Высокая частота вращения приводит к возникновению в роторе больших механических напряжений из-за действия центробежных сил. Для получения необходимой прочности ротор изготавливают массивным цилиндрическим из цельной стальной поковки. В качестве материала для роторов турбогенераторов относительно небольшой мощности с воздушным охлаждением используют углеродистую кованную сталь марки 35. Рогоры крупных турбогенераторов изготавливают из высоколегированной стали марок: ОХНЗМ, ОХН4МАР, 35ХНМ, 35ХНЗМА 35ХН4МА. 35ХН1МФА, 36ХНМА. 36ХНЗМФА, 36ХН1Н. на электромашиностроительном заводе из заготовки вытачивают все ступени ротора с припуском до чистоты, необходимой для проведения ультразвуковой дефектоскопии. По отражению звуковой волны удается обнаруживать дефекты размером более 3 мм на большой глубине. После чистовой обработки в роторе фрезеруют пазы под обмотку, токоподводы и для вентиляции (рис. 1). Пазы под обмотку возбуждения занимают примерно 2/3окружности бочки ротора. Оставшаяся свободной третья часть, образует два диаметрально расположенных больших зубца, через которые проходит главная часть магнитного потока генератора. В турбогенераторах российского производства используют четыре формы пазов (рис. 2), Глубина пазов определяется допустимой толщиной основания зубца, где возникают наибольшие растягивающие напряжения при вращении ротора.

В генераторах с форсированным охлаждением ротора на зубцах фрезеруют скосы для улучшения входа газа иззазора в отверстия пазовых клиньев (рис. 3).

При косвенном охлаждении обмотки возбуждения на поверхно­сти ротора прорезают поперечные винтовые канавки небольшой глубины. Такое рифление бочки уменьшает поверхностные потери и увеличивает наружную поверхность, что приводит к улучшению охлаждения ротора. Температура обмотки ротора снижается в результате на 7--10 0 С.

Для выхода газа, охлаждающего лобовые части обмотки ротора, в больших зубцах прорезают по два вентиляционных паза такой же ширины, как и пазы для обмотки, но меньшей глубины. Вентиляционные пазы служат такжедля более эффективного охлаждения бочки ротора.

В роторах машин небольшой мощности для токоподвода обмотки возбуждения на валу со стороны возбудителя фрезеруют два диаметрально расположенных паза. В турбогенераторах, имеющих контактные кольца, вынесенные за подшипник, для токоподвода используют центральное отверстие ротора. Пазы токоподвода соединяют двумя отверстиями с центральным отверстием, которое дополнительно растачивают для укладки стержней токоподвода. Радиальные отверстия сверлят и в месте установки контактных колец.

В больших зубьях роторов с форсированным охлаждением об мотки вдоль первых обмоточных пазов сверлят два ряда отверстий для размещения балансировочных грузов. В турбогенераторах с поверхностным охлаждением ротора отверстия для балансировочных грузов сверлят в пазовых клиньях.

Для крепления центрирующего кольца и вентилятора на каждом хвостовике ротора обрабатывают посадочные площадки. Все кромки и углы пазов и зубцов ротора выполняют с закруглениями для устранения концентрации напряжений в этих местах. С аналогичной целью ступени ротора с различным диаметром имеют переходный радиус.

Участок вала, опирающийся на подшипник, называют цапфой. Размеры цапфы выбирают из соображений механической прочности самого вала и режима работы подшипника. Обрабатывают цапфы вала на полностью собранном роторе.

1.2. Конструкция обмотки ротора

Обмотка возбуждения двухполюсного турбогенератора состоит со ответственно из двух групп катушек, укладываемых в пазы ротора. Катушки, принадлежащие одной группе, располагаются концентрически на одном полюсном делении ротора относительно его большого зуба (рис. 4). Таким образом, обмотка возбуждения турбогенератора является распределенной, благодаря чему достигается близкая к синусоидальной форма МДС ротора. Число катушек в группе может составлять 7-10, а число витков в катушке 5-28. Рассмат- риваемые далее особенности конструкции обмоток возбуждения во многом определяются используемой системой охлаждения.

Ротор с поверхностным охлаждением. Каждую катушку обмотки возбуждения наматывают непрерывно из сплошного провода. На мотку производят на ребро, Для машин небольшой мощности используют проводник из чистой электролитической меди, а для более мощных генераторов - проводник из меди с присадкой серебра, который обладает значительно более высокой прочностью. Это объясняется тем, что витки обмотки возбуждения с течением времени укорачиваются. Укорочение может достигать 30-40 мм и является следствием одновременного действия термических напряжений н центробежных сил при пусках машины. При недостаточной механической прочности укорочение витков может привести к разрушению изоляции или меди обмотки возбуждения. Из-за намотки провода на ребро в углах изгиба происходит утолщение меди по внутреннему радиусу проводника. Общее увеличение высоты катушки состав- ляет несколько сантиметров. Поэтому утолщение каждого витка устраняют опиловкой или обжатием на специальном прессе.

