У этой паровой турбины хорошо видны лопатки рабочих колес.

Тепловая электростанция (ТЭЦ) использует энергию, высвобождающуюся при сжигании органического топлива - угля, нефти и природного газа - для превращения воды в пар высокого давления. Этот пар, имеющий давление около 240 килограммов на квадратный сантиметр и температуру 524°С (1000°F), приводит во вращение турбину. Турбина вращает гигантский магнит внутри генератора, который вырабатывает электроэнергию.

Современные тепловые электростанции превращают в электроэнергию около 40 процентов теплоты, выделившейся при сгорании топлива, остальная сбрасывается в окружающую среду. В Европе многие тепловые электростанции используют отработанную теплоту для отопления близлежащих домов и предприятий. Комбинированная выработка тепла и электроэнергии увеличивает энергетическую отдачу электростанции до 80 процентов.

Паротурбинная установка с электрогенератором

Типичная паровая турбина содержит две группы лопаток. Пар высокого давления, поступающий непосредственно из котла, входит в проточную часть турбины и вращает рабочие колеса с первой группой лопаток. Затем пар подогревается в пароперегревателе и снова поступает в проточную часть турбины, чтобы вращать рабочие колеса с второй группой лопаток, которые работают при более низком давлении пара.

Вид в разрезе

Типичный генератор тепловой электростанции (ТЭЦ) приводится во вращение непосредственно паровой турбиной, которая совершает 3000 оборотов в минуту. В генераторах такого типа магнит, который называют также ротором, вращается, а обмотки (статор) неподвижны. Система охлаждения предупреждает перегрев генератора.

Выработка энергии при помощи пара

На тепловой электростанции топливо сгорает в котле, с образованием высокотемпературного пламени. Вода проходит по трубкам через пламя, нагревается и превращается в пар высокого давления. Пар приводит во вращение турбину, вырабатывая механическую энергию, которую генератор превращает в электричество. Выйдя из турбины, пар поступает в конденсатор, где омывает трубки с холодной проточной водой, и в результате снова превращается в жидкость.

Мазутный, угольный или газовый котел

Внутри котла

Котел заполнен причудливо изогнутыми трубками, по которым проходит нагреваемая вода. Сложная конфигурация трубок позволяет существенно увеличить количество переданной воде теплоты и за счет этого вырабатывать намного больше пара.

Турбогенераторы являются основной в мире машиной, вырабатывающей электроэнергию пе­ременного тока. Впервые турбогенераторы трех­фазного тока с цилиндрическим ротором появи­лись в 1900-1901 гг. После этого шло их бы­строе развитие как по конструкции, так и по рос­ту единичных мощностей. Крупнейшие турбоге­нераторы в период 1900-1920 п. изготавлива­лись шестиполюсными из-за ограниченных воз­можностей металлургии по изготовлению поко­вок для роторов. В 1920 г. в США был изготовлен самый мощный для того времени

Рис. 6.2. Макет турбогенератора мощностью 1200 МВт с частотой вращения 3000 об/мин Костромской ГРЭС

турбогенератор мощностью 62.5 МВт, частотой вращения 1200 об/мин. Двухполюсные турбогенераторы выполнялись мощностью лишь до 5,0 МВт.

После 1920 г. основное развитие получили двух- и четырехполюсные турбогенераторы. Еди­ничные мощности этих машин быстро росли. Ве­дущими странами в области турбогенераторостроения были и остаются Англия, Германия, Россия, США, Франция, Швейцария, Япония.

Первый турбогенератор в нашей стране мощ­ностью 500 кВт был изготовлен в 1924 г. заводом «Электросила». В том же году были изготовлены еще два турбогенератора мощностью по 1500 кВт. Эти первые машины послужили основой для соз­дания в последующие годы серии турбогенерато­ров в диапазоне мощностей от 0,5 до 24 МВт при частоте вращения 3000 об/мин. За 1926 и 1927 гг. было сделано 29 таких турбогенераторов. Эти машины создавались под руководством выдаю­щегося инженера-организатора производства А.С. Шварца.

В начале 30-х годов на заводе «Электросила» была создана новая серия турбогенераторов с мощностями от 0,75 до 50 МВт. Существенное значение имело то, что при создании этой серии был широко использован опыт Западной Европы и США в турбогенераторостроении. По сравне­нию с предшествующей серией удалось снизить массу меди в обмотке статора на 30 %, а электро­технической стали на 10-15 %. При этом была уменьшена трудоемкость изготовления машин. Все электромагнитные, тепловые, вентиляцион­ные и механические расчеты были выполнены по новым расчетным методикам. Машины изго­товлялись из отечественных материалов. Уже к 1 января 1935 г. на отечественных тепловых электростанциях было смонтировано 12 таких турбогенераторов мощностью по 50 МВт.

На основе турбогенераторов последней се­рии были проведены разработки и началось изготовление быстроходных турбодвигателей мощностью от 1 до 12 МВт с частотой вращения 3000 об/мин для турбовоздуходувок и турбоком­прессоров.

Особое значение имеет цикл исследований и разработок, завершившихся изготовлением в 1937 г. самого мощного в мире турбогенерато­ра на 100 МВт с частотой вращения 3000 об/мин и косвенным воздушным охлаждением. Основ­ные трудности были связаны с ротором. Метал­лурги справились с созданием поковки больших размеров из высококачественной стали, а электромашиностроители -с ее механической обра­боткой- потребовавшей исключительно высокой точности.

Под руководством Р.А. Лютера и А.Е. Алек­сеева были выполнены расчеты и разработаны конструкции предвоенных серий турбогенераторов и отдельных машин.

В последующие годы возникла необходи­мость в освоении турбогенераторов большей мощности - 200 и 300, а в последующие годы 500, 800, 1000 и даже 1200 МВт при частоте вра­щения 3000 об/мин (рис. 6.2). Основные пробле­мы при создании турбогенераторов таких мощ­ностей создает ограничение диаметра ротора и расстояния между его опорами. В первом случае ограничение обусловлено механической проч­ностью, а во втором случае - вибрациями. В этих условиях увеличение мощностей достигает­ся за счет применения более интенсивных спо­собов охлаждения, позволяющих повысить плотность тока в обмотках. Сложность при этом состоит в необходимости не только сохранения, но и некоторого повышения КПД, а также умень­шения вибраций. Все это потребовало очень большого объема теоретических и эксперимен­тальных исследований, создания опытных ма­шин и строительства уникальных испыта­тельных стендов.

Исследования, разработки и производство мощных турбогенераторов проводились в СССР на трех заводах: «Электросила» (г. Ленинград), «Электротяжмаш» (г. Харьков) и «Сибэлектромаш» (г. Новосибирск). На каждом заводе созда­вались свои конструкции и технологические процессы.

На заводе «Электросила» впервые в мировой практике было предложено и освоено водород­ное охлаждение роторов с заборниками и де­флекторами, а также водяное охлаждение обмот­ки статора. Все работы проходили вначале под руководством главного инженера завода Д.В. Ефремова, главных конструкторов Е.Г. Ко­мара и Н.П. Иванова, а затем главного инженера Ю.В. Арошидзе, главного конструктора турбоге­нераторов Г.М. Хуторецкого и руководителя на­учно-технических и опытно-конструкторских работ завода Л.В. Куриловича. Водород является лучшим хладагентом по сравнению с воздухом. Использование водорода началось с турбогене­ратора мощностью 100 МВт и частотой враще­ния 3000 об/мин, который был изготовлен в 1946 г. Он имел косвенное водородное охлажде­ние для роторной и статорной обмоток. Вполне естественно, что система охлаждения сердечни­ка статора была в принципе такой же, как и при воздушном охлаждении. Потребовался переход от косвенного охлаждения обмоток к непосредственному. В катушках ротора выполнялись диа­гональные каналы, подача водорода в которые осуществлялась заборниками, а отвод - дефлек­торами. Заборники и дефлекторы - клинья для крепления обмотки с профильными отверстиями для прохождения газа. При увеличении мощно­стей требовалось повышение давления водоро­да. Таким образом, газ непосредственно сопри­касался с медью ротора. Стержни обмотки статора выполнялись из полых медных провод­ников, между которыми укладывались сплош­ные проводники. Вода, протекая по полым про­водникам, обеспечивала непосредственное охла­ждение статорной обмотки.

