Хуторецкий Г.М. Проектирование турбогенераторов

Подождите немного. Документ загружается.

клина и движется далее по каналам обмотки. В месте выхода

клинья имеют аналогичную форму, но канал клина выходит на

сбегающий край клина («дефлектор»), где за счет вращения

эжекцией создается некоторое разрежение, способствующее

циркуляции газа.

Непосредственный контакт охлаждающего газа с медью об-

мотки осуществляется в каналах обмотки. Их конструктивное

исполнение имеет ряд вариантов, применяемых различными

фирмами. В СССР хорошо зарекомендовала себя в эксплуата-

ции система с боковыми наклонными каналами и с внутрен-

ними каналами. В первом случае на боковых сторонах каждой

полукатушки фрезеруют большое число каналов прямоуголь-

ного профиля под углом к катушечной стороне. Выход каждого

такого канала у верхнего витка катушки совмещается с выхо-

дом канала на нижней поверхности пазового клина. Для обес-

печения электрической прочности (предотвращения перекрытия

обмотки на клин по поверхности канала) между верхним вит-

ком катушки и клином предусматривают достаточно толстую

(10—12 мм) прокладку из изоляционного материала, например

стеклотекстолита, в которой также предусматривают вырезы

для прохода газа (см. рис. 2-11).

Охлаждающий газ, пройдя через заборник клина и сам

клин, попадает в наклонный канал катушки и движется по

нему, отбирая тепло от обмотки. Дно паза может иметь форму

полуцилиндра, и на него укладывают прокладку из изоляцион-

ного материала, также имеющую форму полуцилиндра; на ци-

линдрической части прокладки предусмотрены полукольцевые

канавки, по которым газ протекает от одной стороны полука-

тушки к другой. На той стороне также,имеются каналы, но на-

клоненные в противоположную сторону, так что, двигаясь по

ним, газ еще более удаляется в осевом направлении от места

входа, продолжая охлаждать обмотку, и выходит в зазор через

дефлектор (рис. 2-13).

Другой, более эффективный, но и несколько более трудоем-

кий вариант с внутренними каналами отличается от вышеопи-

санного тем, что наклонные охлаждающие каналы выполня-

ются не на боковых поверхностях полукатушек, а в теле их,

чем примерно на 60 % увеличивается площадь охлаждаемой по-

верхности меди.

Интенсивность охлаждения обмотки ротора зависит также

от скорости течения газа в каналах, т. е. от расхода газа через

эти каналы, который, в свою очередь, определяется скоростью

движения поверхности ротора относительно газа в зазоре. Од-

нако вращением ротора газ в зазоре также увлекается в дви-

жение за счет вязкости, что уменьшает относительную скорость.

Поэтому, как уже отмечалось, для повышения интенсивности

охлаждения в зазоре могут предусматриваться газотормозяшие

продольные барьеры, прикрепляемые к пазовым клиньям ста-

тора. Опыт показывает, что такие барьеры позволяют увели-

Рис.

2-13.

Схема вентиляции обмотки ротора

наклонными, каналами

чить расход газа через каналы не только при радиально-танген-

циальной, но и при других системах охлаждения.

Лобовые части обмотки ротора удерживаются массивными

бандажными кольцами из высокопрочной легированной стали;

эта сталь должна быть немагнитной для уменьшения полей рас-

сеяния, дополнительных потерь и местных нагревов в торцевой

зоне статора. Бандажные кольца насаживают с натягом на то-

рец бочки ротора; они удерживаются от осевых смещений, на-

пример, с помощью кольцевой гайки, навинчиваемой на бан-

дажное кольцо и удерживаемой на бочке посредством коль-

цевой шпонки. Противоположный край бандажного кольца

опирается на центрирующее кольцо, функцией которого является

создание осевого упора для лобовых частей обмотки возбужде-

ния и организация правильного охлаждения лобовых частей.