Соединяют катушки между собой последовательно. Соединение выполняют по такой схеме; верхний виток одной катушки - с верх ним витком следующей, соответственно нижний виток - с нижним витком. При такой схеме четные катушки должны иметь правую намотку, а нечетные - левую. Специальных перемычек между катушками не требуется, так как их витки спаивают встык под углом 45° к оси проводника. Соединение между группами катушек выполняют обычно по верхним виткам, что возможно только при чет ном числе катушек на полюс. Выводные концы обмотки возбуждения изготавливают гибкими из набора медных шин толщиной 0,3 0,5 мм, которые крепят я пазах вала стальными клиньями.

Электрическая прочность корпусной изоляции обмотки возбуждения определяется максимальным испытательным напряжением, которое, в своё очередь, зависит от величин перенапряжении, возникающих в обмотке при аварийном разрыве цепи возбуждения. С другой стороны толщина корпусной изоляции ограничена допустимым температурным перепадом, который не должен быть выше 25-30°С. С учетом этих двух противоположных факторов толщину гильзы выбирают в пределах 1-1,2 мм.

Начиная с мощности 500 МВт и выше турбогенераторы серии ТВВ имеют трапецеидальный паз ротора. Сечение обмотки возбуждения при этом увеличивается до 30%. Однако это достигается за счет усложнения фрезерования пазов и выполнения катушек с витками различной ширины. Поперечный разрез паза генератора ТВВ-500-2 показан на рис. 5 , а. Прямолинейная пазовая часть катушки с трапецеидальным сечением выходит на 30 мм с каждой стороны из бочки ротора. Лобовые части катушек имеют уже прямоугольное сечение (рис. 5, б) с внутренними продольными каналами для охлаждения. На выходе из бочки ротора пазовая изоляция имеет дополнительные манжеты из стеклотекстолита. Пазы в этих местах несколько расширены.

Крепление лобовых частей обмотки возбуждения генераторов серии ТВВ показано на рис. 5,в. В аксиальном и тангенциальном направлениях катушки плотно закреплены специальными клиньями. Между кольцом и обмоткой установлены изоляционные сегменты. Компенсирующие устройства позволяют обмотке удлиняться при ее нагревании.

2.Пазовые клинья и демпферная система ротора

Клинья крепят в пазах ротора обмотку возбуждения и совместно с зубцами образуют демпферную систему ротора. При работе турбо генератора высшие пространственные гармоники поля статора индуцируют в бочке ротора вихревые токи, вызывающие дополнительные потери. При несимметричных режимах вихревые токи могут явиться причиной местных перегревов и снижения прочности бочки ротора. Демпферная система разгружает ротор от протекания вихревых токов и ослабляет магнитные поля, приводящие к их возник- никновению. Следовательно, клинья должны быть изготовлены из материала не только с высокой механической прочностью, но и хорошей электропроводностью. Клинья должны быть немагнитными, чтобы не увеличивать поле рассеяния обмотки возбуждения, Основные характеристики металлов, применяемых для изготовления клиньев, приведены в табл.1, а формы пазовых клиньев показаны на рис. 6.

Таблица 1

Механические свойства металла клиньев

В турбогенераторах небольшой мощности применялись составные по ширине паза клинья из магнитного (сталь) и немагнитного (бронза) материалов. Такая конструкция клина использовалась для улучшения формы кривой индукции в зазоре. В настоящее время составные клинья не применяются, а магнитные клинья устанавливают только в пазах, расположенных по обе стороны большого зуба.

В большинстве случаев пазовые клинья изготавливают из дюралюминия марки Д16Т, применение которого позволяет снизить напряжения от центробежных сил в бочке ротора и зубцах благодаря небольшой плотности. Длина клина составляет 300-350 мм. Стыки между клиньями выполняют с зазором в 1 -1,5 мм. Стыки совмещают с кольцевыми выточками на бочке ротора. Это предот- вращает концентрацию напряжении в зубцах в местах стыков. Клинья устанавливают в пазу плотно, чтобы они не смогли впоследствии сдвинуться и перекрыть в турбогенераторах с форсированным охлаждением вентиляционные каналы в обмотке, а также чтобы получить хороший электрический контакт с бочкой ротора. Плотность установки создается только по поверхности заплечиков клиньев, являющихся их опорной частью.

