Хуторецкий Г.М. Проектирование турбогенераторов

Подождите немного. Документ загружается.

в сети, важнейшим показателем поведения турбогенератора

является его механическая постоянная времени, характеризую-

щая инерционность машины, пропорциональная маховому мо-

менту и квадрату частоты вращения,

/ п \2

27.4Г

* мех

— -

V 100 )

S„-10

(3-7)

Здесь S» — в киловольт-амперах.

Очевидно, что эта величина будет примерно в два раза

больше у четырехполюсного турбогенератора, чем у двухпо-

люсного.

3-8.

Общая масса турбогенератора

и удельный расход материалов

Общая масса турбогенератора зависит от конструкции, ак-

тивного объема и отношения длины к диаметру. Общая масса

так же, как критические частоты и маховой момент, может быть

определена только после создания конструкции в целом. Для

ориентировки масса машины может быть оценена по активному

объему D

il\. Эта зависимость представлена на рис. 3-8 для

турбогенераторов различных серий.

Типичное поперечное сечение двух турбогенераторов с р=1

и р

— 2

при одинаковой мощности показано на рис. 3-9. Из ри-

сунка видно, что, несмотря на значительно больший диаметр

ротора /?2, четырехполюсная машина имеет примерно одинако-

350

300

250

200

150

100

•

, л

$<f

S у

n?i,

10 м

Рис.

3-8. Зависимость общей массы двухполюсного турбогене-

ратора от Di

Рис.

3-9. Типичное поперечное сечение турбогенератора: а — р=\\ б

—

р=2

вые внешние диаметры спинки сердечника и корпуса статора, .

вследствие чего общие массы у турбогенераторов одинаковой

мощности различаются незначительно, и четырехполюсные ма-

шины бывают, как правило, несколько тяжелей двухполюсных.

Однако ротор четырехполюсного турбогенератора имеет массу

примерно в два раза больше, чем двухполюсного. Действи-

тельно, масса ротора может быть представлена в виде

GpoT

= 1,3у

Здесь коэффициент 1,3 приближенно учитывает массу хво-

стовика ротора, бандажных колец, вентиляторов и т. д.

Одним из важнейших технико-экономических показателен

является удельный расход материалов, т. е. масса материалов,

приходящаяся на единицу мощности, g. Обычно удельный рас-

ход выражается в кг/(кВ-А). По мере роста мощности для се-

рий машин с одинаковыми принципами конструирования и ох-

лаждения g имеет тенденцию к уменьшению, но особенно резко

этот параметр снижается при переходе к новым, более прогрес-

сивным принципам охлаждения. Типичные зависимости удель-

ного расхода материалов для двухполюсных турбогенераторов

различных серий представлены на рис. 3-10; там же точками

нанесены данные для четырехполюсных машин большой мощ-

ности. Указанные зависимости могут служить для оценки вновь

спроектированных турбогенераторов по сравнению с уже вы-

полненными.

3-9. Охлаждающая среда

В заключение главы следует сделать несколько замечаний

относительно охлаждающей среды. В данной книге рассматри-

ваются в качестве охлаждающей среды воздух, водород и вода.

а)

кг

кВ-А

0,14

0,12

0,10

0,08

0,06

0,04

0,02

]

\тв

vSs

ТВФ

<к

ч>

ъ&

Т8В

Т777У7-г^г7

| SH

О 200 400 600 800 1000 1200 MB-А

б)

КГ

и'В-А

0,7

*•

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

•

ТВ Ф

$К

^Я

J В В

%%?.

У//

S»

О 200 400 '600 800 1000 1200 МВ-А

Рис.

3-10. Зависимости удельного расхода актив-

ных материалов от мощности и системы охлаждения

для двухполюсных турбогенераторов: а

—

медь об-

моток; б—активная сталь статора

X — удельный расход при

р — 2

Охлаждающая способность водорода в большой степени за-

висит от давления, и поэтому как основные размеры машины,

так и электромагнитные нагрузки будут зависеть от давления

водорода внутри корпуса. В данной книге для турбогенераторов

с косвенным охлаждением обмоток водородом (серия ТВ) нор-

мальным принято избыточное давление 0,005—0,05 МПа. При

повышении избыточного давления до 0,1—0,2 МПа линейные

нагрузки и плотности тока могут быть соответственно повы-

шены на 12 и 20 % и, следовательно, уменьшены основные раз-

меры машины.