Для радикального снижения вибраций кор­пусов машин применялась эластичная связь между сердечником и корпусом. Это достига­лось с помощью продольных прорезей в ребрах прямоугольного сечения, на которых собирается сердечник.

Особые трудности возникли при создании турбогенератора мощностью 800 МВт. В связи е очень большими электродинамическими сила­ми и условиями работы, близкими к резонанс­ным, оказались неприемлемыми обычные спосо­бы крепления лобовых частей обмоток. Моно­литное крепление было достигнуто с помощью новых крепящих материалов: мягкого материа­ла, формирующегося при комнатной температу­ре, т.е. в процессе изготовления машины, и твер­деющего при повышенной температуре, а также самоусаживающихся лавсановых шнуров.

Под руководством А.Б. Шапиро и И.А. КадиОглы были разработаны оригинальные турбоге­нераторы с еще более интенсивным водяным ох­лаждением обмоток ротора и статора, сердечни­ка статора и некоторых конструктивных элемен­тов. Первый турбогенератор с полностью водя­ным охлаждением мощностью 63 МВт и часто­той вращения 3000 об/мин был введен в эксплуа­тацию в 1969 г. В дальнейшем были сделаны еще три таких машины. В 1980 г, был включен турбо­генератор мощностью 800 МВт и частотой вра­щения 3000 об/мин. В дальнейшем начали рабо­тать еще четыре машины. В их конструкции по­дача и слив воды осуществлялись помимо вала. Вода из неподвижной трубы поступает в зону фасонного кольца на роторе и удерживается в нем центробежными силами. Далее вода идет в нижние выводы катушек из прямоугольных проводов с отверстиями и под действием центро­бежных сил попадает в верхние выводы и слив­ное кольцо. Такая система называется самона­порной. Следует заметить, что во всем мире по­дача воды в обмотку ротора и ее отвод про­исходят через отверстия в валу, что делает кон­струкцию очень сложной и менее надежной. Преимуществом этого класса турбогенераторов является исключение водорода и заполнение корпуса воздухом при атмосферном давлении.

На заводе «Электротяжмаш» (г. Харьков) разработки и изготовление турбогенераторов мощностью 200, 300 и 500 МВт и частотой вра­щения 3000 об/мин проводились главным конст­руктором завода Л.Я. Станиславским, замести­телем главного конструктора В.С. Кильдишевым, главным инженером Н.Ф. Озерным и на­чальником производства И.Г. Гринченко. Мето­ды расчета турбогенераторов, особенно торце­вой зоны, были развиты заведующим отделом Института электродинамики Академии наук УССР И.М. Постниковым.

В машине мощностью 200 МВт ротор с водо­родным, а статор - с водяным охлаждением. В турбогенераторе мощностью 300 МВт исполь­зуется непосредственное водородное охлажде­ние как для роторной, так и для статорной обмо­ток. В роторе используется аксиально-радиаль­ная вентиляция. В стержне статорной обмотки прокладываются тонкостенные стальные труб­ки, по которым проходит газ- В турбогенерато­рах мощностью 500 МВт обмотки статора и ро­тора образованы из полых и сплошных провод­ников. Вода подается в обмотку ротора и отво­дится из нее через отверстия в валопроводе.

На заводе «Сибэлектротяжмаш» (г. Новоси­бирск) был освоен турбогенератор мощностью 500 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с мас­ляным охлаждением обмотки статора и сердеч­ника и водяным охлаждением обмотки ротора. Внутрь расточки статора вводится и герметично закрепляется в щитах цилиндр из стеклоленты. Масло с одной стороны статора проходит в дру­гую через каналы в стержнях обмотки и через ак­сиальные отверстия в сердечнике. Вода к обмот­ке ротора поступает через валопровод. Напряже­ние статорной обмотки равно 35 кВ, что сущест­венно облегчает токоподводы от генератора к повышающему трансформатору.

В организацию производства, методы расче­та, технологические процессы и конструкции рассмотренных уникальных турбогенераторов решающий вклад внесли П.Е. Базунов, К.Ф. Потехин и К.И. Масленников.

Существенные работы были проведены на Лысьвенском турбогенераторном заводе (г. Лысьва, Пермской обл.) в области турбогенераторов средней мощности. Особенно высокую оценку получили синхронные двухполюсные двигатели мощностью 630-12 500 кВт, напря­жением 6 и 10 кВ. Они применяются в приводах нефтяных насосов магистральных нефтепрово­дов, нагнетателей магистральных газопроводов, воздуходувок доменных печей, газовых ком­прессоров химических производств и др. Их ос­воение было закончено в 1980 г.

По сравнению с предыдущей серией масса двигателей новой серии снижена в 1,5-2 раза, повышен КПД на 0,5-2 %, снижена трудоем­кость изготовления в 1,5 раза и увеличен объем выпуска в 3 раза без увеличения производствен­ных площадей. По своему техническому уровню двигатели превысили показатели лучших миро­вых образцов. Наиболее существенный вклад в расчеты и конструкции двигателей внесли Э.Ю. Флейман и В.П. Глазков, а в системы воз­буждения - С.И. Логинов.

Подводя итоги исторического развития тур­богенераторов в послевоенные годы, следует от­метить успехи научно-технической деятельно­сти коллективов нескольких заводов, в результа­те чего были созданы и освоены в производстве турбогенераторы различных конструкций. Одна­ко наличие различных конструкций усложняет проектирование и строительство электростан­ций, монтажные, наладочные и ремонтные рабо­ты, а также обеспечение запасными частями. По­этому в рамках одной страны становится жела­тельным выпуск машин единой конструкции, В зарубежной практике (Франция, Англия, Шве­ция, Швейцария) эта проблема решается путем объединения электротехнических фирм и спе­циализации производства. В нашей стране с це­лью создания единой унифицированной серии турбогенераторов для всех заводов была разра­ботана и выполнена обстоятельная программа исследований и разработок машин единой серии (научный руководитель И.А. Глебов, зам. науч­ного руководителя Я.Б. Данилевич, главный конструктор ГМ. Хуторецкий, главный технолог Ю.В. Петров). Требования к новой серии форму­лировались с участием специалистов стран-членов Совета экономической взаимопомощи. В основу серии были положены турбогенераторы с водоводородным охлаждением производства объединения «Электросила», поскольку их чис­ло было наибольшим и имелся положительный опыт их эксплуатации во всем диапазоне мощно­стей от 63 до 800 МВт при частоте вращения 3000 об/мин. Освоение турбогенераторов еди­ной унифицированной серии началось в 1990 г.

К наиболее крупным достижениям зарубеж­ных фирм в области турбогенераторов относят­ся следующие. Фирма «Альстом-атлантик» вы­пустила серию четырехполюсных турбогенера­торов мощностью 1600 МВ∙А для атомных электростанций; предельная мощность четы­рехполюсных турбогенераторов для атомных электростанций фирмы «Сименс» составляет около 1300 МВ ∙А. Фирма АВВ освоила выпуск турбогенераторов мощностью 1500 МВ ∙А, 1800 об/мин, 60 Гц и турбогенераторов мощно­стью 1230 МВ∙А, 3000 об/мин, 50 Гц. Амери­канские и японские фирмы выпускают турбо­генераторы наибольшей мощностью около 1100 МВ А- Все фирмы, за исключением «Си­менс», используют водородно-водяное охлаж­дение- Фирма «Сименс» применяет водяное ох­лаждение для обмоток не только статоров, но и роторов.

Необходимо обратить внимание на все уве­личивающийся выпуск турбогенераторов

Рис. 6.3. Общий вид ударного турбогенератора (инерционного накопителя энергии)

1,1,3 - подшипник, статор и вал ротора турбогенератора 200 МВт соответственно; 4,5.6 - подшипник, вал, кожух маховика соответственно ; 7 - асинхронный двигатель; 8 - фундаментные плоты

средних мощностей - до 250 МВт для тепловых электростанций с комбинированным циклом (две газовые турбины и одна паровая).