В генераторах типа ТВВ для повышения устойчивости роторов к нагревам, обусловленным токами, проходящими по поверхности бочки, клиньям и бандажам при не симметричных режимах, в торцевой зоне ротора устанавливают медные сегменты с посеребренной поверхностью. Сегменты имеют вид гребенки, зубья которой входят под концевые клинья пазов с обмоткой н специальных пазов в больших зубцах. Сегменты укладывают в два слоя с перекрытием стыков .

3. Бандаж ротора

Условия работы бандажа . Бандажный узел ротора предназначен для крепления лобовых частей обмотки возбуждения. Он состоит из бандажного кольца, центрирующего (или упорного) кольца н деталей их крепления. Основной деталью узла является бандажное кольцо, которое воспринимает действие центробежных сил и удерживает лобовые части об мотки возбуждения от отгиба а радиальном направлении. Центрирующее кольцо воспринимает усилия от теплового расширения обмотки, а также обеспечивает сохранение цилиндрической формы бандажного кольца и центровку его относительно оси вала. В тех конструкциях узла, в которых центрирующее кольцо не имеет посадки на вал ротора, оно называется упорным кольцом.

Бандажное кольцо является наиболее нагруженной деталью турбогенератора. Прочное крепление его может быть осуществлено только горячей посадкой с натягом. Значение натяга определяется расчетным путем, Натяг должен создавать плотное соединение кольца не только при номинальной частоте вращения, но и при угонной - 3600 об/мин (при эксплуатации турбогенератора в случае внезапного сброса нагрузки частота вращения ротора может увеличиться на 20%).

Масса лобовых частей обмотки ротора распределена неравно мерно относительно продольной и поперечной осей ротора, отчего в кольце кроме растягивающих усилий возникают изгибающие моменты, стремящиеся придать бандажному кольцу овальную форму. Собственная масса кольца при вращении также создает центробежные усилия, составляющие до 70% всей нагрузки на кольцо. Токи в бочке ротора от обратно синхронных полей статора могут замыкаться через бандажное кольцо (рис. 7), в результате посадочные контактные поверхности, а также контактные поверхности между клиньями и зубцами могут сильно нагреваться, вплоть до подгара и выплавления металла. Знакопеременные усилия и вибрация ротора с течением времени ослабляют посадку, вследствие чего бандажное кольцо может сползти c места посадки.

4.Уплотнение вала

Назначение и принцип работы . Утечка водорода через кольцевой зазор между валом ротора и торцевыми щитами в окружающее пространство предотвращается специальным уплотнением. Уплотнения вала бывают двух типов: торцевые н цилиндрические (кольцевые). Принцип их работы основан на создании встречного потока масла в узком зазоре между валом н неподвижным вкладышем уплотнения (рис. 8), запирающим выход водорода из корпуса статора. Превышение давления масла над давлением водорода составляет 0,05-0,09 МПа. Вкладыш уплотнения покрыт слоем баббита, В баббите сделана клиновидная разделка, благодаря которой, как и в подшипнике, создается масляный клин между валом и вкладышем. При номинальной частоте вращения в масляном слое развивается гидродинамическое усилие, которое вместе с гидростатическим усилием, создаваемым насосами маслоснабжения, отжимает вкладыш от вала.

В цилиндрических уплотнениях в качестве прижимающей силы используется только сила тяжести самого вкладыша. В уплотнениях торцевого типа прижимающее усилие может создаваться давлениями водорода, масла, пружинами. Равновесие между прижимающим и отжимающим усилиями наступает при номинальной частоте вращения при толщине масляного слоя 0,07-0,15 мм, обеспечивающей чисто жидкостное трение.

Масло в уплотнении растекается как в сторону водорода, так и в строну воздуха. Масло, текущее в сторону водорода, отдает не которое количество содержащегося в нем воздуха, и, наоборот, поглощает водород. Уплотнения торцевого типа позволяют получить относительно малые утечки водорода из генератора, что имеет важное значение при повышенном давлении газа. Загрязнение маславодородом и воздухом также весьма незначительно из-за малых зазоров между валом и вкладышем. Однако монтаж торцевых уплотнений сложен, они чувствительны к тепловым расширениям вала и не допускают перерыва в снабжении маслом. В последнем случае возникает полусухое трение, которое приводит к выплавлению баббита и повреждению поверхности вала. Восстановление масло снабжения, как правило, уже не позволяет возобновить нормальную работу уплотнения, т. е. неизбежна аварийная остановка генератора.

Самым основным предназначением данного агрегата является преобразование энергии механического типа, получаемой вследствие вращения турбины (газовой или паровой), в электрическую. Данное преобразование является результатом вращения магнитного поля самого ротора в статоре. Возникает это поле из-за установленного на роторе магнита или тока постоянного напряжения. Это способствует возникновению тока в обмотках статора, а также переменного трёхфазного напряжения. Они прямо пропорциональны этому полю.

