Хуторецкий Г.М. Проектирование турбогенераторов

Подождите немного. Документ загружается.

в лобовых частях обмотки статора, в элементах крепления

сердечника статора к корпусу и корпуса статора к фундаменту,

в шейках и крепящих элементах ротора. В остальных режи-

мах возникнут дополнительные тепловые нагрузки на обмотки

или элементы конструкции. В тех случаях, когда постоянная

времени нагревания значительно больше, чем продолжитель-

ность рассматриваемого процесса дополнительного нагрева

(это практически может иметь место в режимах «б», «в»,

«г»),

процесс может рассматриваться как адиабатный. Тогда

для обмотки, выполненной из меди, при набросе тока с плот-

ностью j повышение температуры за время At составит

ЛА

= -?- М.

175

1-10. Порядок проектирования

После получения задания на проектирование следует про-

извести: 1) выбор основных размеров и обмоточных данных

турбогенератора; 2) выбор основной конструктивной схемы

и компоновки основных узлов; 3) электромагнитный расчет;

4) тепловой расчет; 5) механический расчет; 6) вентиляцион-

ный расчет.

Очевидно, что последовательность действий по пп. 2—6

условна и они могут осуществляться, как это имеет место в кон-

структорских бюро, практически параллельно. При выполне-

нии же проекта отдельным лицом вышеуказанная последова-

тельность может быть оправдана, если при этом можно вос-

пользоваться определенным опытом или рекомендациями.

В более же общем случае проектировщик обычно строит по-

следовательность действий в зависимости от конкретных усло-

вий. Например, если имеются размеры ротора, заведомо боль-

шие,

чем обычно принятые, то целесообразно начать расчеты

с проверки механической прочности ротора.

Обычно в руководствах по проектированию турбогенерато-

ров предполагается определенный уровень развития металлур-

гии, конструирования и расчета, что фактически фиксируется

приводимыми рекомендациями. Поэтому такие рекомендации

являются в этом смысле ограниченными и всегда могут и дол-

жны быть пересмотрены при применении новых материалоа

или принципов конструирования.

ГЛАВА ВТОРАЯ

КОНСТРУКЦИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРА

2-1.

Общая компоновка

Все современные турбогенераторы приводятся во вращение

паровой или газовой турбиной, имеют горизонтальное распо-

ложение оси вращения и выполняются в виде полностью за-

крытой машины с замкнутой системой вентиляции. Подавляю-

щая часть турбогенераторов мощностью 50 МВт и выше имеет

водородное наполнение корпуса при повышенном давлении

для улучшения охлаждения активных и конструктивных ча-

стей машины и уменьшения потерь на вентиляцию.

Высокая частота вращения и, как следствие, высокие ме-

ханические напряжения определяют конструктивное выполне-

ние ротора в виде длинного цилиндра из высоколегированной

стали с повышенными механическими и магнитными свойст-

вами. Большие механические напряжения, возникающие из-за

центробежной силы в зубцах и теле ротора, и особенно в бан-

дажных кольцах, ограничивают диаметр ротора при частоте

вращения 3000 об/мин значениями 1200—1250 мм. При ча-

стоте вращения 1500 об/мин центробежные силы в роторе

меньше и ограничивающими факторами в основном являются

возможность изготовления поковки большой массы и ее транс-

портировка. У больших четырехполюсных турбогенераторов

диаметр ротора обычно составляет 1600—1800 мм. Типичные

разрезы современных турбогенераторов показаны на

рис.

2-1, а и б.

Корпус статора турбогенератора опирается на фундамент

посредством рым-лап; ротор опирается на два подшипника

скольжения. Подшипники могут быть отдельно стоящими

(стояковыми) или встроенными в торцевые щиты корпуса ста-

тора. Стояковые подшипники обеспечивают меньшую трудоем-

кость при изготовлении, а также большие удобства при сборке

и разборке машины на станции. Встроенные подшипники могут

обеспечить несколько меньшее расстояние между осями под-

шипников. В большинстве случаев стояковый подшипник со

стороны турбины располагается в цилиндре низкого давления

турбины.

В основном крупные турбогенераторы имеют независимую

систему возбуждения, т. е. возбуждение осуществляется от воз-

будителя, ротор которого непосредственно соединен с ротором

турбогенератора. Возбудитель, как правило, имеет свои под-

шипники и свои воздухоохладители.

tt*=

—

"'>

'Ь

\щ

6-/г7

Пл л 1

—'

1111

•••. О-

га

\W-TT

) ^Vurti

ХкТО

_LJ\

ULiJji

Лч

^ш

[

•

i—

—A

Г1

1—1

газо

-ffl—-iq

ымн

130НТЭЛЫ

лями;

—

ropi

ни

газоо альны

телям!

И=Г

frT

opa

Рис.

2-1.

Продольный разрез турбогенсрат

23.

2-2.

