Хуторецкий Г.М. Проектирование турбогенераторов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.

2-6. Головка лобовой части обмотки статора с водяным охлаждением

; — сплошной проводник; 2 — полый проводник; 3 — наконечник; 4 — штуцер; 5 —

электрическое соединение; 6 — изоляционная коробка; 7 — шланги

этим предотвратить разряды в газе между поверхностью

стержня и стенкой паза: эти разряды, ионизирующие газ, по-

вышают его химическую агрессивность и поэтому при дли-

тельном воздействии могут способствовать нарушению изоля-

ции. Полупроводящее покрытие на лобовой части выравнивает

распределение потенциала вдоль нее, чем уменьшается веро-

ятность скользящих разрядов по поверхности лобовой части.

Следует отметить, что образование короны и скользящих раз-

рядов особенно интенсивно при высоковольтных испытаниях

обмотки, когда на статор подается напряжение, превосходя-

щее номинальное более чем в два раза. В этом случае без

правильного распределения поверхностных потенциалов с по-

мощью полупроводящих покрытий высоковольтные испытания

проводить практически невозможно.

Крепление обмотки в пазах осуществляется клиньями из

прессованных пластиков на основе стеклянной пряжи и эпо-

ксидных смол. При очень больших токах в пазу клинья выпол-

няются составными по высоте со встречными скосами, что

дает возможность регулировать натяг, создаваемый заклини-

ванием. Обмотка в пазу уплотняется также и в поперечном

направлении путем введения между стержнем и стенкой паза

гофрированных полупроводящих прокладок из волокнистого

стеклотекстолита. Во время эксплуатации стержни подверга-

ются длительным воздействиям больших электродинамических

сил, изменяющихся с двойной частотой сети, в результате чего

может происходить ослабление закрепления стержней в пазу.

Поэтому при капитальных ремонтах рекомендуется проверять

состояние заклинивания и при необходимости производить до-

полнительную подклиновку.

Надежное закрепление лобовых частей обмотки исключи-

тельно важно, так как является одним из основных факторов

обеспечения высокой надежности работы машины в целом, по-

скольку даже в нормальных режимах лобовые части подвер-

гаются действию чрезвычайно больших сил. Эти силы вызы-

вают вибрацию лобовых частей в целом, а также отдельных

стержней относительно друг друга. При неблагоприятных об-

стоятельствах может происходить истирание изоляции и уста-

лостная поломка элементарных проводников. Последнее об-

стоятельство особенно опасно для машин с непосредственным

водяным охлаждением стержней, при котором образование не-

плотностей в полых проводниках приводит к течи воды из об-

мотки. Поэтому лобовые части обмотки крепятся к нажимным

кольцам сердечника с помощью системы стеклопластиковых

бандажных колец, кронштейнов и распорных колец, как это

показано на рис. 2-4. В конструкции применяются формую-

щиеся материалы и эпоксидные клеи, подвергающиеся запечке

и полимеризации и образующие вместе с обмоткой и элемен-

тами крепления жесткую монолитную конструкцию, способную

противостоять электродинамическим силам как в нормальных

режимах, так и при коротких замыканиях в системе.

Фазные зоны каждой фазы обмотки соединяются между со-

бой и с концевыми выводами с помощью медных соединитель-

ных шин. Как правило, все соединения, а также выводы об-

мотки располагаются со стороны возбудителя. Только для са-

мых крупных турбогенераторов, когда применяются двойные

обмотки, шины и выводы для одной обмотки располагаются

со стороны возбудителя, а для другой — со стороны турбины.

Шины крепят к нажимному кольцу сердечника статора с по-

мощью шпилек и изоляционных распорок. Если обмотка ста-

тора имеет непосредственное водяное охлаждение, соедини-

тельные шины и концевые выводы также охлаждаются водой.

В этом случае для получения внутреннего канала каждая

шина выполняется в виде прямоугольной или круглой медной

трубы.