Центрирующее кольцо крупных туробгенераторов не опирается

на хвостовик вала (рис. 2-14, а), что освобождает бандажное

кольцо от перемещений и напряжений, которые могут появиться

из-за изгиба хвостовика вала при его вращении. В машинах от-

носительно малой мощности применяется так называемое от-

ставленное исполнение бандажного узла, при котором центри-

рующее кольцо опирается на вал, бандажное кольцо опирается

на центрирующее, а носик бандажного кольца не имеет опоры

на торец бочки ротора (рис. 2-14, б). Иногда бандажный узел

может иметь опору на бочку роторауа центрирующее кольцо—-

на хвостовик вала. В этом случае для повышения упругости

центрирующее кольцо снабжается концентрическими кольце-

выми проточками разного диаметра с противоположных торцов

(см.

рис. 2-14, в).

Организация непосредственного охлаждения обмотки воз-

буждения в ее лобовых частях отличается от таковой в пазовых

частях. Здесь канал, по которому течет охлаждающий газ, про-

ходит вдоль витков обмотки. Для этого каждый полувиток вы-

полняется из двух медных шин, сложенных широкими сторо-

нами, вдоль которых фрезеруют канавки, придающие шинам ко-

рытообразный профиль (см. рис. 2-14, а, в). Для входа газа

в канал из подбандажного пространства дополнительно фрезе-

руют канавки, выводящие канал на узкую сторону шины. Такие

В) 2 3

Рис.

2-14. Бандажный узел: а — однопосадочный или консольный (посадка

на бочку ротора); б — однопосадочный «отставленный» (посадка на вал);

в — двухпосадочный

—

центрирующее кольцо; 2

—

бандажное кольцо; 3

—

лобовые части обмотки; 4 —

бочка ротора; 5

—

вал

же канавки предусмотрены для выхода газа в наклонный ка-

нал пазовой части обмотки.

Обмотка возбуждения соединяется с контактными кольцами

с помощью системы токоподвода. Стержни токоподвода в виде

двух медных изолированных полуцилиндров размещаются в цен-

тральном отверстии вала со стороны возбудителя. Для соеди-

нения выводов обмотки ротора со стержнями

;

токоподвода в них

в радиальном направлении ввинчивают болты токоподвода

(с ионической резьбой для повышения надежности электриче-

ского соединения). Болты токоподвода уплотняются, чтобы

предотвратить утечку водорода через 'центральное отверстие

вала. Обмотку возбуждения соединяют с болтами токоподвода

медными шинами, укладываемыми в специальные пазы хвосто-

вика ротора и закрепляемыми в них стальными клиньями. По

таким'же незаполненным пазам в подбандажное пространство

подается охлаждающий газ. Соединение стержней токоподвода

с контактными кольцами выполняется аналогичным способом.

Устройство системы токоподвода показано на рис. 2-15.

Контактные кольца изготовляют из специальной твердой из-

носоустойчивой стали и насаживают горячей посадкой на сталь-

ную втулку, изолированную миканитом или стеклополотном, ко-

торую в свою очередь насаживают на вал. В некоторых кон-

струкциях контактные кольца насаживаются на изолированный

конец вала без промежуточной стальной втулки. Тепловой ре-

жим контактных колец весьма напряжен, главным образом

из-за высоких потерь на трение щеток о контактные кольца.

s 2

О,

О.

Поэтому контактные кольца снабжают специальными каналами,

а при необходимости — индивидуальными вентиляторами. На

наружной поверхности контактных колец делают винтовую на-

резку прямоугольного профиля для улучшения условий работы

щеток: без нее ввиду высокой частоты вращения воздух засасы-

вался бы под щетки за счет вязкости и отрывал бы щетки от

контактного кольца. Кроме этого нарезка несколько увеличи-

вает охлаждаемую поверхность кольца.

Со стороны турбины на вал за подшипником насаживают

нолумуфту для соединения с полумуфтой вала турбины. Она

крепится на валу посредством посадки с гарантированным на-

тягом и призматических шпонок. Со стороны возбудителя уста-

навливают полумуфту для соединения с ротором возбудителя.