Конструкция статора

Статор турбогенератора состоит из сердечника с уложен-

ной в пазы обмоткой, корпуса статора и торцевых щитов,

а также элементов системы охлаждения, в частности газоох-

ладителей.

Сердечники изготавливаются из лучших сортов листовой

электротехнической стали толщиной 0,5 мм (иногда 0,35 мм);

листы изолированы лаковой пленкой. Сердечник набирается из

отдельных сегментов в пакеты толщиной 40—70 мм, разделен-

ные вентиляционными радиальными каналами шириной 5—

10 мм, образованными с помощью дистанционных распорок

двутаврового или прямоугольного профиля, как правило, из

немагнитного металла. Дистанционные распорки приварива-

ются к крайним сегментам пакета точечной сваркой. Вид

сегмента сердечника показан на рис. 2-2. Для монолитности

сердечник запрессовывается с давлением

1,2—1,7

МПа; при

этом усилие пресса составляет 1000—1200 т. Сердечник кре-

пится на специальных ребрах-клиньях корпуса, приваренных

к внутренним его полкам параллельно оси вращения. Ребра-

клинья на внутренних частях имеют выступы в виде ласточки-

ного хвоста; на них нанизывают листы сердечника. Обычно

сегменту соответствует 2—3 ребра-клина и каждый очередной

•слой сегментов сдвигается относительно предыдущего на '/2—

7з ширины сегмента (в зависимости от числа обмоточных па-

Рис.

2-2. Сегмент сердечника статора

:24 -

зов на сегмент). При сборке сердечника в обмоточные пазы

вставляют специальные калибры, обеспечивающие правильные

размеры пазов в свету.

При работе машины под нагрузкой сердечник испытывает

действие очень больших радиальных усилий магнитного тяже-

ния и окружных электромагнитных сил, под действием кото-

рых деформируется и совершает колебательное движение

с двойной частотой сети. Поэтому в месте закрепления сердеч-

ника в корпусе возникают значительные усилия, передающие

вибрации сердечника корпусу и могущие вызывать контактную

эрозию соприкасающихся поверхностей сердечника и ребер-

клиньев. Для снижения вибрации корпуса статора предусмат-

ривается упругая подвеска сердечника в корпусе: элементам

крепления сердечника сообщается повышенная гибкость. Изве-

стен ряд конструктивных вариантов упругой подвески. Наи-

более простой и хорошо зарекомендовавшей себя в эксплуата-

ции является конструкция, в которой в ребрах-клиньях в об-

ласти крепления их к корпусу делаются длинные продольные

прорези, как это показано на рис. 2-3, позволяющие ребру-

клину деформироваться в радиальном направлении.

J 2 J

Рис.

2-3. Эластичная подвеска сердечника статора

/ — сердечник статора; 2 — полка корпуса; 3 — ребро; 4 — нажимная

плита

Рис.

2-4. Прессующий узел сердечника статора и крепление лобовых частей

обмотки: а — обычная конструкция; б

—

ужесточенный вариант; в

—

схема

устройства магнитного шунта

/ — лобовая часть обмотки; 2 — бандажное кольцо; 3 — кронштейн; 4 — нажимная

плита;

5 —экран; б — палец; 7 — сердечник статора; в—иставка; 9 — распорное

кольцо;

10 — магнитный шунт

Концы ребер-клиньев затачивают на цилиндр и снабжают

резьбой. В запрессованном состоянии сердечник удерживается

с помощью нажимных колец специального профиля, выполнен-

ных из немагнитной стали в целях уменьшения добавочных

потерь в них от магнитного поля лобовых частей обмотки

статора. Для защиты крайних пакетов сердечника от этих по-

лей между нажимными кольцами и сердечником часто поме-

щают экран в виде толстого медного кольца, сами крайние

пакеты делают более тонкими, а зубцы снабжают радиаль-

ными прорезями. Противоположные нажимные кольца стяги-

вают между собой гайками, навинченными на резьбовые части

ребер-клиньев. Для прессовки сердечника в зубцовой зоне

между ним и нажимным кольцом устанавливают нажимные

пальцы из немагнитной стали. Обычно предусматривают 1—2

пальца на зубец. Устройство прессующего узла сердечника

статора показано на рис. 2-4, а, б.

В новейших конструкциях турбогенераторов с целью сни-

жения потерь и нагрева крайних пакетов сердечника приме-

няют так называемые магнитные шунты. Они представляют

собой пакеты из электротехнической стали, подобные пакетам

основного сердечника, но толщиной 20 мм и с сильно укоро-

ченными зубцами (или вовсе без них). Таким образом, эти

пакеты основного потока не несут, но замыкают аксиальные

потоки рассеяния лобовых частей обмотки статора, проникаю-

щие сквозь нажимную плиту и экран. Для лучшей вентиляции

магнитные шунты отделены от основного сердечника нажим-

ными пальцами. Такая конструкция торцевой зоны сердечника

показана на рис. 2-4, в. Магнитные шунты снижают нагрев

крайних пакетов сердечника в 2—3 раза по сравнению с обыч-

ной конструкцией и позволяют турбогенераторам работать

в режимах с опережающим током статора (т. е. недовозбуж-

денными) без высоких нагревов в крайних пакетах сердечника.