Концевые линейные выводы служат для соединения об-

мотки статора с внешними силовыми цепями и размещаются

со стороны возбудителя в нижней части корпуса. Нулевые вы-

воды позволяют осуществить соединение фаз обмотки (обычно

в звезду) вне машины и установить там же трансформаторы

тока для измерения и защиты генератора. В турбогенераторах

мощностью 500 МВт и выше, имеющих составной корпус

с концевыми частями, выводы размещаются в концевой ча-

сти со стороны возбудителя, причем линейные концевые вы-

воды расположены в ее нижней части, а нулевые

—

в верхней;

с этими выводами на концевой части корпуса совмещаются

трансформаторы тока для измерения и защиты. Вывод состоит

из медного стержня с контактными пластинами на концах для

соединения с шинами и проходного изолятора из высокопроч-

ного фарфора. Для предотвращения утечки водорода зазор

между стержнем и изолятором уплотняется резиновыми про-

кладками. При непосредственном водяном охлаждении

(рис.

2-7) стержень вывода выполняется из двух концентриче-

ских медных труб, по которым циркулирует вода, подаваемая

в полости выводов из обмотки статора через соединительную

шину с помощью медных трубок со штуцерами.

Если в турбогенераторе предусмотрено непосредственное

водяное охлаждение обмотки статора, то к нажимному кольцу

сердечника крепятся напорный и сливной водяные коллекторы,

каждый из которых представляет собой медную или стальную

кольцевую трубу достаточно большого диаметра, расположен-

ную по окружности нажимного кольца. Коллекторы соединены

трубопроводами с внешними водяными цепями генератора.

Обычно у турбогенераторов средней мощности соединяют по-

следовательно по воде два стержня обмотки; поэтому подача

и слив воды производится в каждой головке лобовых частей

обмотки со стороны турбины. Это гидравлическое соединение

осуществляется с помощью изоляционных фторопластовых

шлангов, подсоединяемых с помощью штуцеров с одной сто-

роны к наконечникам стержней, а с другой — к напорному или

сливному коллектору. Благодаря достаточной собственной

жесткости фторопластовых шлангов дополнительное их крепле-

Рис.

2-7. Концевой вывод обмотки статора с водяным охлаждением

—

труба внутренняя; 2

—

труба наружная; 3

—

фарфоровый изолятор

ние пе предусматривается. Ввиду того что все фазы обмотки

статора, имеющие высокое напряжение, обслуживаются об-

щими водяными коллекторами, к изолирующим свойствам как

материала шлангов, так и охлаждающей воды предъявляют

весьма жесткие требования. Фторопласт шлангов таким требо-

ваниям удовлетворяет. Изоляционный промежуток—длина фто-

ропластовых шлангов принимается равной 400—500 мм. В ка-

честве охлаждающей воды используется дистиллированная —

дистиллят паровой турбины. Удельное электрическое со-

противление дистиллята в эксплуатации должно быть 100—

400 кОм-см.

Корпус статора представляет собой стальной сварной ци-

линдр, внутри которого имеется ряд поперечных кольцевых по-

лок с окнами для прохода охлаждающего газа; к ним с по-

мощью косынок приварены ребра-клинья для крепления сердеч-

ника. К торцевым днищам корпуса крепятся щиты. Наружный

диаметр корпуса определяется условиями транспортировки его

по железной дороге и обычно не дслжен превышать 3960—

4200 мм.

У машин мощностью до 220—320 МВт включительно прост-

ранство между сердечником и наружной обшивкой корпуса до-

статочно велико и используется для размещения горизонталь-

ных газоохладителей. Корпус статора не только служит для

механического крепления сердечника с обмоткой, но и является

важнейшей частью системы вентиляции, так как должен обес-

печивать правильное распределение потока охлаждающего газа

по сердечнику и отвод нагретого газа.

Простейшей является конструкция с одноструйной вентиля-

цией (рис. 2-8, а). Особую важность распределение потока при-

обретает при многоструйных схемах вентиляции, когда прост-

ранство между сердечником н обшивкой корпуса сплошными

поперечными перегородками разделяется на несколько камер

холодного и горячего газа; однако соответствующие камеры

должны сообщаться между собой и иметь выход к вентилято-

рам и газоохладителям. Введение перепускных труб между ка-

мерами значительно усложняет конструкцию корпуса (рис. 2-8,

бив).

