К) соответственно у воды и трансформаторного

масла.

В машинах с косвенным и непосредственным охлаждением

нагрев и расход охлаждающей среды по условиям допустимых

температур обмоток могут существенно различаться. Как пра-

вило,

машины с косвенным охлаждением имеют меньший на-

грев охлаждающей среды и больший ее расход.

В некоторых конструкциях расход охлаждающей среды мо-

жет определяться также по скорости ее течения.

7-2.

Турбогенераторы с косвенным охлаждением

Для машин с косвенным воздушным охлаждением нагрев

воздуха от полных отводимых воздухом потерь при номиналь-

ной нагрузке принимается равным 0 = 25-^30 °С С целью ис-

ключения подогрева воздуха в вентиляторах может быть реко-

мендована вытяжная схема вентиляции. Подогрев воздуха

в вентиляторах составляет ф

вен

= 2ч-7 °С.

Для турбогенераторов с косвенным водородным охлажде-

нием при кратности давления #=1,05 по отношению к атмо-

сферному нагрев водорода может быть принят равным 0 =

= 20-^25 °С.

130

7-3.

Турбогенераторы с непосредственным охлаждением

Здесь можно различать два случая: когда обмотка статора

имеет косвенное охлаждение, а обмотка ротора — непосред-

ственное или когда обе обмотки имеют непосредственное ох-

лаждение.

В первом случае обычно применяется один охлаждающий

агент — водород. Для достаточно интенсивного охлаждения

кратность давления обычно # =

Расход газа в этом случае

может быть принят из условия среднего подогрева газа в тур-

богенераторе около 15—20 °С. В самой роторной обмотке по-

догрев газа может составить 30—50 °С. Скорость течения газа

в полых проводниках обычно составляет 30—50 м/с. Низкий об-

щий подогрев газа в машине обеспечивается не за счет увели-

чения объемного расхода газа по сравнению с косвенным ох-

лаждением, а за счет повышения давления.

В том случае, когда обмотка статора имеет непосредствен-

ное охлаждение водой, а обмотка ротора охлаждается по си-

стеме захвата водорода из зазора машины, общий расход газа

в турбогенераторе также может быть принят из условия подо-

грева его на 15—20 °С.

При такой системе охлаждения газом отводится только часть

общих потерь, однако для более мощных машин кратность дав-

ления принимается большей (Я = 4), так как уровень потерь

растет.

При непосредственном охлаждении проводников статора во-

дой подогрев воды может приниматься от 15 до 30 °С при ско-

рости течения воды 1—2 м/с. Падение гидравлического напора

внутри статорной обмотки в нормальных схемах может состав-

лять 0,15—0,4 МПа.

Наибольшие трудности встречаются при определении рас-

хода воды через обмотку ротора при непосредственном охлаж-

дении. Здесь нагрев воды принимается равным 25—35

С. При

этом скорость течения воды составит 2—4 м/с или несколько

больше. Падение гидравлического напора здесь может доходить

до 1—2 МПа.

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ

8-1.

Общие замечания

В задачу электромагнитного расчета входит расчет магнитной

цепи и определение тока возбуждения при нагрузке. Электро-

магнитный расчет производится как поверочный, т. е. по уже

выбранным основным размерам и обмоточным данным статора

и ротора.

-131

8-2. Магнитная цепь

Магнитная цепь турбогенератора состоит из спинки и зуб-

цов ротора, зубцов и спинки статора и зазора. Высшие гармо-

ники в кривой магнитного потока нежелательны, так как это

связано с дополнительными потерями и рассеянием обмоток.

Магнитная цепь рассчитывается для потока первой гармоники,

и поэтому конструкция магнитной цепи предусматривает форму

поля, близкую к синусоидальной.

Подавляющее большинство современных турбогенераторов

имеет в сечении тела ротора, перпендикулярном оси машины,

круг с радиально расположенными пазами (рис. 8-1). При таком

выполнении ротора зазор между статором и ротором постоянен.

Приближение формы поля ротора к синусоидальной обес-

печивается расположением обмотки возбуждения, распределен-

ной по окружности ротора. В большинстве случаев пазы, в ко-

торых располагается обмотка, равномерно размещаются на

большей части окружности, оставляя необмотанной часть ок-

ружности— большой зуб—для магнитного потока. Магнитная

ось потока холостого хода машины совпадает с осью зуба. Для

лучшего приближения распределения магнитного потока к си-

нусоидальному обмотанные пазы, ближайшие к большому зубу,

часто выполняют укороченными по высоте по сравнению

с остальными пазами.