При непосредственном охлаждении обмотки ротора водоро-

дом и косвенном охлаждении обмотки статора (серия ТВФ)

предпочтительно давление водорода 0,2 МПа, так как при более

высоком давлении интенсивность охлаждения обмотки статора

практически не может быть повышена. Исходя из этого давле-

ния и приведены данные по выбору размеров и электромагнит-

ных нагрузок.

При полном непосредственном охлаждении (серия ТВВ) ре-

комендуется иметь избыточное давление водорода 0,3—0,5 МПа.

В этом случае охлаждающая способность водорода при повы-

шенном давлении может быть использована в полной мере. Нор-

мальным давлением для машин средней мощности может быть

принято 0,3 МПа.

У машин с непосредственным охлаждением проводников об-

моток статора и ротора водой сердечник статора и поверхность

ротора могут охлаждаться либо воздухом, либо водородом.

У турбогенераторов мощностью до 50 МВт включительно может

быть рекомендован для охлаждения сердечника статора воз-

дух. У машин более высокой мощности предпочтительно приме-

нять водород при избыточном давлении 0,005—0,2 МПа, так как

при этом достигается значительное снижение потерь на трение

и вентиляцию и происходит более интенсивное охлаждение

стали, а также улучшаются условия работы высоковольтной

изоляции. В машинах с косвенным охлаждением применяется

обычно одна охлаждающая среда — воздух или водород, а при

непосредственном охлаждении — две охлаждающие среды, на-

пример воздух и вода или водород и вода.

Интенсивное непосредственное охлаждение достигается тем,

что в пазу машины образуют вентиляционные каналы за счет

некоторого уменьшения сечения меди. Сами по себе вентиляци-

онные каналы оказываются относительно небольшими, что вы-

зывает необходимость применять для непосредственного охлаж-

дения наиболее эффективные среды. Поэтому, как уже отмеча-

лось,

при непосредственном охлаждении используется водород

при высоком давлении, вода или масло. Сердечник статора и

ротор имеют значительную поверхность охлаждения и обычно

достаточно интенсивно могут охлаждаться газом — воздухом

или водородом. Более удобным для этих целей у крупных ма-

шин является водород как по условиям охлаждения, так и по

условиям снижения потерь на вентиляцию и трение поверхно-

сти бочки и бандажей при вращении.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ НАГРУЗКИ

4-1.

Общие замечания

Знание основных размеров позволяет выбрать и обмоточные

данные турбогенератора. Последние связаны с основными раз-

мерами и номинальными параметрами посредством электромаг-

нитных нагрузок. Для турбогенераторов различного исполнения

всегда могут быть указаны границы этих нагрузок, приемлемые

по тем или иным условиям.

К электромагнитным нагрузкам обычно относят индукцию В,

плотность тока / и линейную токовую нагрузку А.

Помимо электромагнитных, в отдельных частях машины

происходят и другие физические процессы, интенсивность кото-

рых может характеризоваться температурой 0 и механическими

напряжениями ст.

Относительно температур и механических нагрузок следует

заметить, что при проектировании стремятся к тому, чтобы эти

величины были близки к допустимым для данного материала

и условий его работы. Если механические напряжения превы-

шают допустимые, это может привести к остаточным деформа-

циям, разрушению материала и, следовательно, к аварии ма-

шины в целом. Незначительное увеличение температуры обмо-

ток свыше температур, допустимых по нормам для ее изоляции,

как правило, не приводит к немедленному разрушению изоля-

ции, а только к сокращению срока ее жизни.

В турбогенераторах в настоящее время преимущественно

применяется изоляция класса В. Срок жизни такой изоляции

в зависимости от рабочей температуры 8 можно представить

в виде

где Л

—

срок жизни изоляции при О °С;

ДО —

температурная

постоянная, равная для изоляции класса В 10 °С.

Из представленного выражения следует, что повышение тем-

пературы обмотки сверх допустимой на 10

С приводит к умень-

шению срока ее службы в два раза. Поэтому увеличение тем-

пературы свыше нормируемой не рекомендуется.

Следует стремиться, чтобы возникающие в деталях напря-

жения и температуры были близки к допустимым. Этим обеспе-

чивается оптимальное использование конструкции по механиче-

ским и тепловым условиям. Следует, однако, отметить, что во-

прос о допустимых механических напряжениях и температуре

не всегда является простым и однозначным и может потребо-

вать соответствующих дополнительных исследований.