Принцип действия турбогенератора основан на выработке электрической энергии в довольно длительном номинальном режиме функционирования. При этом данные агрегаты соединены с паровыми либо же газовыми турбинами. Применяются турбогенераторы на атомных и тепловых электростанциях. В зависимости от мощности данного оборудования, его разделяют на три основные категории:

• 2,5 - 32 МВт;
• 60 - 320 МВт;
• мощность турбогенераторов более чем 500 МВт.

Что касается частоты вращения, то турбогенераторы бывают:

• двухполюсные с частотой вращения от 1500 до 1800 оборотов в минуту;
• четырёхполюсные (300 - 3600 об/мин).

В устройство турбогенератора входит цилиндрический ротор, который монтируется на 2-х специальных подшипниках скольжения, и двухслойные обмотки статора. В зависимости от того, какая применяется система возбуждения, эти агрегаты могут быть с независимым и статическим самовозбуждением, а также бесщёточными.

В зависимости от электрической мощности и самих технических задач энергоснабжения, различают следующие типы турбогенераторов с различными системами охлаждения:

• масляные;
• воздушные;
• водородные;
• асинхронные;
• комбинированные водородно-водяные.

Последний тип данных устройств чаще всего используют для работы на АЭС. Асинхронные же турбогенераторы нашли своё применение в энергетических системах с высокими колебаниями нагрузки и составе мощных ТЭЦ. Агрегаты масляным и воздушным охлаждением применяют для работы на тепловых электростанциях (ТЭС), обладающих различной мощностью.

Срок службы турбогенераторов зависит от условий его эксплуатации. Также, на него влияет нагрев основных узлов (ротора, обмоток и сердечника статора) и охлаждающая среда. Кроме этого следует помнить и знать, что продолжительное превышение напряжения на трансформаторах, ограничителях напряжения, шунтирующих реакторах больше допустимого приводит к существенному снижению срока эксплуатации данного агрегата и росту аварийности.

Конструкция турбогенератора

Сюда входит два самых главных компонента - статор и ротор. Каждый из них обладает наличием множества элементов и систем. Ротор представляет собой вращающееся устройство турбогенератора. На него оказывают воздействие электромагнитные, механические и термические нагрузки. Статор же установлен стационарно. Но на него также влияют различные динамические нагрузки (высоковольтные, крутящие, вибрационные и др.).

Сердечник самого турбогенератора собирают из высоколегированной листовой горячекатаной стали. Если же его мощность превышает 100 МВт, то используется холоднокатаная сталь. Её листы расположены таким образом, чтобы направление, в котором движется магнитный поток в спинке самого сердечника, совпадало с направлением прокатки стали. Из этих листов набираются специальные пакеты, из которых уже формируются элементы сердечника. Все имеющиеся вентиляционные каналы между этими пакетами изготавливаются при помощи распорок из стали немагнитного типа.

Обмотки статора делают двухслойными и стойкими к коррозии. В каждый имеющийся паз вставляются два стержня, которые относятся к двум различным секциям. В самих обмотках применяется непрерывная изоляция. Статор турбогенератора включает в себя сам несущий корпус, в который устанавливается сердечник, и рёбра, жёстко связанные с опорными рамами. Между этими двумя элементами устанавливаются упругие детали. Изготавливаются они в виде прямоугольных эластичных призм. Между опорными площадками присутствуют сквозные овальные отверстия.

Паровая турбина турбогенератора

Это один из видов тепловых двигателей ротативного типа, который применяет энергию водяного пара. В ней происходит двукратное преобразование тепловой энергии пара в механическую работу. По сравнению с поршневой машиной, паровая турбина является на много удобней в использовании, экономичной и компактной.

При истечении самого пара сквозь сопла, его потенциальная энергия трансформируется в кинетическую, передаваемую непосредственно на сами лопатки. Комплект рабочих лопаток и неподвижных насадок называют ступенью турбины, которая может быть реактивной и активной.

Принцип действия данного устройства заключается в следующем. Через паропровод перегретый пар от котла подводится непосредственно к самой паровой турбине турбогенератора. Именно тут большая доля его тепловой энергии преобразуется в механическую работу. Затем этот отработанный с довольно сильно низким уровнем температуры и давления направляется в конденсатор. Тут присутствует система трубок, по которым постоянно прокачивается охлажденная вода. После соприкосновения с холодной поверхностью пар конденсируется, превращаясь в воду. Этот образовавшийся конденсат откачивается насосом и подаётся в сборный бак через специально предназначенный подогреватель и затем в паровой котёл. Отсюда можно сделать вывод, что в паровой турбине вода, пар и конденсат образуют замкнутый цикл. Потеря пара и воды совсем незначительная, но она компенсируется при помощи добавления в саму систему сырой воды, проходящую заранее через очиститель воды. Ту т она подвергается специальной химической обработке, чтобы удалить все нежелательные примеси.