Расчет магнитной цепи может производиться в режиме хо-

лостого хода и под нагрузкой. Расчет магнитной цепи под на-

грузкой представляет большие трудности и при обычных рас-

четах турбогенераторов, без использования ЭВМ, не произво-

дится. Ток возбуждения под нагрузкой определяют наложением

режима холостого хода на режим короткого замыкания, что,

как правило, дает вполне приемлемые результаты.

Расчет магнитной цепи состоит в определении зависимости

между напряжением на зажимах машины и током возбуждения

Рис.

8-1. Магнитная цепь двухполюсного турбогенератора

132

при холостом ходе. При холостом ходе и возбужденном роторе

для замкнутого контура интегрирования (показанного на рис.

8-1 сплошной линией) закон полного тока может быть записан

в виде

= $Hdl,

где F

— полный ток (или м.д. с), охваченный контуром.

Контур интегрирования обычно разбивают на отдельные ха-

рактерные участки. В турбогенераторах такими участками яв-

ляются: зазор 06), зубцовая зона статора (zi), ярмо (спинка)

статора {а

{

), зубцовая зона ротора (z

), ярмо ротора (а

). Сле-

довательно,

^0 = ^6 +

zl +

al + F

+ F

Расчет магнитной цепи турбогенератора осложняется тем

обстоятельством, что при интегрировании по контуру, показан-

ному на рис. 8-1 штриховой линией, полный ток (или м.д. с.

ротора), охватываемый этим контуром, будет отличаться от

полного тока, охватываемого сплошным контуром. Основная

особенность магнитной цепи турбогенератора состоит в том, что

м. д. с. обмотки возбуждения в нем распределена по окружно-

сти ротора. Наиболее часто все пазы ротора выполняются оди-

наковой высоты, и тогда м.д. с. распределяется по окружности

ротора по закону равнобокой ступенчатой трапеции.

Точный расчет такой цепи должен производиться по отдель-

ным параллельным участкам, ограниченным вдоль окружности

ротора одним пазовым делением, так как на таком участке

м.д. с. ротора остается постоянной. Ручной расчет магнитной

цепи по параллельным участкам представляет собой в доста-

точной мере трудоемкую задачу. Обычно он проводится при

определении наивыгоднейшего зубцового слоя или при больших

отступлениях от типового выполнения ротора. Такие расчеты

обычно выполняются с помощью ЭВМ методами цепей или поля

и позволяют найти распределение индукции вдоль полюсного

деления и гармонический состав кривой поля.

Для поверочного расчета при типичном выполнении зубцо-

вого слоя ротора можно воспользоваться тем или иным методом

упрощенного расчета магнитной цепи, обеспечивающим доста-

точную точность при относительной простоте и незначительной

затрате времени.

В практике проектирования турбогенератора наибольшее

распространение получил упрощенный метод расчета магнитной

цепи, приведенный в [4]. Упрощенный метод расчета основан на

приведении неявнополюсной синхронной машины с распределен-

ной м. д. с. ротора к эквивалентной явнополюсной машине с со-

средоточенной м.д. с, для которой все элементы магнитопро-

вода соединены последовательно. Кривая поля турбогенератора,

как правило, достаточно хорошо приближается к синусоиде. По-

133

этому упрощенный расчет магнитной цепи производят по пер-

вой гармонике поля.

Приведение турбогенератора к эквивалентной явнополюсной

машине состоит в том, что первая гармоника потока при холо-

стом ходе замещается потоком прямоугольной формы. Прямо-

угольная волна выбирается таким образом, чтобы площадь ее

была равна площади первой гармоники, а высота, определяемая

индукцией в зазоре, была равна амплитуде первой гармоники.

Тогда полюсное деление эквивалентной явнополюсной машины,

определяемое основанием прямоугольной волны, может быть

найдено из условия равенства площади прямоугольника и сину-

соиды

и будет составлять

ВсрТ

= — В

^ 2 ^ £>!

я р

Теперь можно вычислить сечение эквивалентного зазора.