В последние годы началось использование парогазовых установок. Поскольку предельная мощность газовых турбин в настоящее время со­ставляет 150-200 МВт, то парогазовая система мощностью 450-600 МВт состоит из трех бло­ков: два с газовыми турбинами и один с паровой. Поскольку для таких блоков нужны турбогенера­торы сравнительно небольших мощностей (150-200 МВт), для упрощения их конструкции вернулись к воздушному охлаждению. Первый турбогенератор мощностью 150 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с воздушным охлаждени­ем изготовлен для Северо-Западной ТЭЦ в 1996 г. в АО «Электросила».

К особому классу относятся ударные турбо­генераторы кратковременного действия. Они применяются для испытания выключателей, для экспериментальных установок термоядерного синтеза на базе токамаков, крупных плазмотронов, установок ускорения масс и др. Для экспериментального токамака со сверхсильным полем были разработаны и выполнены четыре двух­полюсных турбогенератора мощностью по 200 МВт (242 МВ А). Такие турбогенерато­ры созданы впервые в мировой практике (рис. 6.3). В них применяется косвенное воздуш­ное охлаждение. С целью снижения габаритов генераторы выполнены с повышенным насыще­нием магнитной цепи. На общем валу с генерато­ром находится инерционный накопитель, сде­ланный на основе ротора турбогенератора мощ­ностью 800 МВт. Запасенная энергия в генерато­ре равна 100, а в маховике - 800 МДж. Удельная энергоемкость ротора генератора составляет 5, а маховика - 10 Дж/г Длительность импульса равна 5 с. Во время выдачи накопленной энергии частота вращения уменьшается до 70 %. Таким образом, используется 50 % энергии. Удельная стоимость накопленной энергии получается наи­меньшей по сравнению со стоимостью энергии других видов накопителей. Количество энергии может быть доведено до 2500 МДж за счет ис­пользования более прочной стали и увеличения диаметра маховика. Пуск установки осуществ­ляется асинхронным двигателем с фазным рото­ром на валу агрегата или преобразователем час­тоты с питанием от сети. И.А. Глебовым, Э.Г. Кашарским и Ф.Г. Рутбергом разработаны методы расчета, выполнены технические прора­ботки различных вариантов и их сопоставление, обоснование турбогенераторного исполнения в отличие от гидрогенераторного, применяемого в зарубежной практике . Проект был выпол­нен Г.М. Хуторецким, а металлургические про­блемы решены А.М. Шкатовой.

Следует заметить, что в начале 20-х годов XX в. русские ученые М.П. Костенко и П.Л. Ка­пица сделали проект и осуществили первый ударный генератор для создания сильных маг­нитных полей.

В Томском политехническом институте под руководством и при непосредственном участии Г.А. Сипайлова была создана научная школа в области электромашинного генерирования им­пульсных мощностей в автономных режимах . Были проведены многочисленные исследования, разработаны методы расчета и создан ряд импульсных генераторов. К числу оригинальных решений относятся электрома­шинные генераторы с неявнополюсным шихто­ванным ротором и импульсной форсировкой возбуждения за счет намагничивания в несим­метричных режимах при последовательных ком­мутациях обмоток статора и ротора.

Принципиально новым направлением явля­ются сверхпроводниковые турбогенераторы, имеющие в 2 раза меньшую массу и потери. Вполне естественно, что вначале создавались опытные сверхпроводниковые машины неболь­шой мощности (синхронные, униполярные, по­стоянного тока) .

Во ВНИИэлектромаше были созданы сле­дующие сверхпроводниковые машины: коллек­торный двигатель постоянного тока мощностью 3 кВт, синхронный генератор мощностью

Рис. 6.4. Испытательный стенд со сверхпроводниковым турбогенератором мощностью 20 МВ∙А (в центре рисунка)

18 кВт, униполярный генератор с током 10 кА при напряжении 24 В и синхронный генератор мощностью 1200 кВт. Первые четыре машины были созданы под руководством и при непосред­ственном участии В.Г. Новицкого и В.Н, Шахтарина. В разработку и исполнение двигателя по­стоянного тока 3 кВт существенный вклад внес также Г.Г. Бортов. Синхронный генератор мощ­ностью 1200 кВт был разработан и выполнен под руководством В.В. Домбровского.

Первый генератор средней мощности (20 МП А) был создан во ВНИИэлектромаше в 1979г. (рис. 6.4) . Машина была подробно исследована и испытана на стенде института и при работе в Ленэнерго. Ротор име­ет обмотку из ниобий-титанового сплава. Она охлаждается жидким гелием (4,2 К), который по­ступает внутрь ротора через неподвижную труб­ку в центральном отверстии вала. Возврат гелия в газообразном состоянии происходит также через вал. Для защиты сверхпроводящей обмотки от теплопритока из внешней среды ротор имеет три цилиндра, пространство между которыми вакуумировано.

Научно-исследовательские и опытно-конст­рукторские работы во Всесоюзном научно-ис­следовательском институте электромеханики (ВНИИЭМ) завершились созданием ряда сверх­проводниковых машин. Первая машина имела мощность 600 Вт. Это был генератор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения на ста­торе и трехфазной обмоткой на роторе. Следую­щей машиной был коллекторный электродвига­тель мощностью 25 кВт, а далее генератор пере­менного тока мощностью 100 кВт со сверхпроводящим индуктором, криодвигатель переменного тока 200 кВт с неподвижным криостатом, мо­дельные синхронные генераторы с вращающим­ся криостатом, уникальный синхронно-асин­хронный двигатель с передачей вращающего мо­мента без механических сочленений машин. Руководителем, организатором производства и со­исполнителем исследований и разработок был Н.Н. Шереметьевский. Основным разработчи­ком сверхпроводящих индукторов являлся А.С. Веселовский, а якорей - А.М. Рубенраут.

Создателем синхронного сверхпроводнико­вого неявнополюсного генератора мощностью 200 кВт на харьковском заводе «Электротяжмаш» был В.Г. Данько.

В Физико-техническом институте низких температур (ФТИНТ, г. Харьков) инициатором, организатором и научным руководителем всех работ в области использования явления сверх­проводимости был Б.И. Веркин. Сущест­венное значение для исследований, разработок и исполнения машин имели труды Ю.А. Кири­ченко, А.В. Погорелова и Г.В. Гаврилова.

Во ФТИНТ были созданы: криотурбогенератор мощностью 200 кВт с неподвижной обмоткой возбуждения и теплым вращающимся якорем, турбогенератор мощностью 2 и 3 МВт со сверх­проводниковыми роторами (совместно с объеди­нением «Электросила»). Последние две машины создавались с участием специалистов объедине­ния «Электросила» И.Ф. Филиппова и И.С. Жи­томирского. Большая работа проведена в облас­ти униполярных сверхпроводниковых машин: двигатель с якорем дискового типа мощностью 100 кВт, машина мощностью 150 кВт с цилинд­рическим ротором, а затем двигатели мощнос­тью 325 и 850 кВт.

Существенный вклад в теорию и методы рас­чета электрических машин с использованием яв­ления сверхпроводимости внесли ученые Мос­ковского авиационного института А.И. Бертинов, Б.Л. Алиевский, Л.К. Ковалев и др.

В генераторе 20 МВ А внешний цилиндр ротора имеет комнатную температуру, внутрен­ний - температуру жидкого гелия, а средний - 70 К. Обмотка образована рейстрековыми ка­тушками разной ширины и находится при вра­щении в гелиевой ванне, образованной внутрен­ним цилиндром и торцевыми частями. В связи с очень большой МДС отпадает необходимость в использовании для ротора стали. В этих услови­ях статор можно делать беспазовым. что увели­чивает количество меди и мощность приблизи­тельно в 2 раза. Для малой внешней магнитной индукции в статоре применяется ферромагнит­ный экран. Исследования, разработка методов расчета и технологических процессов, изготов­ление и испытания проводились под руково­дством и при непосредственном участии И.А. Глебова, Я.Б. Данилевича, А.А. Карьшова, Л.И. Чубраевой и В.Н. Шахтарина.