Электромагнитные нагрузки имеют также свои допустимые

значения, потому что они определяют тепловые нагрузки и, сле-

довательно, температуру отдельных частей машины. Однако

электромагнитные нагрузки зачастую ограничиваются не только

температурами, но и параметрами машины, насыщением магни-

топровода, коэффициентом полезного действия и т. д. Если до-

пустимые температуры зависят от класса применяемой изоля-

ции и методов ее измерения, то электромагнитные нагрузки

определяются, кроме того, параметрами и конструктивным ис-

полнением машины, и прежде всего системой охлаждения. По-

этому эти нагрузки могут выбираться в более широких пре-

делах.

Прогресс в повышении использования активного объема и

роста мощности в единице за последние десятилетия связан со

значительным увеличением линейной нагрузки и плотности тока

в турбогенераторах в связи с внедрением непосредственного

охлаждения обмоток. Линейная нагрузка изменяется в турбоге-

нераторах в зависимости от размеров и системы охлаждения от

500 до 2500 А/см. Индукция же в зазоре изменяется в зависи-

мости от размеров и исполнения относительно мало — от 0,65

до 1,0 Тл.

-. -•••• t ,• .

4-2.

Линейная нагрузка статора

(

Из факторов, характеризующих линейную нагрузку статора,

прежде всего следует остановиться на нагреве обмоток.

Перепад температуры между охлаждающим газом и охлаж-

даемой поверхностью статора составляет часть общего превы-

шения температуры обмотки статора. Он пропорционален

удельной тепловой нагрузке (т. е. потерям в обмотке, прихо-

дящимся на единицу площади расточки), которую можно пред-

ставить в виде

Yrop

где /i — плотность тока в обмотке статора; к

—коэффициент

вытеснения тока (коэффициент Фильда);

угор —

удельная про-

водимость меди при рабочей температуре.

Поэтому иногда для выбора линейной нагрузки и плотности

тока пользуются допустимым произведением A\ji, которое

в среднем составляет: для серии Т. ..1600—2000, ТВ. . .2000—

3000,

ТВФ.. .3000—3600, ТВВ и ТЗВ. ..6500—25 000.

С увеличением А\ будут возрастать потери и, следовательно,

нагрев обмоток. Линейная нагрузка определяется классом изо-

ляции и системой охлаждения, а также параметрами и эконо-

мичностью. При этом следует иметь в виду, что допустимая ли-

нейная нагрузка статора во многих конструкциях ограничива-

ется потерями и нагревом обмотки ротора.

3 Заказ № 2005

Рис.

4-1. Зависимость линей-

ной нагрузки от диаметра

расточки статора при р=

Ориентировочная за-

висимость рекомендуемых

значений линейной на-

грузки от Di представ-

лена на рис. 4-1. Сильное

возрастание А

{

при непо-

средственном охлаждении

связано с повышенной

интенсивностью охлажде-

600 800 1000 1200

1400

мм ния.

Для одной и той же

системы охлаждения линейная нагрузка, как правило, не-

сколько возрастает с диаметром. Это связано с тем, что при

сохранении плотности тока постоянной площадь пазов увеличи-

вается быстрее диаметра. Более подробно об этом будет ска-

зано при выборе обмоточных данных ротора.

Для турбогенераторов всех серий рекомендуемые значения

]

близки к предельным по нагреву или экономичности. В тех

случаях, когда по тепловым режимам возможно увеличение А\,

последнее может повлечь за собой снижение к. п. д. машины,

если при этом переменные потери окажутся больше постоянных.

4-3.

Индуктивное сопротивление рассеяния статора

Рост линейной нагрузки приводит к возрастанию рассеяния.

Как уже отмечалось, важнейшими параметрами, определяю-

щими устойчивость параллельной работы генератора с систе-

мой, а также токи и усилия при внезапных коротких замыка-

ниях, являются переходное индуктивное сопротивление х/ и

сверхпереходное индуктивное сопротивление х/'. Эти сопротив-

ления в большой мере определяются индуктивным сопротивле-

нием рассеяния обмотки статора Xt. На стадии выбора линей-

ной нагрузки можно воспользоваться приводимой далее зависи-

мостью между Xi и А\.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора

можно представить в следующем виде:

D, B

U р

Здесь В

—индукция в зазоре; hi — высота паза статора;

k\, k

— коэффициенты, определяемые системой единиц и обмо-

точными данными.

Первое слагаемое представляет собой рассеяние пазовой ча-

сти,

а второе — лобовой. Очевидно, что при примерно одинако-

Рис.