КПД турбогенератора

Величина данного параметра определяется самим заводом-изготовителем, а именно конструкцией и числом применённых активных материалов. Но стоит помнить, что только лишь обслуживающий персонал при нормальной работе турбогенератора способен увеличить коэффициент полезного действия путём минимизирования определённых потерь.

КПД данного агрегата равен отношению выдаваемой полезной мощности к той мощности, которая подводится к турбогенератору от турбины. Этот показатель зависит от нагрузки, которую несёт само устройство. Для многих турбогенераторов максимальное значение данного коэффициента находится непосредственно в самой нагрузке, составляющей порядка 80-90% от номинальной. Это соответствует вполне нормальной работы турбины в экономичном режиме.

Выставка «Электро»

Данное международное мероприятие является самым масштабным не только в России, но и в странах СНГ. Тут будет осуществлён показ электрооборудования для энергетики, автоматизации, светотехники и электротехники.

Каждый посетитель выставки «Электро» в ЦВК «Экспоцентр» сможет увидеть самые актуальные и инновационные разработки в данной отрасли, начиная генерацией энергии и завершая её потреблением.

Здесь вы сможете более детально узнать о том, что такое турбогенератор, его назначение, типы, устройство и принцип работы. На данной выставке ежегодно уже 25 лет собираются ведущие специалисты и представители крупнейших производств со всего мира, чтобы обсудить самые актуальные вопросы и узнать много интересного в данной отрасли.

Введение

1. Технические данные

2. Устройство и работа генератора

3. Указания по технике безопасности

Заключение

Список литературы

Введение

Турбогенераторы (ТГ) представляют собой основной вид генерирующего оборудования, обеспечивающего свыше 80% общего мирового объема выработки электроэнергии. Одновременно ТГ являются и наиболее сложным типом электрических машин, в которых тесно сочетаются проблемы мощности, габаритов, электромагнитных характеристик, нагрева, охлаждения, статической и динамической прочности элементов конструкции. Обеспечение максимальной эксплуатационной надежности и экономичности ТГ является центральной научно-технической проблемой.

В отечественном турбогенераторостроении огромный вклад в развитие теории, разработку вопросов расчета, проектирования и эксплуатации ТГ внесли многие ученые, исследователи, конструкторы, среди которых в первую очередь следует отметить Алексеева А.Е., Лютера Р.А., Костенко М.П., Одинга А.И., Бергера А.Я., Комара Е.Г., Ефремова Д.В., Иванова Н.П., Глебова И.А., Казовского Е.Я., Еремина М.Я., Вольдека А.И., Жерве Г.К., Важнова А.И. Среди зарубежных специалистов следует отметить Видемана Е., Келленбергера В., Шуйского В.П., Готтера Г.

Вместе с тем, несмотря на огромное количество работ, выполненных за прошедшие десятилетия, вопросы дальнейшего развития теории, разработки более совершенных технологий и конструкций ТГ, методов расчета и исследований не теряют своей актуальности.

Турбогенератор - неявнополюсный синхронный генератор, основная функция которого состоит в конвертации механической энергии в работе от паровой или газовой турбины в электрическую при высоких скоростях вращения ротора (3000,1500об/мин). Механическая энергия от турбины конвертируется в электрическую при помощи вращающегося магнитного поля, которое создается током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, что в свою очередь приводит к возникновению трехфазного переменного тока и напряжения в обмотках статора. В зависимости от систем охлаждения турбогенераторы подразделяются на несколько видов: генераторы с воздушным охлаждением, генераторы с водородным охлаждением и генераторы с водяным охлаждением. Также существуют комбинированные типы, например, генератор с водородно-водяным охлаждением (ТВВ). Турбогенератор ТВВ-320-2 предназначен для выработки электрической энергии на тепловой электростанции при непосредственном соединении с паровой турбиной К-300-240 Ленинградского металлического завода или Т-250-240 Уральского турбомоторного завода.

1. Технические данные

Номинальные параметры генератора при номинальном давлении и температуре охлаждающих сред даны в табл. 1.

Основные параметры охлаждающих сред

Водород в корпусе статора

Дистиллят в обмотке статора

Техническая вода в газоохладителях

Техническая вода в теплообменниках обмотки статора

Избыточное давление технической воды должно быть не больше избыточного давления дистиллята в обмотке.