И.А. Глебов был научным руководителем, Я.Б. Дакилевич - главным конструктором, А.А. Карымов - автором новых методов меха­нических расчетов, Л.И. Чубраева - специали­стом, ответственным за изготовление статора и испытания сверхпроводникового турбогенера­тора в энергосистеме. В.Н. Шахтарин - специа­листом, ответственным за разработку и изготов­ление ротора. Поскольку низкие температуры получаются с помощью криогенной техники, то творческое участие в разработках и испыта­ниях генератора мощностью 20 МВ А специа­листов НИИ «Гелиймаш» И.П. Вишнева, А.И. Краузе имело очень важное значение.

И.П. Вишнев осуществил разработку и руко­водство работами по созданию устройств крио­генной техники, А.И. Краузе провел наладочные работы и испытания криогенных устройств. Осо­бое значение имело их участие в работах по оп­ределению минимальной длительности захолаживания ротора, допустимой по условиям меха­нической прочности его элементов.

Под руководством И.Ф. Филиппова как раз­работчика методов расчета теплофизических процессов и руководителя работ по созданию уникального криогенного стенда и Г.М. Хуторецкого как главного конструктора в объедине­нии «Электросила» был создан сверхпроводни­ковый турбогенератор мощностью 300 МВт, и частотой вращения 3000 об/мин. Статор и ротор прошли успешные испытания при температуре жидкого азота. Однако недостаточная газоплот­ность наружного цилиндра не позволила иметь нужный вакуум и выйти на расчетный режим с жидким гелием.

Сверхпроводниковые турбогенераторы от­носятся к будущему поколению турбогене­раторов. Работы в этом направлении ведутся в ряде стран.

США, государства Западной Европы и Япо­ния имеют существенные успехи в области ис­следований и разработок сверхпроводниковых электрических машин. Наибольших успехов в области сверхпроводниковых турбогенераторов достигли Япония и США. В ФРГ были созданы основные элементы сверхпроводникового тур­богенератора мощностью 800 МВ А. В Японии имеется национальная программа с конечной за­дачей завоевания мирового рынка в области турбогенераторостроения на основе использования явления сверхпроводимости. В настоящее время в Японии в стадии изготовления находятся три сверхпроводниковых турбогенератора мощно­стью по 70 МВ А каждый. К наибольшим дос­тижениям в области униполярных сверхпровод­никовых машин относятся результаты работы английской фирмы IRD (униполярный двигатель мощностью 2,42 МВт).

Проведенный выше обзор в области сверх­проводниковых машин, и в первую очередь тур­богенераторов, показывает, что наша страна на­ходится на передовых позициях в мире.

Турбогенератор служит для питания электроэнергией силовых, специальных и осветительных установок судна и предназначен как для раздельной, так и для параллельной работы с другим турбогенератором или дизель-генераторами, имеющими идентичные характеристики регулирования.

Турбогенератор допускает кратковременную, на период перевода нагрузки, параллельную работу с береговой электросетью.

Турбогенератор рассчитан на длительную работу в вакуумную систему.

Турбогенератор включает в себя следующие узлы и элементы:

Турбину паровую.

Редуктор одноступенчатый.

Генератор с самовозбуждением.

Подшипники турбин.

Фундаментную раму.

Муфту зубчатую.

Блок регулирования.

Насос-регулятор.

Блок защиты.

Быстрозапорный клапан (БЗК).

Электронасос масляный винтовой.

Масляный насос.

Маслоохладитель.

Фильтр масляный.

Центробежный маслоочиститель.

Инжектор масляный.

Эжектор отсоса с конденсатором.

Систему отсоса и дренажа.

Масло- и водопровод.

Выявитель нагрузки.

Сетевой электрический фильтр.

Клапан предохранительный.

Контрольно измерительную аппаратуру.

Пульт управления турбогенератором.

Общее описание турбогенератора

Турбогенератор состоит из турбины, редуктора и генератора, оси которых параллельны и лежат в горизонтальной плоскости. Паровая турбина через редуктор приводит во вращение генератор, вырабатывающий электрическую энергию.

Турбина, редуктор и генератор смонтированы на общей сварной фундаментной раме, часть которой используется как масляный бак для масляной системы генератора.

Турбина состоит из неподвижного корпуса 12 и 14 (см. чертеж) и вращающейся части - ротора 5, уплотнений 7 и 16, диафрагмы 13 и подшипников 4 и 18.

К верхней половине (передней) корпуса турбины 14, горизонтальным фланцем крепится клапанная коробка. К нижней передней половине корпуса турбины 12, крепится гибкая опора 2, задняя часть турбины опирается на две неподвижные опоры 20.

Выхлопной патрубок турбины выполнен сварношитым и направлен вверх.

Корпус турбины, для уменьшения тепловых потерь и уменьшения нагрева воздуха в МКО имеет теплоизоляцию с наружной обшивкой из алюминиевых листов.

Редуктор - одноступенчатый, служит для понижения числа оборотов с 7800 об/мин на валу турбины, до 1500 об/мин на валу генератора. Ротор турбины с шестерней редуктора соединен при помощи зубчатой муфты 21, а колесо редуктора с ротором генератора - жестким фланцем.

На фундаментной раме 1 размещены:

• - блок регулирования;
• - центробежный очиститель тонкой очистки, очищающий масло от находящихся в нем взвешенных частиц;
• - фильтр масляный грубой очистки щелевого типа;
• - электронасос масляный, винтовой, обеспечивающий смазку агрегата в момент пуска, остановки и в аварийных случаях;
• - щит контрольно-измерительных приборов, на котором смонтированы все необходимые манометры и мановакуумеры, а также электротахометр, обеспечивающий наблюдение за оборотами турбогенератора;
• - авторегулятор давления пара в системе уплотнения и отсоса, обеспечивающий нормальные уплотнения вала турбины, как в момент пуска, так и при работе под нагрузкой.

С правой стороны фундаментной рамы (см. со стороны входа пара) вмонтирован маслоохладитель, на кормовой стороне (в районе генератора) навешен эжектор отсоса с конденсатором. Наблюдение за уровнем масла осуществляется с помощью указателя уровня масла.

Наблюдение за температурой пара, масла и охлаждающей воды осуществляется при помощи термометров, установлнных в соответствующих местах.

Смазка турбогенератора (редуктора, турбины и генератора) жидкостная, форсированная и обеспечивается работой насоса-регулятора, расположенного на валу турбины. Подпор масла для работы насоса-регулятора создается масляным инжектором, питание которого осуществляется насосом-регулятором.

Сухой вес турбогенератора около 12500 кг, в рабочем состоянии вес турбогенератора около 13800 кг, больше за счет веса масла (около 1000 кг), залитого в масляный бак, и охлаждающей воды маслоохладителя и эжектора отсоса с конденсатором (около 300 кг). Турбогенератор монтируется на заказе без разборки его на отдельные узлы и детали.

От десятков тысяч оборотов в минуту (у синхронных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов "НПК "Энергодвижение") до 3000, 1500 об/мин (у синхронных турбогенераторов с возбуждением ротора). Механическая энергия от турбины преобразуется в электрическую посредством вращающегося магнитного поля ротора в статоре . Поле ротора, которое создается либо установленными на ротор постоянными магнитами, либо током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, приводит к возникновению трёхфазного переменного напряжения и тока в обмотках статора. Напряжение и ток на статоре тем больше, чем сильнее поле ротора, т.е. больше ток протекающий в обмотках ротора. У синхронных турбогенераторов с внешним возбуждением напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель - небольшой генератор на валу турбогенератора. Турбогенераторы имеют цилиндрический ротор установленный на двух подшипниках скольжения , в упрощенном виде напоминает увеличенный генератор легкового автомобиля. Выпускаются 2-х полюсные (3000 об/мин), 4-х полюсные (1500 об/мин как на Балаковской АЭС), и многополюсные машины, в зависимости от мест эксплуатации и требований Заказчика. По способам охлаждения обмоток турбогенератора различают: с жидкостным охлаждением через рубашку статора; с жидкостным непосредственным охлаждением обмоток; с воздушным охлаждением; с водородным охлаждением (чаще применяются на АЭС).

История

Один из основателей компании «ABB » Чарльз Браун построил первый турбогенератор в 1901 году . Это был 6-ти полюсный генератор мощностью 100 кВА .

Появление во второй половине XIX века мощных паровых турбин привело к тому, что потребовались высокоскоростные турбогенераторы. Первое поколение этих машин имело стационарную магнитную систему и вращающуюся обмотку. Но данная конструкция имеет целый ряд ограничений, одно из них - небольшая мощность. Кроме этого, ротор явнополюсного генератора не способен выдерживать большие центробежные усилия.