В турбогенераторах большой мощности применяются бесще-

точные системы возбуждения. В этом случае на конце вала ро-

тора со стороны возбудителя контактные кольца не устанавли-

ваются. Токоподвод, расположенный в центральном отверстии

вала ротора, заканчивается специальным наклонным наконеч-

ником, который совместно с таким же наконечником токопод-

вода в центральном отверстии вала возбудителя образует кли-

новидное гнездо. В этом гнезде располагают подвижное клино-

видное медное тело, которое под действием центробежной силы

при вращении ротора обеспечивает хороший электрический кон-

такт между токоподводами ротора генератора и возбудителя.

Ротор опирается на два подшипника скольжения с принуди-

тельной смазкой и самоустанавливающимися вкладышами.

Обычно применяют стояковые подшипники, потому что они в от-

личие от щитовых не связаны с корпусом статора и не пере-

дают вибрации ротора на статор, а также не воспринимают

вибраций, возникающих на статоре. Конструкция торцевых щи-

тов статора и самих подшипников при этом наиболее проста и,

следовательно, наименее трудоемка в изготовлении. Кроме того,

при монтаже и демонтаже машины, при профилактических ос-

мотрах и ремонтах вскрытие подшипников, масляных уплотне-

ний вала, торцевых щитов, подбалансировка ротора и другие

работы выполняются значительно проще и быстрее при стояко-

вых подшипниках, чем при щитовых. Особые преимущества

стояковые подшипники имеют для самых мощных турбогенера-

торов, когда масса ротора очень велика и установка подшипни-

ков непосредственно на фундамент обеспечивает бесспорную

устойчивость подшипника.

Обычно подшипник со стороны турбины размещается непо-

средственно в цилиндре низкого давления турбины (и поставля-

ется заводом-изготовителем турбины); подшипник со стороны

возбудителя является отдельным узлом. Его корпус может ис-

пользоваться как опора узла траверсы со щеточным аппаратом.

Для смазки применяются легкие масла типа турбинных, чтобы

можно было объединять масляные системы турбогенератора и

турбины. На крышках подшипников турбогенераторов устанав-

ливаются баки аварийной смазки, предназначенные для снаб-

жения маслом при аварийном отключении принудительного

маслоснабжения с целью предохранения шеек вала в этих ава-

рийных обстоятельствах от повреждений.

2-4.

Системы обеспечения

Система возбуждения служит для питания обмотки

возбуждения (ротора) постоянным током и управления этим

током по требуемому закону в зависимости от режима работы

турбогенератора. Источником энергии для питания обмотки воз-

буждения служит возбудитель — индивидуальный генератор,

вал которого непосредственно соединен с валом турбогенера-

тора, что обеспечивает независимость возбуждения от генера-

торного напряжения. Обычно это трехфазный синхронный гене-

ратор индукторного типа повышенной частоты или синхронный

трехфазный генератор с частотой 50 Гц с мостовым выпрями-

телем из полупроводниковых вентилей, в первом случае неуп-

равляемых, во втором

—

управляемых. Наиболее современными

считаются системы возбуждения с управляемыми (тиристор-

ными) вентилями, так как они обеспечивают наибольшую быст-

роту регулирования напряжения. В настоящее время большин-

ство турбогенераторов снабжается такими системами.

Для турбогенераторов особо большой мощности и высокой

надежности находят применение бесщеточные системы возбуж-

дения. В этом случае отсутствует щеточный аппарат, который

требует тщательного обслуживания в эксплуатации, особенно

при больших токах возбуждения (4000—8000 А). При бесще-

точной системе возбуждения возбудитель выполняется в виде

обращенного синхронного генератора (с якорной обмоткой на

роторе). На валу ротора также располагаются вентили, с по-

мощью которых переменный ток преобразуется в постоянный

для возбуждения генератора. Передача постоянного тока от ро-

тора возбудителя к ротору генератора производится непосред-

ственно через токоподводы генератора и возбудителя в районе

соединения валов полумуфтами. Ранее для турбогенераторов

малой мощности в качестве возбудителей применяли генера-

торы постоянного тока. Однако ввиду сложности и ограничен-

ной мощности коллекторных машин при частоте вращения

3000 об/мин применение их как основных возбудителей практи-

чески прекратилось. Для питания цепей возбуждения возбуди-

теля может использоваться подвозбудитель — генератор посто-

янного или переменного тока с выпрямителем, также непо-

средственно соединяемый с валом генератора или отдельно

стоящий. В ряде случаев применяются системы самовозбужде-

ния генераторов, при которых возбудитель не располагается на

валу, а выполняется отдельно стоящим, питающимся от системы

шин собственных нужд основного генератора. В этом случае

возбудитель, как правило, является статическим устройством.