Допустимое отклонение определяется температурой дистиллята.

Наибольшая допустимая температура отдельных узлов генератора и охлаждающих сред. Изоляция обмоток генератора класса "B".

Наибольшая допустимая температура отдельных узлов генератора и охлаждающих сред указана в табл. 2.

*Допускается превышение температуры обмотки ротора над температурой холодного водорода не более чем на 75.

Допустимая температура по температурам сопротивления, заложенным под клинья статорной обмотки, не должна превышать 75 между показаниями наиболее и наименее нагретого термометров сопротивления не должна превышать 20 могут быть уточнены по согласованию с предприятием-изготовителем для каждой конкретной машины после проведения тепловых испытаний.

Дополнительные технические данные

2. Устройство и работа генератора

Общая функциональная схема работы

Генератор выполнен с непосредственным охлаждением обмотки статора дистиллированной водой (дистиллятом), а обмотки ротора и сердечника статора – водородом, заключенным внутри газонепроницаемого корпуса.

Дистиллят в обмотке статора циркулирует под напором насосов и охлаждается теплообменниками, расположенными вне генератора.

Охлаждающий водород циркулирует в генераторе под действием вентиляторов, установленных на валу ротора, и охлаждается газоохладителями, встроенными в концевые части корпуса генератора.

Циркуляция воды в газоохладителях и теплообменниках осуществляется насосами, расположенными вне генератора.

Маслоснабжение опорных подшипников и уплотнений вала производится от масляной системы турбины.

Для аварийного снабжения маслом опорных подшипников и уплотнений вала на выбеге агрегата предусмотрены резервные баки, установленные вне генератора.

Генератор возбуждается от высокочастотного индукторного генератора через полупроводниковые выпрямители.

Корпус статора и фундаментные плиты

Сварной газонепроницаемый корпус статора состоит из средней части, несущей сердечник с обмоткой, и двух концевых частей.

В концевых частях располагаются лобовые части обмотки и газоохладители.

В концевой части со стороны возбудителя установлены концевые выводы обмотки - вверху нулевые, а внизу линейные.

Механическая прочность корпуса достаточна, чтобы статор мог выдержать без остаточных деформаций внутреннее давление в случае взрыва водорода.

Наружные щиты статора непосредственно объединены с внутренними щитами, к которым прикреплены щиты вентилятора.

Половины щитов вентиляторов изолированы от внутренних щитов и между собой.

Разъемы щитов расположены в горизонтальной плоскости.

В щитах и в бочке ротора предусмотрены специальные каналы, по которым охлаждающий газ попадает в лобовые части обмотки ротора.

Газоплотность соединений соединения плоскостей корпуса и наружных щитов обеспечивается резиновым шнуром, приклеенным по дну канавок, выфрезерованных в наружных щитах.

Чтобы приникнуть внутрь корпуса, не разбирая наружных щитов, в нижней его части предусмотрен люк.

До установки генератора на фундамент статор опирается на транспортные лапы, приваренные к корпусу.

Статор устанавливается на фундамент посредством рым- лап, которые при транспортировании снимаются.

Основанием для генератора и возбудителя служат фундаментные плиты, выполненные из стальных листов. Они устанавливаются во время монтажа на закладные плиты и постоянные подкладки и подливаются бетоном.

Для крепления генератора к фундаменту используются фундаментные шпильки.

Основанием для подшипника генератора является фундаментная плита коробчатого типа.

Газоохладители

Выделяющееся в генераторе тепло отводится четырьмя вертикальными охладителями.

Каждый охладитель состоит из биметаллических, латунно-алюминиевых трубок с прокатанными алюминиевыми ребрами.

Трубки завальцованы с обеих сторон в трубные доски, к которым приболчены камеры, уплотненные резиной и связанные между собою рамами.

Охладители вставляются в статор сверху и верхними трубными досками опираются на концевые части статора.

Нижние камеры по отношению к корпусу статора уплотнены резиной таким образом, что обеспечивается свободное тепловое расширение охладителей в вертикальном направлении.

Съемные крышки водяных камер позволяют производить чистку трубок и контроль за их состоянием, не нарушая герметичности корпуса статора.

Напорные и сливные трубы присоединены к нижним крышкам.

Для выпуска воздуха из верхних камер охладителей предусмотрены контрольные дренажные трубки.

Каждая трубка, пропущенная через одну из охлаждающих трубок и нижнюю камеру, заканчивается фланцем, приваренным к камере.

К фланцам присоединяются отводящие трубки с кранами, которые во время работы генератора должны быть постоянно открыты с минимальным сливом воды в дренаж.