Обмотка статора турбогенератора выполняется трефазной

шестизонной петлевой стержневого типа. Подавляющее боль-

шинство турбогенераторов имеет двухслойную обмотку ста-

тора с соединением фаз в звезду. В каждом пазу сердечника

укладываются один над другим два стержня (при двухслойном

исполнении), являющиеся активными проводниками и соединя-

емые с другими стержнями в головках лобовых частей с по-

мощью наконечников и пайки.

Сечение паза статора при косвенном охлаждении обмотки

представлено на рис. 2-5. Для уменьшения добавочных потерь

(от вихревых токов) каждый стержень выполняют из боль-

шого числа мелких «элементарных» изолированных проводни-

ков прямоугольного сечения. Обычно употребляется провод

марки ПСД с изоляцией стеклянной пряжей в два слоя. В го-

ловках лобовых частей все элементарные проводники, как пра-

вило,

соединяются между собой в наконечник и образуют зам-

кнутые контуры по высоте стержня, по которым могут цирку-

лировать токи, вызванные полями рассеяния пазовой и лобо-

вой частей обмотки (циркуляционные токи); из-за этих токов

в обмотке возникают добавочные потери. Для их уменьшения

элементарные проводники транспонируются, т. е. перекладыва-

ются по высоте и ширине паза так, чтобы потокосцепление от

полей рассеяния, образованное любой парой элементарных

проводников, было минимальным. Для этого обычно элемен-

тарные проводники по сечению стержня размещают в два вер-

тикальных столбика, разделенных изоляционной прокладкой

из таблетированной стеклоткани, и предусматривают дополни-

тельное место по высоте паза для плетения проводников. Ос-

новная часть поля рассеяния обмотки статора, как правило,

локализована в пазу, и поэтому желательно, чтобы каждый

элементарный проводник в пазовой части обмотки занимал все

возможные положения по высоте паза, т. е. совершил полный

период изменения своего положения. Такая транспозиция на-

зывается транспозицией на 360°. Она полностью компенсирует

циркуляционные токи, возникающие из-за пазового рассеяния.

С целью ослабления циркуляционных токов, возникающих

Рис.

2-5. Сечение паза статора с косвенным

охлаждением обмотки

/ — нижний стержень; 2 — верхний стержень; 3 — клин

в лобовых частях из-за потоков рассея-

ния обмотки, применяется транспози-

ция в пазу на 540°, но она выполнима

лишь в машинах достаточно большой

длины, так как по условиям технологии

каждый шаг транспозиции требует 30—

50 мм длины стержня, а число эквива-

лентных шагов при транспозиции на

540° в два раза больше, чем при 360°.

В самых мощных турбогенераторах с

целью дальнейшего снижения потерь

транспозиция может предусматриваться

и в лобовых частях обмотки статора.

При непосредственном водяном ох-

лаждении обмотки статора часть эле-

ментарных проводников, по которым

циркулирует охлаждающий дистиллят,

выполняется полыми. Полые проводники

выполняются изолированными, как и

сплошные элементарные проводники.

Полые проводники имеют большие раз-

меры по высоте, и поэтому в них возникают большие потери

от вихревых токов. Каждый полый проводник и соответствую-

щие сплошные образуют группу. Сечение паза статора с та-

кими стержнями показано на рис. 5-2.

Для электрического соединения стержней при косвенном

охлаждении элементарные проводники на концах зачищают

от изоляции, вставляют в медные обоймы и пропаивают сере-

бряным припоем. При непосредственном водяном охлаждении

концы проводников впаиваются в массивные полые медные на-

конечники. Последние имеют контактные хвостовики для элек-

трического соединения и штуцеры

—

для гидравлического. Го-

ловка такой лобовой части показана на рис. 2-6.

Изоляция стержней состоит из многих слоев стеклослюди-

нитовой ленты, пропитываемой эпоксидным термореактивным

компаундом (термореактивная изоляция). Число слоев изоли-

рующей ленты, т. е. толщина изоляции, определяется номиналь-

ным напряжением турбогенератора. После наложения изоляции

стержень прессуется и выпекается; при этом изоляция приобре-

тает монолитную структуру с высокими электрическими и ме-

ханическими свойствами. Поверх слюдяной изоляции наклады-

вается слой полупроводящей асболавсановой ленты, промазы-

ваемой специальным полупроводящим лаком. Назначение этого

полупроводящего покрытия состоит в том, чтобы сообщить по-

верхности стержня потенциал сердечника (т. е. нулевой) и