состоящим из системы питающих трансформаторов и управляе-

мых вентилей.

Ток возбуждения турбогенератора автоматически регулиру-

ется при изменении нагрузки (как активной, так и реактивной)

в соответствии с семейством регулировочных характеристик.

Это выполняет автоматический регулятор возбуждения, реаги-

рующий на изменения напряжения на зажимах турбогенера-

тора, его тока, фазового сдвига между ними, их производных

и т. п. Его выявительными элементами служат измерительные

трансформаторы тока и напряжения, а также другие устрой-

ства.

При резком снижении генераторного напряжения или кача-

нии генераторов, которые обычно имеют место при аварийных

ситуациях в электрической сети, требуется быстрое увеличение

тока возбуждения по сравнению с номинальным для удер-

жания генератора в параллельной работе с остальной си-

стемой. Режим форсировки возбуждения является тяжелым

режимом для генератора, поскольку ток возбуждения при фор-

сировке может превосходить номинальные значения в два

раза. Длительность форсировки обычно должна ограничиваться

10—30 с.

В аварийных ситуациях в самом генераторе или блоке (ге-

нератор— трансформатор) требуется быстрое выключение воз-

буждения для уменьшения объема повреждения оборудования;

но в магнитном поле возбуждения запасена достаточно боль-

шая энергия, и при быстром уменьшении тока возбуждения она

может вызвать недопустимые перенапряжения на обмотке воз-

буждения, опасные для ее изоляции. Поэтому в системе воз-

буждения предусматривают автомат гашения поля (АГП),

обеспечивающий достаточно быстрое уменьшение тока возбуж-

дения, и устройство защиты, снижающее перенапряжения на об-

мотке до безопасного уровня.

Масляная система подает масло в подшипники турбо-

генератора и турбины для принудительной смазки и отвода

тепла из них, а также в масляные уплотнения вала турбогене-

ратора с водородным охлаждением. Давление масла в этой си-

стеме составляет примерно 0,1 МПа.

Система уплотнения вала должна работать при давлении,

несколько большем, чем давление водорода в корпусе генера-

тора; она снабжается отдельными насосами, обеспечивающими

давление 0,4—1,0 МПа, и регуляторами давления, автомати-

чески обеспечивающими заданный перепад давлений водорода

и масла. Масляные системы состоят из насосов (основных и ре-

зервных), фильтров, очищающих масло от механических приме-

сей (продуктов износа подшипников и уплотнений и других ча-

стиц),

масло-водяных теплообменников для охлаждения масла

и резервных емкостей масла. При водородном охлаждении тур-

богенератора в масляную систему входит узел очистки масла от

растворенного в нем водорода, а иногда и воздуха.

Система термоконтроля служит для эксплуатацион-

ного контроля температур турбогенератора во время его ра-

боты. Датчиками температуры в активной зоне и конструктив-

ных элементах служат термометры сопротивления, представ-

ляющие собой малогабаритные вставки калиброванных медных,

а иногда платиновых сопротивлений; по изменению сопротив-

ления такого датчика судят о его температуре, измерительный

прибор градуируется непосредственно в единицах температуры.

Показания передаются на регистрирующие и контролирующие

органы ЭВМ генератора или блока. Предусматривают измере-

ние температуры обмотки статора с косвенным охлаждением

в 6—12 точках, закладывая датчики между стержнями в пазу;

температура сердечника измеряется датчиками, уложенными на

дно паза; также контролируют температуру вкладышей под-

шипников и масляных уплотнений, охлаждающего газа, масла

и воды, подаваемой для охлаждения газа и обмоток (при непо-

средственном водяном охлаждении их), а также воды на сливе.