Сердечник статора

Сердечник статора собран на клиньях из сегментов электротехнической стали толщиной 0.5 мм и вдоль оси разделён вентиляционными каналами на пакеты.

Поверхность сегментов покрыта изоляционным лаком.

Клинья сердечника статора приварены к поперечным кольцам корпуса.

Спрессованный сердечник статора стягивается нажимными кольцами из немагнитной стали. Зубцовая зона крайних пакетов уплотнена нажимными пальцами из не магнитной стали, установленными между сердечником и нажимными кольцами.

Для демпфирования электромагнитных потоков рассеяния лобовых частей обмотки статора под нажимными кольцами установлены медные экраны.

Для уменьшения передачи на корпус и фундамент стопериодных колебаний сердечника в клиньях статора выполнены продольные прорези, что создаёт упругую связь сердечника статора с корпусом.

Обмотка статора

Обмотка статора-трехфазная, двухслойная, с укороченным шагом, стержневая, с транспозицией элементарных проводников. Лобовые части обмотки-корзиночного типа. Стержни обмотки сплетены из сплошных и полых элементарных изолированных проводников и в пазах сердечника закрепляются специальными клиньями.

Для охлаждения обмотки по полым проводникам проходит дистиллированная вода.

На концах стержней припаяны наконечники для подвода воды к полым проводникам. Наконечники припаяны к стержням твёрдым припоем типа П Ср. Электрическое соединение стержней осуществляется медным хомутом и клиньями с пайкой мягким припоем типа ПОС.

Начала и концы обмотки выведены наружу через концевые выводы. Обозначение линейных и нулевых концевых выводов указано на монтажном чертеже, входящем в комплект эксплуатационной документации.

Для подвода и слива охлаждающей воды из обмотки статора имеются кольцевые коллекторы, установленные на изоляторах. Соединение коллекторов со стержнями обмотки осуществляется водосоединительными трубками из изоляционного материала. Охлаждающая вода в обмотке проходит по двум стержням, шинам и выводам, соединенным последовательно. Для контроля заполнения коллекторов водой и для выпуска из них воздуха в верхних точках коллекторов установлены дренажные трубки, выведенные из корпуса статора наружу.

В период эксплуатации дренажные трубки должны быть открыты с минимальным сливом для непрерывного удаления воздуха из системы охлаждения обмотки статора. Контроль проходимости дистиллята в стержнях обмотки статора осуществляется измерением температуры термосопротивлениями, заложенными под клинья в каждом пазу сердечника статора.

Ротор изготовлен из цельной поковки специальной стали, обеспечивающей его механическую прочность при всех режимах работы генератора.

Обмотка ротора выполнена из полосовой меди с присадкой серебра. Её охлаждение осуществляется непосредственно водородом по схеме самовентиляции с забором газа из зазора машины.

Дюралюминиевые клинья, удерживающие обмотку в пазах, имеют заборные и выходные отверстия для охлаждающего газа, совпадающие с боковыми каналами, выфрезерованными в катушках.

Пазовая и витковая изоляции катушек выполнены из прессованного стеклополотна на теплостойком лаке. Контактные кольца, насаженные в горячем состоянии на промежуточную, изолированную от них втулку, установлены за подшипником со стороны возбудителя.

Стержни токоподвода, расположенные в центральном отверстии ротора, соединяются с обмоткой и контактными кольцами с помощью изолированных гибких шин и специальных изолированных болтов, которые для обеспечения газоплотности ротора имеют уплотнения сальникового типа.

Роторные бандажи, выполненные из специальной немагнитной стали, имеют горячепрессовую посадку на центрирующую заточку бочки ротора.

От осевых перемещений бандажное кольцо удерживается кольцевой шпонкой и гайкой, навинченной на носик бандажа с наружной стороны.

Для повышения термической стойкости ротора против воздействия токов обратной последовательности, замыкающихся по торцам бочки ротора, поверх изоляции лобовых частей обмотки уложены внахлёст короткозамыкающие кольца в виде двухслойных медных гребёнок. Зубья гребёнок располагаются под клинья в пазах с обмоткой и в специальных пазах, выфрезерованных в больших зубцах бочки.

Лобовые части обмотки ротора изолированы от бандажей и центрирующих колец изоляционными сегментами.

Опорные подшипники

Опорный подшипник генератора, установленный со стороны возбудителя, является подшипником стоякового типа и имеет шаровой самоустанавливающийся вкладыш.

Смазка подшипника-принудительная. Масло подаётся под избыточным давлением из напорного маслопровода турбины.

В конструкции подшипника предусмотрен дистанционный контроль температуры баббита вкладыша и сливного масла с помощью термометров сопротивления. Визуальный контроль слива масла производится через стекло в патрубке.