Оно,

очевидно, будет равно произведению расчетной длины ма

шины и эквивалентного полюсного деления, измеренного посе-

редине зазора. Расчетная длина машины определяется активной

длиной статора и распором магнитных силовых линий в акси-

альном направлении. Обычно принимают, что расчетная длина

машины больше ее активной длины на два зазора. Тогда се-

чение зазора (м

)

= °

2 + б

(k +

26) •

10-«. (8-1)

Напряженность магнитного поля в зубцах статора обычно

принято рассчитывать на высоте одной трети зубца от расточки

статора. Диаметр в этом сечении

£>*i/3

= £>i+-|-ui, (8-2)

а ширина зубца

&,1,з

—г^-&я1-

(8-3)

На одно полюсное деление реальной машины приходится

mq пазов статора^ где q

—

число пазов на полюс и фазу;

I ' '

= ~. (8"4)

2рт

134

В эквивалентной явнополюсной машине на полюсное деле-

ние будет приходиться, очевидно, в я/2 раза меньше зубцов,

т. е. — щ- Таким образом, при т =

расчетное сечение зубцов

статора может быть определено выражением (м

)

./3 = — qb

-Ю-*. (8-5)

Расчетное .сечение ярма статора на основании (5-22)

i = V,-10-

. . '"/ (8-5а)

Ввиду того что напряженность магнитного поля в зубцовой

зоне ротора обычно значительно больше, чем в зубцовой зоне

статора, для повышения точности рекомендуется производить

расчет зубцовой зоны ротора в двух сечениях. Первое сечение

принимается на расстоянии 0,2 глубины паза, считая от его

дна, а второе — на расстоянии 0,7 глубины паза. Тогда соответ-

ствующие расчетные диаметры будут:

= Do— l,6/i

; • (8-6)

= D

—0,6ft,. (8-7)

Относительно расчетных сечений зубцов ротора следует за-

метить, что полюсное деление эквивалентной двухполюсной ма-

шины можно рассматривать, как проекцию полуокружности ро-

тора на поперечную ось (диаметр ротора). Поэтому расчетное

сечение реальных зубцов ротора также может быть определено,

как проекция сечения зубцов на этот диаметр.

Как следует из рис. 8-2, необмотанная часть ротора (боль-

шой зубец) имеет проекцию на диаметр, равную cosy — ,

а обмотанная часть имеет проекцию, равную

1-—cosy

\-COSY^

\ 2п

Y^\

12/

cos

rf,

Рис. 8-2. К определению расчетного сечения

зубцов ротора при р=\

135

Таблица 8-1. Проекция обмотанной части ротора

на поперечную ось 2 sin a

Проекция, о. е , при Zilp, равном

3,32

3,14

3,01

2,88

2,75

2,63

4,42

4,26

4,11

3,97

3,83

3,70

3,58

5,68

5,51

5,35

5,20

5,06

4,92

4,78

4,66

4,53

4,42

6,77

6,61

6,45

6,30

6,15

6,01

5,87

5,74

5,61

5,49

5,39

5,25

8,04

7,87

7,71

7,55

7,40

7,25

7,10

6,96

6,82

6,69

6,56

6,44

6,32

6,20

9,14

8,97

8,81

8,65

8,49

8,34

8,20

8,05

7,91

7,78

7,64

7,52

7,39

7,29

7,14

7,02

10,23

10,07

9,91

9,75

9,59

9,44

9,29

9,15

8,99

8,84

8,72

8,60

8,48

8,30

11,33

11,17

11,00

10,85

10,69

10,54

10,39

10,24

10,10

136

Продолжение табл. 8-1

Проекция, о. е., при Zi/p, равном

28 32

8,18

8,11

8,00

7,87

9,96

9,82

9,69

9,55

9,43

9,30

9,18

9,06

8,94

8,93

Здесь радиус окружности принят за единицу. При расчете

удобно принять за единицу зубцовый шаг ротора. Тогда проек-

ция обмотанной части ротора будет (табл. 8-1)

У sinct;= .

sin

Здесь аг — угол между поперечной осью и осью каждого ма-

лого зубца; в дальнейшем, как это принято, для краткости ин-

декс и пределы суммирования опускаем.

Теперь находим расчетные сечения ротора по зубцам (м

)

о,

= V^m- -

П2

sin а] к

•

Ю-

; (8-8)

о,7

= [-^ - Ь

П2

2 sin а] k

•

Ю-

(8-9)

и сечение спинки ротора

= (D

-2h,-D

-\0-«. '• (8-10)

8-3.

Расчет характеристики холостого хода

Расчет м. д. с. магнитной цепи производится на один полюс.