При непосредственном водяном охлаждении обмотки ста-

тора производится тепловой контроль каждой параллельной во-

дяной цепи. Для этого температурные датчики устанавлива-

ются под клин каждого паза статора, если последовательно по

воде охлаждаются два стержня, а также и на широких гранях

нижних стержней по выходе их из паза, если все стержни ох-

лаждаются параллельно.

Водородная система обеспечивает наполнение турбо-

генератора водородом и поддержание заданными параметров

водорода. Давление водорода в корпусе генератора обычно по-

вышено до 0,2—0,5 МПа для наилучшего отвода потерь из ак-

тивной зоны; поэтому в водородной системе предусмотрены эле-

менты, измеряющие и автоматически поддерживающие задан-

ное давление. Во избежание загрязнения газа в водородной

системе имеются автоматические газоанализаторы, контроли-

рующие чистоту водорода; при необходимости в систему пода-

ется чистый водород. Также контролируется влажность водо-

рода; для его осушения в системе предусмотрены осушители

влаги.

Заполнение системы водородом в пусконаладочный период

имеет особенности. Первоначально после герметизации корпуса

последний заполняется углекислым газом из батареи баллонов,

который вытесняет воздух; предусмотрен контроль чистоты вы-

ходящего углекислого газа. После того как воздух из корпуса

практически вытеснен углекислым газом, в верхнюю часть кор-

пуса подают водород (из электролизной установки или батареи

баллонов) и выпускают углекислый газ, контролируя его

состав: для этого в корпусе генератора имеются специальные

трубопроводы и фланцы, соединяющие их с внешними коммуни-

кациями. Подачу водорода прекращают, как только степень чи-

стоты выходящего водорода и давление достигают необходи-

мого уровня. , . .

К водородной же системе относят указатель жидкости (воды,

масла), которая может скапливаться в нижней части корпуса.

Водородная система практически объединяется и функциони-

рует совместно с масляной системой уплотнений вала.

Водяная система обеспечивает водой все газоохлади-

тели, маслоохладители и водоохладители. Все охладители пи-

таются технической водой станции с контролем ее температуры

на входе и выходе, а в необходимых случаях — и расхода.

Температура технической охлаждающей воды определяет

условия охлаждения всех элементов генератора и вспомогатель-

ных устройств, и поэтому она не должна быть выше 33

С для

гарантированной работы оборудования.

Система водяного охлаждения статора обеспечивает цирку-

ляцию дистиллята в обмотке статора, поддержание заданными

его параметров и контроль. Система дистиллята имеет замкну-

тый контур с небольшой подпиткой во время работы для попол-

нения естественной убыли дистиллята или восстановления его

параметров. Система снабжается основными и резервными на-

сосами, механическими и магнитными фильтрами, теплообмен-

никами, системой контроля расхода, давления и температуры.

Контролируются также физико-химические параметры самого

дистиллята: удельное электрическое сопротивление, содержание

растворенного кислорода, углекислого газа и др. Для поддержа-

ния этих параметров иногда устанавливаются ионообменные

фильтры.

Если турбогенератор имеет другие системы охлаждения, на-

пример непосредственное водяное охлаждение обмотки ротора

или масляное охлаждение статора, то должны предусматри-

ваться соответствующие системы обеспечения.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТУРБОГЕНЕРАТОРА

3-1.

Машинная постоянная

При выборе размеров машины основное внимание уделяют

использованию материалов, уровню нагрева обмоток, а также

соотношениям между потерями и параметрами турбогенера-

тора. Размеры машины определяются допустимым и желатель-

ным уровнем электромагнитных нагрузок (система охлаждения

машины предполагается заданной); в силу этого проектирова-

ние рекомендуется начать с выбора основных размеров и затем

уже переходить к обмоточным данным.

Основными размерами турбогенератора принято обычно счи-

тать диаметр расточки статора D\, активную длину стали ста-