По этим причинам одноструйные системы охлаждения

предпочтительнее многоструйных. Такие системы реализуются

проще при непосредственном водяном охлаждении обмотки ста-

тора, потому что здесь значительная часть потерь отводится во-

дой и расход газа существенно меньше, чем при косвенном га-

зовом охлаждении обмотки статора.

Для наиболее крупных турбогенераторов применяется ради-

ально-тгнгенциальная схема вентиляции, показанная на

рис.

2-9. В этом случае между корпусом и сердечником статора

привариваются четыре радиальные перегородки, которые раз-

деляют пространство на четыре продольных отсека: два холод-

ного и два горячего газа, которые чередуются между собой. Газ

из холодного отсека по радиальным вентиляционным каналам

2 Заказ .\« 2005

О)

в)

(Хал)

<Ш>

S^T^r

(Ж)

i* v,

^ Ь

(Ж)

Рис.

2-8. Схемы вентиляции: а

—

однострунной; б

—

двухструнной; в-

четырехструйной

Хол.

— зона холодного газа; Гор. — зона горячего газа

сердечника поступает в зазор между ротором и статором, дви-

жется по зазору (в тангенциальном направлении) и далее через

радиальные вентиляционные каналы статора поступает в горя-

чий отсек. Такая система охлаждения особенно эффективна для

роторов с самовентиляцией, причем для большей эффективно-

сти в зазоре на клиньях статора устанавливаются два продоль-

ных, резиновых барьера, которые обычно по высоте составляют

30—35 % ширины зазора. Барьеры устанавливаются против

продольных перегородок корпуса статора на стыке холодного и

горячего отсека. Барьеры создают дополнительный напор в за-

зоре и повышают скорость газа в каналах самовентилирующе-

гося ротора на 30—50 %.•

Газоохладители представляют собой систему биметалличе-

ских латунных или мельхиоровых трубок, снабженных снаружи

дюралюминиевым оребрением и завальцованных концами

в трубные доски. К трубным доскам крепятся водяные камеры,

организующие требуемое течение воды по трубкам, и несущие

рамы. При горизонтальном расположении такой охладитель

имеет длину, равную длине корпуса, и размещается между сер-

дечником и обшивкой корпуса параллельно оси вращения

в верхней части корпуса (выше уровня пола машинного зала).

Обычно турбогенератор комплектуется несколькими газоохла-

дителями.

При мощности свыше 220—320 МВт пространства между

сердечником и наружной обшивкой корпуса для размещения

охладителей недостаточно. В этом случае корпус выполняют

составным из трех частей (транспортируемых раздельно): сред-

няя часть содержит сердечник с обмоткой, а две концевые ча-

сти прямоугольной формы пристыковываются к торцам средней

части и имеют по два газоохладителя, размещаемых верти-

кально с боков. Для удобства транспортировки концевые части

могут иметь разъем в горизонтальной плоскости. Концевые ча-

сти имеют газонаправляющие выгородки, особенно при вытяж-

ной системе вентиляции, когда камера лобовых частей обмотки

статора заполнена горячим газом, но в подбандажное прост-

ранство лобовых частей обмотки ротора должен подаваться хо-

лодный газ; поэтому в концевых частях и щитах предусматри-

вают специальные тоннели. Концевая часть со стороны возбу-

дителя, кроме того, имеет выводы обмотки статора (линейные

снизу, нулевые сверху, см. рис. 2-1, а).

С торцов корпус закрыт стальными наружными щитами,

представляющими собой сварную конструкцию из двух дисков,

разделенных ребрами. Внешний несущий диск выполняет функ-

цию герметизации корпуса; к нему крепится уплотнение вала.

Внутренний диск обеспечивает правильное течение охлаждаю-

щего газа к вентилятору при нагнетательной системе вентиля-

ции или от него при вытяжной; к этому диску крепят щит вен-

тилятора, выполняющий функцию направляющего аппарата.

Щит вентилятора отливают из алюминиевого сплава. Как на-

ружный щит, так и щит вентилятора имеют разъем в горизон-

тальной плоскости для монтажа.