Основным вкладом Чарльза Брауна в создание турбогенератора было изобретение ротора, в котором его обмотка (обмотка возбуждения) укладывается в пазы, которые получаются в результате механической обработки поковки. Вторым вкладом Чарльза Брауна в создание турбогенератора была разработка в 1898 году ламинированного цилиндрического ротора. И, в конечном итоге, в 1901 году он построил первый турбогенератор. Данная конструкция используется в производстве турбогенераторов по сей день.

Типы турбогенераторов

В зависимости от системы охлаждения турбогенераторы подразделяются на несколько типов: с воздушным, масляным, водородным и водяным охлаждением. Также существуют комбинированные типы, например, генераторы с водородно-водяным охлаждением.

Также существуют специальные турбогенераторы, к примеру, локомотивные, служащие для питания цепей освещения и радиостанции паровоза . В авиации турбогенераторы служат дополнительными бортовыми источниками электроэнергии. Например, турбогенератор ТГ-60 работает на отбираемом от компрессора авиадвигателя сжатого воздуха, обеспечивая привод генератора трёхфазного переменного тока 208 вольт, 400 герц, номинальной мощностью 60 кВ*А.

Конструкция турбогенератора

Генератор состоит из двух ключевых компонентов - статора и ротора. Но каждый из них содержит большое число систем и элементов. Ротор - вращающийся компонент генератора и на него воздействуют динамические механические нагрузки, а также электромагнитные и термические. Статор - стационарный компонент турбогенератора, но он также подвержен воздействию существенных динамических нагрузок - вибрационных и крутящих, а также электромагнитных, термических и высоковольтных.

Возбуждение ротора генератора

Первоначальный (возбуждающий) постоянный ток ротора генератора подается на него с возбудителя генератора. Обычно возбудитель соосно соединён упругой муфтой с валом генератора и является продолжением системы турбина-генератор-возбудитель. Хотя на крупных электрических станциях предусмотрено и резервное возбуждение ротора генератора. Такое возбуждение происходит от отдельно стоящего возбудителя. Такие возбудители постоянного тока приводятся в действие своим электродвигателем переменного трехфазного тока и включены как резерв в схему сразу нескольких турбоустановок. С возбудителя постоянный ток подается в ротор генератора посредством скользящего контакта через щётки и контактные кольца. Современные турбогенераторы используют тиристорные системы самовозбуждения.

Напишите отзыв о статье "Турбогенератор"

Литература

• Вольдек А. И. Электрические машины. Энергия. Л. 1978
• Operation and Maintenance of Large Turbo Generators, by Geoff Klempner and Isidor Kerszenbaum, ISBN 0-471-61447-5 , 2004

Примечания

Ссылки

Отрывок, характеризующий Турбогенератор

– Пожалуйте, ваше сиятельство, Петруша с бумагами пришел, – сказала одна из девушек помощниц няни, обращаясь к князю Андрею, который сидел на маленьком детском стуле и дрожащими руками, хмурясь, капал из стклянки лекарство в рюмку, налитую до половины водой.
– Что такое? – сказал он сердито, и неосторожно дрогнув рукой, перелил из стклянки в рюмку лишнее количество капель. Он выплеснул лекарство из рюмки на пол и опять спросил воды. Девушка подала ему.
В комнате стояла детская кроватка, два сундука, два кресла, стол и детские столик и стульчик, тот, на котором сидел князь Андрей. Окна были завешаны, и на столе горела одна свеча, заставленная переплетенной нотной книгой, так, чтобы свет не падал на кроватку.
– Мой друг, – обращаясь к брату, сказала княжна Марья от кроватки, у которой она стояла, – лучше подождать… после…
– Ах, сделай милость, ты всё говоришь глупости, ты и так всё дожидалась – вот и дождалась, – сказал князь Андрей озлобленным шопотом, видимо желая уколоть сестру.
– Мой друг, право лучше не будить, он заснул, – умоляющим голосом сказала княжна.
Князь Андрей встал и, на цыпочках, с рюмкой подошел к кроватке.
– Или точно не будить? – сказал он нерешительно.
– Как хочешь – право… я думаю… а как хочешь, – сказала княжна Марья, видимо робея и стыдясь того, что ее мнение восторжествовало. Она указала брату на девушку, шопотом вызывавшую его.
Была вторая ночь, что они оба не спали, ухаживая за горевшим в жару мальчиком. Все сутки эти, не доверяя своему домашнему доктору и ожидая того, за которым было послано в город, они предпринимали то то, то другое средство. Измученные бессоницей и встревоженные, они сваливали друг на друга свое горе, упрекали друг друга и ссорились.
– Петруша с бумагами от папеньки, – прошептала девушка. – Князь Андрей вышел.
– Ну что там! – проговорил он сердито, и выслушав словесные приказания от отца и взяв подаваемые конверты и письмо отца, вернулся в детскую.
– Ну что? – спросил князь Андрей.
– Всё то же, подожди ради Бога. Карл Иваныч всегда говорит, что сон всего дороже, – прошептала со вздохом княжна Марья. – Князь Андрей подошел к ребенку и пощупал его. Он горел.
– Убирайтесь вы с вашим Карлом Иванычем! – Он взял рюмку с накапанными в нее каплями и опять подошел.
– Andre, не надо! – сказала княжна Марья.
Но он злобно и вместе страдальчески нахмурился на нее и с рюмкой нагнулся к ребенку. – Ну, я хочу этого, сказал он. – Ну я прошу тебя, дай ему.
Княжна Марья пожала плечами, но покорно взяла рюмку и подозвав няньку, стала давать лекарство. Ребенок закричал и захрипел. Князь Андрей, сморщившись, взяв себя за голову, вышел из комнаты и сел в соседней, на диване.
Письма всё были в его руке. Он машинально открыл их и стал читать. Старый князь, на синей бумаге, своим крупным, продолговатым почерком, употребляя кое где титлы, писал следующее:
«Весьма радостное в сей момент известие получил через курьера, если не вранье. Бенигсен под Эйлау над Буонапартием якобы полную викторию одержал. В Петербурге все ликуют, e наград послано в армию несть конца. Хотя немец, – поздравляю. Корчевский начальник, некий Хандриков, не постигну, что делает: до сих пор не доставлены добавочные люди и провиант. Сейчас скачи туда и скажи, что я с него голову сниму, чтобы через неделю всё было. О Прейсиш Эйлауском сражении получил еще письмо от Петиньки, он участвовал, – всё правда. Когда не мешают кому мешаться не следует, то и немец побил Буонапартия. Сказывают, бежит весьма расстроен. Смотри ж немедля скачи в Корчеву и исполни!»
Князь Андрей вздохнул и распечатал другой конверт. Это было на двух листочках мелко исписанное письмо от Билибина. Он сложил его не читая и опять прочел письмо отца, кончавшееся словами: «скачи в Корчеву и исполни!» «Нет, уж извините, теперь не поеду, пока ребенок не оправится», подумал он и, подошедши к двери, заглянул в детскую. Княжна Марья всё стояла у кроватки и тихо качала ребенка.
«Да, что бишь еще неприятное он пишет? вспоминал князь Андрей содержание отцовского письма. Да. Победу одержали наши над Бонапартом именно тогда, когда я не служу… Да, да, всё подшучивает надо мной… ну, да на здоровье…» и он стал читать французское письмо Билибина. Он читал не понимая половины, читал только для того, чтобы хоть на минуту перестать думать о том, о чем он слишком долго исключительно и мучительно думал.