Расчетные значения индукции в зазоре, зубцах статора и

ротора, ярме статора и ротора могут быть определены путем

деления соответствующего магнитного потока на площадь рас-

четного сечения. Характеристику холостого хода турбогенера-

тора можно рассчитать по шести точкам, соответствующим до-

лям номинального напряжения: 0,7; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4.

137

При холостом ходе обмотка статора не обтекается током, и

поэтому на участках зазора и сердечника статора будет дейст-

вовать магнитный поток, определенный по (5-6). Обмотка

ротора в этом режиме будет обтекаться током, и поэтому к ос-

новному потоку, рассчитанному по (5-6), добавится поток рас-

сеяния. Поток рассеяния ротора определяется как геометриче-

скими размерами самого ротора, так и током возбуждения, про-

текающим по обмотке в этом режиме.

Индукция в зазоре (Тл)

^4^:

(8-11)

м. д. с. на зазор (А)

^6 =

в&

(*о

Ов

6£

.10-

= 0,8B

6fc

-10

(8-12)

где

|х

= 4л'10~

Гн/м — магнитная проницаемость воздуха;

— коэффициент зазора (коэффициент Картера).

Коэффициент зазора, определяемый зубчатостью статора,

можно найти по приближенному выражению

*ст=1-

'nl

<l(S6 + *nl)-*nl

Для ротора соответственно

kro =

1 •

"п2

<С2

(5б + 6

п2

)-6

п2

(8-13)

(8-14)

причем здесь учтено, что обмотанная часть занимает не всю

окружность ротора; t

= nD2/Z

'— шаг по пазам ротора.

Наличие вентиляционных каналов статора учитывается ко-

эффициентом

=l-

+ b

){56+b

)-bl

а рифление бочки ротора — коэффициентом

(5&

+ b

)-b

(8-15)

(8-16)

где t

— шаг рифления; Ь

— ширина канавки.

Рифление, т. е. система кольцевых канавок на наружной по-

верхности бочки ротора, служит для уменьшения добавочных

потерь на поверхности ротора и увеличения поверхности охлаж-

дения. Оно применяется в турбогенераторах с косвенным ох-

лаждением. Обычно

=\2

мм и

Ьг

(з

мм.

Суммарный коэффициент зазора

. - *с =

*с1

*с«—1

+ *ск-1 +

*сг—1-

(8-17)

138

Индукция

зубцах статора (Тл)

в ярме статора (Тл)

В,п = -2±—, (8-18)

«=жг-

19)

Напряженность магнитного поля для зубцов статора

оп-

ределяется

по

расчетной индукции

помощью кривой намаг-

ничивания электротехнической стали. По достижении индукции

в зубцах статора

1,8 Тл

происходит ответвление части магнит-

ного потока

паз параллельно зубцу. Это учитывается коэффи-

циентом ответвления

J^i±^!iL_i. (8-20)

Кривые намагничивания электротехнических сталей приве-

дены

на

рис. 8-3

8-4

и в

табл. 8-2, 8-3

8-4. Напряженность

магнитного поля

таблицах дана

амперах

на

сантиметр.

За расчетную длину магнитных силовых линий

зубце при-

нимается его высота. М. д. с. на зубцы статора определяется как

произведение напряженности магнитного поля

длины силовых

линий

(А)

= H

-Wr

. (8-21)

В ярме статора индукция распределяется неравномерно

вдоль окружности: изменяется от нуля (на оси большого зубца)

до максимального значения (на поперечной оси), определяемого

формулой (8-19). Поэтому

для

определения напряженности

магнитного поля вычисляется расчетная индукция

В'

—kB

где поправочный коэффициент

индукции

спинке статора

и 18-10Y

„ „„ „ „ „

•

18 —

. . 0,64

. .

0,947

. . 0,72

. .

0,937

0,65

0,946

0,73

0,935

лсдувл.

0,66

0,945

0,74

0,934

цис знс

0,67

0,943

0,75

0,933

1ЧСНИМ.

0,68

0,942

0,76

0,932

0,69

0,941

0,77

0,931

0,70

0,939

0,78

0,929

0,71

0,938

По индукции

5'ai с

помощью основных кривых намагничи-

вания (см. табл.

8-2—8-4)

определяется напряженность магнит-

ного поля

спинке статора

Расчетная длина силовых линий

ярме статора (мм)

^nD

^~,

(8-22)

Ар

где D

—h

— средний диаметр спинки статора.

139