Уплотнение вала служит для предотвращения утечки водо-

рода в месте выхода вала из корпуса. Применяются две моди-

фикации уплотнения: кольцевое и торцевое. В обоих случаях

между поверхностями вращающегося вала и неподвижного

вкладыша предусматривают малый зазор, в который нагнетают

масло под давлением, превышающим давление водорода внутри

корпуса. Это масло, растекаясь в зазоре как в воздушную, так

и в водордную сторону, образует сплошную пленку, которая и

преграждает путь уте-ц^е водорода. Отработанное масло с воз-

душной стороны сливается в масляную ванну подшипника, а на

водородной стороне попадает в специальную дренажную ка-

меру, из которй возвращается в масляную систему генератора.

Отличие кольцевого уплотнения от торцевого заключается в том,

Рис.

2-10. Уплотнение вала: а — торцевого типа; б

—

кольцевого типа

/ — ножевые отражатели; 2 — щит; 3 — корпус уплотнения; 4 — вкладыш; 5 — вал

что в первом радиальный рабочий зазор образован наружной

цилиндрической поверхностью вала и внутренней цилиндриче-

ской поверхностью вкладыша уплотнения; в торцевом уплотне-

нии аксиальный зазор образован между торцом буртика вала

и торцевой поверхностью вкладыша. В обоих случаях вкладыш

свободно располагается в корпусе уплотнения и поэтому может

самоустанавливаться относительно вала. Устройство уплотне-

ния показано на рис. 2-10.

;

2-3.

Конструкция ротора

Вал ротора турбогенератора состоит из средней активной

части (бочки) и двух хвостовиков; он выполняется из единой

поковки высокой категории прочности. Материалом вала явля-

ется высоколегированная сталь, обладающая высокими механи-

ческими и магнитными свойствами. Масса ротора крупных двух-

полюсных турбогенераторов составляет 60—100 т, четырехпо-

люсных 160—200 т, а масса слитка для изготовления вала

примерно вдвое больше, что является предельным для совре-

менной мировой металлургии.

Высокие механические нагрузки определяют неявнополюс-

ное исполнение ротора, обмотка возбуждения размещается

в радиальных пазах прямоугольного, ступенчатого или трапе-

цеидального профиля. Типичные разрезы пазов с обмоткой по-

ст)

б) в) з)

Рис.

2-11. Формы пазов ротора с обмоткой: а — при косвенном охлажде-

нии обмотки; б и в — прямоугольный и трапецеидальный при непосредст-

венном газовом охлаждении; г — ступенчатый при непосредственном водя-

ном охлаждении

Рис.

2-12. Ротор двухполюсного турбогенератора в процессе

укладки обмотки

казаны на рис. 2-11. Бочка ротора имеет два или четыре боль-

ших зубца (соответственно числу полюсов) и большое число

малых зубцов, разделяющих обмоточные пазы. Для выравни-

вания изгибной жесткости бочки ротора по продольной и по-

перечной осям в больших зубцах двухполюсных машин

фрезеруют поперечные сегментные прорези (выравнивающие

канавки) шириной

8—20

мм, глубиной на оси 100—150 мм

с шагом 250—350 мм.

Обмотка ротора, как правило, имеет концентрическое испол-

нение: отдельные катушки обмотки (с расположением витков

друг над другом по высоте паза) на каждом полюсе охваты-

вают одна другую. Вид ротора двухполюсного турбогенератора

в процессе укладки его обмотки приведен на рис. 2-12. Для

предотвращения ползучести меди при длительной эксплуатации

обмотка ротора выполняется из холоднотянутой меди, легиро-

ванной серебром, несмотря на то, что это несколько повышает

ее удельное электрическое сопротивление.

Крепление пазовых частей обмотки ротора осуществляется

клиньями из высокопрочного дюралюминия или титанового

сплава; для обеспечения прочности высота клина принимается

приблизительно равной ширине паза. Если предусмотрено непо-

средственное газовое охлаждение обмотки, то клин выполня-

ется несколько выступающим из паза в зазор (а зубец перед

ним, наоборот, несколько скашивается коси вращения). В клине

предусматривается ряд каналов, выходящих на выступающий

над поверхностью ротора набегающий край клина: при враще-

нии перед такими «заборниками» создается некоторое избыточ-

ное давление, под действием которого газ входит в каналы