4-2. График для приближенного определения индуктивности рассеяния

обмотки статора

Пример: р-1; Л., =4,14; Л,/Д,-0,2; А, (В

-10)'=0,186;

0,883;

^ = 18,5%

вом использовании и электромагнитных нагрузках машина

с меньшим отношением к\ будет иметь большее рассеяние лобо-

вой части, а следовательно, и всей обмотки статора. Как сле-

дует из (4-1), у четырехполюсных машин возрастает пазовое и

уменьшается лобовое рассеяние обмотки статора по сравнению

с двухполюсными машинами той же мощности. Поскольку

обычно преобладает пазовое рассеяние, то четырехполюсные

машины могут иметь несколько большие значения xi. Номо-

грамма для приближенного определения сопротивления рассея-

ния обмотки статора представлена на рис. 4-2. Ею можно поль-

зоваться для нахождения xi еще до выполнения расчетов, зада-

ваясь основными размерами и электромагнитными нагрузками,

или для выбора основных электромагнитных нагрузок.

В величину, определяющую пазовое рассеяние, входит отно-

шение высоты паза к диаметру. Следовательно, для машины

с большим диаметром высота паза может быть выбрана боль-

шей. Обычно отношение h

/Di составляет 0,16—0,21 для двух-

полюсных и 0,10—0,15 для четырехполюсных машин.

3* -•, 67

4-4.

Плотность тока в обмотке статора

Выбор плотности тока в обмотке статора обычно связывают

с допустимой температурой или с потерями в обмотке. При кос-

венном охлаждении в большинстве случаев определяющим яв-

ляется допустимое превышение температуры. Плотность тока /

(

при косвенном охлаждении обмотки статора зависит от номи-

нального напряжения, ширины меди в пазу и коэффициента вы-

теснения тока.

Перепад температуры по толщине изоляции составляет еще

одну часть общего превышения температуры обмотки статора и

пропорционален удельной тепловой нагрузке на боковую по-

верхность катушки, которую можно представить в виде

Здесь Ь

№

\—ширина элементарного проводника (предполага-

ется, что стержень имеет транспозицию и выполнен из двух

вертикальных столбиков меди, ширина меди в пазу 26

i);

угор —

удельная электрическая проводимость меди при рабочей темпе-

ратуре.

При увеличении номинального напряжения возрастает тол-

щина основной электрической изоляции, которая является

также тепловой изоляцией. С ростом ширины меди повышается

удельная тепловая нагрузка на боковую поверхность паза, че-

рез которую в основном производится отвод тепла от меди об-

мотки. Для оценки допустимой плотности тока при косвенном

водородном охлаждении можно воспользоваться кривыми

рис.

4-3. Интенсивность воздушного охлаждения меньше, и

мм

8 10 12 74 16 18 мм

Рис.

4-3. Зависимость допустимой плотности

тока обмотки статора от ширины меди в пазу

при косвенном водородном охлаждении

плотность тока должна быть снижена по сравнению с водород-

ным охлаждением. Плотность тока, выбранную по рис. 4-3, при

воздушном охлаждении следует умножить на поправочный ко-

эффициент 0,825.

Непосредственное охлаждение проводников обмотки водой

позволяет значительно повысить плотность тока. Здесь темпе-

ратурные ограничения плотности тока не могут быть указаны

так же определенно, как у машин с косвенным охлаждением.

Нагрев обмотки в большей мере определяется схемой охлаж-

дения и скоростью течения воды. Здесь большую роль играют

вопросы экономики, способность машины к кратковременным

перегрузкам, ее параметры и др. В общем случае плотность

тока при такой системе охлаждения может колебаться от 4 до

12 А/мм

. Превышение плотностью тока указанных пределов

может оказаться нежелательным из-за увеличения потерь в об-

мотке, снижения к. п. д. и перемещения максимума кривой

к. п. д. в область малых нагрузок и должно быть в каждом кон-

кретном случае дополнительно исследовано.

При непосредственном охлаждении обмотки плотность тока

мало зависит от номинального напряжения. При водяном

охлаждении и достаточно высоком пазе она может быть опре-

делена по критической высоте паза. Дальнейший рост его вы-

соты не только не приводит к уменьшению потерь в меди

обмотки, но даже иногда увеличивает их. Такая критическая

высота паза соответствует коэффициенту к

при котором до-

полнительные потери в пазу равны основным. Обычно прини-

маются более низкие критические значения /г

, соответствую-

10 72 14 16 18 кА

Рис.

4-4. Зависимость допустимой плотности тока обмотки статора от ши-

рины паза 6ni при непосредственном водяном охлаждении

— объем тока в пазу