Билибин находился теперь в качестве дипломатического чиновника при главной квартире армии и хоть и на французском языке, с французскими шуточками и оборотами речи, но с исключительно русским бесстрашием перед самоосуждением и самоосмеянием описывал всю кампанию. Билибин писал, что его дипломатическая discretion [скромность] мучила его, и что он был счастлив, имея в князе Андрее верного корреспондента, которому он мог изливать всю желчь, накопившуюся в нем при виде того, что творится в армии. Письмо это было старое, еще до Прейсиш Эйлауского сражения.
«Depuis nos grands succes d"Austerlitz vous savez, mon cher Prince, писал Билибин, que je ne quitte plus les quartiers generaux. Decidement j"ai pris le gout de la guerre, et bien m"en a pris. Ce que j"ai vu ces trois mois, est incroyable.
«Je commence ab ovo. L"ennemi du genre humain , comme vous savez, s"attaque aux Prussiens. Les Prussiens sont nos fideles allies, qui ne nous ont trompes que trois fois depuis trois ans. Nous prenons fait et cause pour eux. Mais il se trouve que l"ennemi du genre humain ne fait nulle attention a nos beaux discours, et avec sa maniere impolie et sauvage se jette sur les Prussiens sans leur donner le temps de finir la parade commencee, en deux tours de main les rosse a plate couture et va s"installer au palais de Potsdam.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности конструкции турбогенератора

Турбогенератор - работающий в паре с турбиной синхронный генератор.

Основная функция в преобразовании механической энергии вращения паровой или газовой турбины в электрическую. Скорость вращения ротора 3000, 1500 об/мин. Механическая энергия от турбины преобразуется в электрическую посредством вращающегося магнитного поля ротора в статоре. Поле ротора, которое создается током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, приводит к возникновению трёхфазного переменного напряжения и тока в обмотках статора. Напряжение и ток на статоре тем больше чем сильнее поле ротора т.е. больше ток протекающий в обмотках ротора. Напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель - небольшой генератор на валу турбогенератора.

Турбогенераторы имеют цилиндрический ротор, установленный на двух подшипниках скольжения, в упрощенном виде напоминает увеличенный генератор легкового автомобиля. Выпускаются 2-х полюсные (3000 об/мин), 4-х полюсные (1500 об/мин как на Балаковской АЭС), следовательно, имеют высокие частоты вращения и проблемы с этим связанные. По способам охлаждения обмоток турбогенератора различают: с водяным охлаждением (три воды), с воздушным и водородным (чаще применяются на АЭС).

По качеству, надежности и долговечности турбогенераторов - Россия занимает передовые позиции в мире.

Конструкция турбогенератора

Генератор состоит из двух ключевых компонентов - статора и ротора . Но каждый из них содержит большое число систем и элементов.

Ротор - вращающийся компонент генератора и на него воздействуют динамические механические нагрузки, а также электромагнитные и термические.

Статор - стационарный компонент турбогенератора, но он также подвержен воздействию существенных динамических нагрузок - вибрационных и крутящих, а также электромагнитных, термических и высоковольтных.

В зависимости от системы охлаждения турбогенераторы подразделяются на несколько типов : с воздушным, масляным, водородным и водяным охлаждением. Также существуют комбинированные типы, например, генераторы с водородно-водяным охлаждением.

Также существуют специальные турбогенераторы, к примеру, локомотивные, служащие для питания цепей освещения и радиостанции паровоза. В авиации турбогенераторы служат дополнительными бортовыми источниками электроэнергии.

Например, турбогенератор ТГ - 6 0 работает на отбираемом от компрессора авиадвигателя сжатом воздухе, обеспечивая привод генератора трёхфазного переменного тока 208 вольт, 400 герц, номинальной мощностью 60 кВ*А.

Основными направлениями в области научно-технической политики компании «Электросила » я вляются:

· разработка новой продукции с техническими характеристиками, соответствующими или превосходящими мировые аналоги;

· привлечение к разработке новой продукции ведущих отечественных научных организаций;

· развитие материально-технической базы конструкторских подразделений и исследовательских лабораторий.

Изготавливают турбогенераторы:

· Всего изготовлено более 2701 турбогенераторов суммарной мощностью 275,1 ГВт (или 323,6 ГВ*А)

· Диапазон мощностей выпускаемых турбогенераторов от 2 до 1200 МВт

· Турбогенераторы «Силовых машин» работают в 44 странах мира

· Первый турбогенератор «Силовых машин» был изготовлен филиалом «Электросила» в 1924 году

Особенности конструкции современных турбогенераторов.

Одна их важнейших проблем турбостроения - охлаждение.

Прославленный ленинградский завод Электросила имени С.М. Кирова отгружает в адрес Костромской ГРЭС турбогенератор мощностью 1,2 млн. кВт. Создание такой исполинской электрической машины - замечательная победа советской науки и техники.

Вот что ему рассказали о создании сверхмощных турбогенераторов:

В результате научно-технического прогресса в энергомашиностроении, металлургии, благодаря созданию новых материалов, успехам технологии единичную мощность отечественных турбогенераторов удалось повысить с 0.5 тыс. кВт (1924 г.) до 1200 кВт (1975 г.), т.е. за 50 лет она выросла в 2400 раз.

Это большое достижение нашей науки и техники, особенно если учесть, что чем мощнее была создаваемая машина, тем сложнее оказывался узел проблем, встававших перед учеными, конструкторами, инженерами.

Чтобы получить хотя бы общее представление о том, как достигалось повышение мощности, какие основные задачи приходилось решать при этом, рассмотрим некоторые особенности конструкции современных турбогенераторов.

Ротор турбогенератора , который сидит на одном валу с паровой турбиной, выполняется из массивной поковки магнитной стали. В его обмотку от постороннего источника подается постоянный ток, и таким образом ротор превращается в электромагнит. При вращении ротора создаваемое им магнитное поле пересекает проводники статора, которые уложены в пазах сердечника (он выполняет роль магнитопровода). В результате в проводниках статора индуктируется переменная электродвижущая сила (э. д. с). От статора переменный ток поступает на повышающий трансформатор, а затем по линии электропередачи направляется к потребителям.

Даже это описание работы турбогенератора позволяет установить пути увеличения его мощности.

Ясно, что сделать это можно, повышая частоту вращения ротора : чем она будет больше, тем чаще магнитное поле будет пересекать обмотку статора. Казалось бы, такое решение весьма желательно, так как и паровая турбина имеет наилучшие технико-экономические показатели при больших частотах вращения. Но в действительности возможности в этом направлении строго ограничены. В Советском Союзе стандартная частота тока-50 Гц. Следовательно, чтобы при двух полюсах вырабатывать ток такой частоты, ротор должен делать за секунду 50 оборотов, или 3000 оборотов в минуту.

Очевидно, мощность турбогенератора можно повышать, увеличивая его габариты . Конечно. Ведь чем больше внутренний диаметр и длина статора (соответственно и ротора), тем больше размеры магнитной системы машины, а значит, величина магнитного потока, который и наводит э.д.с. в обмотке статора. И действительно, было время, когда конструкторы добивались роста мощности турбогенератора в значительной степени за счет увеличения его габаритов. Однако и эта возможность довольно скоро была практически исчерпана. Чем же это объясняется?

Длина той части ротора, на которой располагается обмотка (активная длина), не может быть существенно больше 8 м , иначе возникнут недопустимые прогибы. Ограничен и диаметр ротора величиной 1,2-1,3 м , так как по условиям прочности линейная скорость точек его поверхности не должна превышать 170-190 м в секунду (а это уже скорость реактивного самолета), при этом возникают усилия в сотни тонн, стремящиеся вытолкнуть обмотку из пазов. Если сделать ротор диаметром свыше 1,3 м, то даже лучшая легированная сталь не выдержит - центробежные силы разрушат конструкцию. Внешний диаметр статора также имеет свой предел - 4,3 м иначе, чтобы перевезти турбогенератор по железной дороге, придется расширять мосты и тоннели, останавливать встречное движение поездов по маршрутам следования. Может быть, сделать статор разъемным, чтобы облегчить перевозку? Но тогда на электростанции надо создавать филиал завода - сборочный цех и испытательную станцию.

Несмотря на значительные успехи металлургической промышленности, активный объем ротора за период с 1937 по 1974 год вырос менее чем в 2 раза (длина - с 6,5 до 8 м, диаметр - с 1 до 1,25 м), в то время как мощность турбогенераторов увеличивалась в 12 раз (со 100 до 1200 тыс. кВт). «Предельные габариты» были фактически достигнуты уже при создании машины в 300 тыс. кВт. Конечно, некоторые, правда, незначительные изменения размеров с увеличением мощности турбогенераторов происходили и в дальнейшем. Надо заметить, что, хотя и наблюдается прогресс в улучшении магнитных характеристик сталей, имеющиеся пределы по их насыщению не позволяют сколь-нибудь существенно повысить магнитную индукцию (для увеличения мощности генератора).

Центральная проблема

Теперь становится ясно, что для продвижения вверх по шкале мощности остается фактически один путь - увеличение токовой нагрузки статора . Но чем больше ток, проходящий по обмоткам машины, тем сильнее они нагреваются. Увеличивается ток в два раза - в четыре раза увеличиваются тепловые потери, ток растет в три раза, выделение тепла - в девять и т.д. Таков неумолимый закон физики.

Путь увеличения токовых нагрузок оказался довольно тернистым. Теперь главным врагом конструкторов стало тепло. И надо было найти эффективные способы отводить его от частей машины раньше, чем их температура успеет превысить допустимые значения.

Итак, центральной стала проблема охлаждения турбогенератора . От успехов в ее решении и сегодня в основном зависит прогресс турбогенераторостроения.

Вся история борьбы за повышение единичной мощности турбогенератора есть, в сущности, история развития способов его охлаждения.

Турбогенераторы, которые выпускались в довоенные годы, охлаждались воздухом. В машине 100 тыс. кВт устанавливались вентиляторы, которые ежесекундно прогоняли через нее 60 кубометров воздуха. Из-за малой его теплопроводности даже такой воздушный ураган оказался недостаточно эффективным для охлаждения машин большей мощности.

Лучше, чем воздух, отбирает тепло водород , так как его теплопроводность почти в 7 раз выше . К тому же плотность водорода в 10 раз меньше : ротору легча вращаться, а менее вязкой среде, снижаются потери на трение, коэффициент полезного действия турбогенератора увеличивается примерно на один процент; существенно и то что в среде водорода медленнее изнашивается («стареет») изоляция. Мощность турбогенератора при таком охлаждении удалось поднять до 150 тыс. кВт.

Чтобы создать еще более крупную машину, надо было опять-таки улучшать отвод тепла.

У машины в 150 тыс. кВт охлаждающий газ отнимал тепло, омывая наружную поверхность ротора и поверхность вентиляционных каналов в сердечнике статора. Такое косвенное охлаждение оказалось недостаточным для турбогенераторов следующей ступени мощности. У них впервые часть проводников в обмотках сделали полыми, и через них прогонялся водород. Непосредственное охлаждение вместо косвенного позволило создать машину в 200 тыс. кВт (1957 год).

Конечно, заманчиво было использовать для охлаждения воду: ведь ее теплопроводность в 3 раза, а теплоемкость в 3500 раз больше, чем у водорода. Но реализовать эту идею трудно из-за «несовместимости» воды и электричества. При малейшем увлажнении изоляции возможны пробой, короткое замыкание и весьма серьезная авария.

В турбогенераторе мощностью 300 тыс. кВт все же удалось осуществить непосредственное охлаждение водой обмоток статора. И хотя жидкость прогоняется под давлением по полым проводникам статора совсем близко от корпусной изоляции, водяной тракт настолько надежно спроектирован, так тщательно изготовлен, что прорыв воды практически исключен. (Для охлаждения применяют дистиллированную воду, так как обычная вода проводит электрический ток и оставляет осадки растворенных в ней солей на внутренних стенках проводников.)

Схема охлаждения:

водой - статорную обмотку,

водородом - роторную обмотку и активное железо - оказалась очень удачной. Она была использована и при создании турбогенераторов мощностью 500 и 800 тыс. кВт.

Таким образом, мы видим, что появление более совершенных систем охлаждения связано с невозможностью развития предыдущих типов машин, с достижением ими предельных мощностей. Показательно, что в дальнейшем новые решения распространялись не только вверх, но и вниз по шкале мощностей (в настоящее время для всех современных турбогенераторов мощностью 150 тыс. кВт и выше применяется непосредственное водяное охлаждение обмотки статора ) и границы между машинами с различными системами охлаждения устанавливались, по технико-экономическим соображениям.

Следует отметить, что новые принципы исполнения машин, которые появляются при повышении их единичной мощности, почти всегда оказываются и технически и экономически более целесообразными также для машин менее мощных.

Одно из главных следствий создания все более интенсивных систем охлаждения - снижение удельных расходов материалов при одновременном росте мощности турбогенератора . Если для машины в 30 тыс. кВт он был равен 2,75 кг (на 1 кВА), то с увеличением мощности турбогенератора до 800 тыс. кВт стал уже 0,58. Если бы удельный расход у него был бы таким же, как у машины в 30 тыс. кВт, то масса его была бы не 500 т, а 2000 т. А ведь на долю материалов приходится примерно 75 процентов себестоимости турбогенератора1

Проблема отвода тепла действительно центральная, но далеко не единственная. Путь интенсификации, то есть увеличения мощности турбогенератора при почти неизменяющемся его объеме, приводит, естественно, к росту электромагнитной, тепловой и механической напряженности машины. Одновременно с этим снижается (если не принимать специальных мер) её надежность.

Охлаждение

Во время работы в генераторе возникают потери энергии, превращающиеся в теплоту и нагревающие его элементы. Хотя к. п. д. современных генераторов очень высок и относительные потери составляют всего 1,5-2,5%, абсолютные потери достаточно велики (до 10 МВт в машине 800 МВт), что приводит к значительному повышению температуры активной стали, меди и изоляции.

Предельный нагрев генераторов лимитируется изоляцией обмоток статора и ротора, так как под воздействием теплоты происходит ухудшение ее электроизоляционных свойств и понижение механической прочности и эластичности. Изоляция высыхает, крошится и перестает выполнять свои функции. Опытным путем установлено, что процесс этого, так называемого старения изоляции протекает тем быстрее, чем выше ее температура. Математически это выражается формулой

В качестве охлаждающей среды в современных генераторам применяют газы (воздух, водород) и жидкости (вода, масло).

Турбогенераторы выполняются с воздушным, водородным, водородно-жидкостным или чисто жидкостным охлаждением .

По способу отвода теплоты от меди обмоток системы охлаждения подразделяются накосвенные (поверхностные) и непосредственные.

При косвенном охлаждении (оно применяется только при газах) охлаждающий газ не соприкасается с проводником обмоток, а теплота, выделяемая в них, передается газу через изоляцию, которая таким образом оказывается перегруженной в тепловом отношении и значительно ухудшает теплопередачу.

При непосредственном охлаждении водород, вода циркулируют по внутрипроводниковым каналам и, соприкасаясь непосредственно с нагретой медью, отводят от нее теплоту при максимальной эффективности теплопередачи, так как между источником тепла и охлаждающей средой нет никаких барьеров. Большим преимуществом такой системы является также небольшая тепловая нагрузка изоляции.

Исторически первой системой охлаждения генераторов была система косвенного охлаждения. При этой системе циркуляция воздуха в машине осуществляется вентиляторами. Нагретый в машине воздух выбрасывается через горячие камеры в воздухоохладитель, расположенный под генератором, а оттуда, через общие камеры холодного воздуха поступает обратно в генератор (рис. 1-1).

Из схемы на рис. 1-2 видно, что при такой системе вентиляции один и тот же объем воздуха совершает замкнутый цикл охлаждения, поэтому ее называют замкнутой. В зависимости от расположения вентиляционных каналов и направления движения воздуха в машине различают осевую (рис. 1-3) и радиальную (рис. 1-4) вентиляцию.

Замкнутая система косвенного воздушного охлаждения турбогенератора

Эффективность вентиляции повышается при разделении потока охлаждающего воздуха на несколько параллельных струй. Радиальная многоструйная система вентиляции широко применялась до 50-х годов, и сейчас в эксплуатации находится значительное число турбогенераторов до 100 МВт, а также гидрогенераторов до 225 МВт с воздушным охлаждением (рис. 1-5).

В настоящее время косвенное воздушное охлаждение применяют ограниченно, в турбогенераторах только до 12 МВт . Более мощные генераторы оснащаются теперь более эффективными системами охлаждения, позволяющими значительно увеличить единичную мощность без существенного увеличения размеров машины, которые уже у генераторов 100 МВт с косвенным воздушным охлаждением достигли предельных значений, определяемых транспортными, технологическими и конструктивными соображениями.

Замкнутые системы вентиляции М машина; В = вентилятор; О - охладитель

Осевая вентиляция

Повышение единичной мощности генераторов может производиться только за счет увеличения отдельных конструктивных параметров, входящих в (1-9).

Однако частота вращения не может быть повышена, так как определяется частотой сети и числом пар полюсов генератора.

Индукция в зазоре современных крупных турбогенераторов также достигла практически предельного значения 1 Тл и не может существенно меняться из-за насыщения в зубцах.

Диаметр статора нельзя увеличивать из-за транспортных ограничений, а диаметр ротора - по условиям технологии изготовления его бочки.

Длина бочки ротора не должна быть больше шестикратного диаметра бочки, так как иначе статический прогиб ее достигнет недопустимых значений, а собственная частота приблизится к критической, при которой могут возникнуть опасные вибрации ротора. Это означает, что при предельном диаметре ротора 1200 мм длина его активной стали не может быть больше 7200-7500 мм.

Таким образом, единственная возможность повышения единичной мощности генераторов заключается в увеличении линейной нагрузки (а следовательно, плотности тока), которое требует соответствующего увеличения интенсивности отвода теплоты и может быть выполнено только при переходе на принципиально иные способы охлаждения.

Первым шагом повышения интенсивности охлаждения был переход на другую охлаждающую среду (водород) при сохранении системы косвенного охлаждения.

турбогенератор синхронный мощность

Многоструйная система водородного охлаждения турбогенератора

За счет лучших теплоотводящих свойств водорода удалось изготовить генераторы с максимальной мощностью 150 МВт.

Кроме повышения единичной мощности при переходе на водород были получены следующие преимущества: потери в генераторе на трение и вентиляцию уменьшились в 10 раз, так как плотность водорода в 14 раз меньше плотности воздуха. Это привело к повышению к. п. д. турбогенератора примерно на 0,8%. Удлинился срок службы изоляции и повысилась ее надежность, так как при коронировании не возникает озона, вызывающего интенсивное окисление изоляции и вредные азотные соединения.

Из-за значительно меньшей вязкости водорода снижается шум генератора.

При внутренних повреждениях в машине уменьшается вероятность пожара в ней, так как водород не поддерживает горения. Значительно уменьшается поверхность газоохладителей, которые могут теперь быть встроены в корпус генератора. Правда, применение водорода для охлаждения связано с опасностью взрывов гремучей смеси, которая образуется при определенных соотношениях кислорода и водорода. Однако правильная эксплуатация систем водородного охлаждения сводит на нет эту опасность.

Косвенное водородное охлаждение сохранилось в настоящее время только в турбогенераторах 30-60 МВт и в синхронных компенсаторах 32 MBЧА и выше, так как увеличение единичной мощности при косвенной системе охлаждения ограничено превышениями температур в изоляции и стали над температурой охлаждающей среды.

Дальнейшее повышение единичной мощности турбогенераторов оказалось возможным лишь при переходе на систему непосредственного охлаждения . Такое охлаждение применяется теперь не только в машинах 200 -800, но и в машинах 150, 100 и 60 МВт.

Н аилучшей охлаждающей средой является вода . Получение дистиллята с удельным сопротивлением 200-10+3 ОмЧсм не представляет трудностей. Поэтому при жидкостном охлаждении преимущественно применяется вода. Теплоотводящая способность трансформаторного масла примерно в 2,5 раза ниже, чем воды, а кроме того, масло пожароопасно и поэтому значительно реже применяется в качестве охлаждающей среды.

Для непосредственного охлаждения статора и ротора турбогенераторов широко применяется также водород.

Турбогенераторы используются на атомных и тепловых электростанциях .

С их помощью электроэнергия вырабатывается при непосредственном контакте с газовыми и паровыми турбинами в номинальном режиме в течение продолжительного времени.

Существуют три группы турбогенераторов различной мощности :

больше 500 МВт.

Различаются турбогенераторы также и по частоте вращения и частоте сети . Это четырех-полюсные частотой вращения 1500 и 1800 об/мин на частоту сети 50Гц и двухполюсные на частоту вращения 3000 и 3600 об/мин на частоту сети 60 Гц.

Турбогенераторы делятся на генераторы, приводимые во вращение газовой турбиной и с приводом от паровой турбины . Это классификация по виду приводной турбины.

В зависимости от системы охлаждения турбогенераторы разделяются на машины с косвеннымводородным охлаждением , воздушным охлаждением и водородным и жидкостным охлаждением . Любому оборудованию нужно своевременное обслуживание, а также иногда может потребоваться ремонт турбогенераторов.

Классификация по системе возбуждения подразделяет турбогенераторы на машины с независимой тиристорной системой , статической системой самовозбуждения и бесщеточным возбуждением .

Мощность генератора зависит от частоты и напряжения. Работа генератора допускается при напряжении не более 110% от номинального на выводах обмотки статора.

Сверхпроводящая обмотка возбуждения сделана из кабеля, поперечником 0,7 мм с 37 сверхпроводящими жилами из ниобий-титана в медной матрице. Центробежные и электродинамические стремления в обмотке воспринимаются бандажом из нержавеющей стали. Между открытой толстостенной пленкой из нержавеющей стали и бандажом расположен духовой электротермический экран, охлаждаемый потоком протекающего в тракте безжалостного газообразного гелия (он позже возвращается в ожижитель). Подшипники работают при комнатной температуре. Обмотка статора сделана из медных посредников (охладитель - вода) и охвачена ферромагнитным экраном из шихтованной стали. Ротор поворачивается в вакуумированном пространстве изнутри стенки из изоляционного материала. Сохранение вакуума в камере гарантируют уплотнители.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Выбор главных размеров турбогенератора. Расчет номинального фазного напряжения при соединении обмотки в звезду. Характеристика холостого хода. Определение индуктивного сопротивления рассеяния Потье. Оценка и расчет напряжений в бандаже и на клине.

курсовая работа , добавлен 21.06.2011


Определение размеров и электромагнитных нагрузок. Проектирование статора и ротора. Характеристика холостого хода. Параметры и постоянная времени турбогенератора. Отношение короткого замыкания, тока короткого замыкания и статической перегружаемости.

курсовая работа , добавлен 10.11.2015


Понятие и характеристика паровой турбины. Особенности конструкции и предназначение паровой турбины. Анализ расчета внутренних потерь и схемы работы теплофикационной турбины и последовательность расчета ступеней давления. Эксплуатация турбинной установки.

курсовая работа , добавлен 25.03.2012


История создания и виды электродвигателя. Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока. Изучение работы генератора на основе закона электромагнитной индукции Фарадея. Изучение характеристики простейшего электрогенератора.

презентация , добавлен 12.10.2015


Принцип действия, основные характеристики и элементы конструкции синхронного вертикального двигателя, область применения. Расчет электромагнитного ядра явнополюсного синхронного двигателя, его оптимизация по минимуму приведенной стоимости и резервов.

курсовая работа , добавлен 16.04.2011


Понятие и функциональные особенности погрузочно-разгрузочных машин, сферы их практического применения и значение. Группа режима работы и направления ее исследования. Классификация и типы кранов, их специфика. Устройство, элементы тележки, принцип работы.

презентация , добавлен 17.05.2013


Принцип действия синхронного генератора. Типы синхронных машин и их устройство. Управление тиристорным преобразователем. Характеристика холостого хода и короткого замыкания. Включение генераторов на параллельную работу. Способ точной синхронизации.

презентация , добавлен 05.11.2013


Применение синхронных двигателей в устройствах автоматики и техники. Изготовление ротора, турбогенератора. Предназначение двигателей для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств. Конструктивное исполнение статора синхронной машины.

презентация , добавлен 01.09.2015


Понятие и задачи языков программирования общего назначения, их классификация и разновидности, их функциональные особенности и сферы практического применения. Структурные составляющие языка QBasic, принцип его работы, главные операции и возможности.

презентация , добавлен 30.03.2014


Факторы, влияющие на жизнедеятельность человека в полёте. Работоспособность авиационных систем охлаждения по высоте и скорости полета. Конструкция и принцип работы турбохолодильника. Система охлаждения аппаратуры средних и заднего технических отсеков.