На удлинённой части основания стояка подшипника установлена щеточная траверса, которая служит для подвода тока возбуждения к контактным кольцам ротора.

Для устранения подшипниковых токов предусмотрена изоляция этого подшипника от фундамента и от всех маслопроводов.

На стойке каркаса траверсы предусмотрена установка изолированной от корпуса щётки, которая используется при измерении сопротивления изоляции обмотки ротора и для введения защиты от двойного замыкания обмотки ротора на корпус.

Опорный подшипник генератора со стороны турбины поставляется турбинным заводом.

Уплотнения вала

Для предотвращения выхода водорода из статора на наружных щитах генератора установлены двухкамерные масляные уплотнения вала торцевого типа. В уплотнениях этого типа вкладыш с баббитовой заливкой постоянно прижимается к упорному кольцу вала ротора давлением прижимного масла и следует за всеми перемещениями ротора вдоль оси.

Уплотняющее масло под давлением, превышающим давление газа в генераторе, подаётся в напорную камеру и оттуда через отверстия во вкладыше поступает в кольцевую канавку, проточенную в баббитовой заливке вкладыша. Затем масло заполняет радиальные канавки и клиновые скосы и растекаясь в обе стороны от кольцевой канавки, образует при вращении сплошную пленку, которая препятствует утечке газа из корпуса генератора.

Камеры уплотняющего и прижимного масла, образованные между корпусом и вкладышем, уплотнены резиновыми шнурами, помещенными в кольцевые канавки на поверхности вкладыша.

Для защиты внутренней полости статора от попадания масла предусмотрены маслоуловители, установленные на наружных щитах между уплотнением вала и внутренней полостью статора, и дополнительные камеры в вентиляторных щитах.

Для устранения подшипниковых токов корпус уплотнения и маслоуловитель со стороны возбудителя изолированы от наружного щита и маслопроводов.

Необходимое давление уплотняющего и прижимного масла обеспечивается регуляторами, входящими в систему маслоснабжения.

Вентиляция

Вентиляция генератора осуществлена по замкнутому циклу. Газ охлаждается газоохладителями, встроенными в корпус статора. Необходимый напор газа создаётся двумя вентиляторами, установленными на валу ротора.

3. Указания по технике безопасности

На электростанциях, оборудованных генераторами с водородным охлаждением, руководствоваться ведомственными правилами по технике безопасности.

При работе генератора с водородным охлаждением в какой-то степени происходить утечка водорода в атмосферу. Образовавшаяся газовая смесь может загореться, а при содержании в ней пяти и более процентов водорода- взорваться.

Чтобы исключить возможность пожаров и взрывов во время монтажа, при подготовке к работе и в эксплуатации, принять меры к тому, чтобы поблизости от генератора не было невентилируемых объемов, куда может проникать водород.

При осуществлении вентиляции этих объёмов исключить возможность попадания водорода на узлы агрегата, работающего с искрением или имеющего высокую температуру.

Допуск обслуживающего персонала в корпус генератора производить после того, как из него полностью вытеснен углекислый газ и проведен химический анализ воздуха.

Заключение

В настоящее время электроэнергия в основном вырабатывается на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях. Из них преимущественное развитие получили тепловые электростанции, что объясняется следующим. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, значительно ниже стоимости электроэнергии, вырабатываемой тепловыми станциями. Однако по размерам капиталовложений гидроэлектростанции в несколько раз дороже тепловых и сооружаются они более длительное время. Поэтому наращивание мощностей для покрытия всё возрастающих потребностей в электроэнергии более целесообразно за счет строительства тепловых электростанций. В этом случае, вместе с более быстрым ростом энерговооружаемости ускоряется рост производительности труда во всех народного хозяйства, что оказывает дополнительное влияние на сокращение сроков окупаемости производимых затрат.генератор котельный циркуляция маслоснабжение

Изложенное подтверждает актуальность установки на котельных турбогенераторов, главным образом, как для покрытия собственных нужд котельных, так и отдачи внешним потребителям электроэнергии.

Список литературы

1. Браймайстер Л.Г., Поздняков Б.И., Теймуразян Ю.В. и др. "Руководство по капитальному ремонту турбогенератора ТВВ-320-2", Москва: СПО ОРГРЭС, 1976 г.

2. Федоров В.А., Смирнов В.М. "Опыт разработки, строительства и ввода в эксплуатацию малых электростанций", Москва: Теплоэнергетика, №1, 2000 г.

3. Кореннов Б.Е. "Замена РОУ противодавленческой турбиной – эффективное энергосберегающее предприятие для котельных и ТЭЦ", Москва: Промышленная энергетика, №7, 1997 г.

4. Бушуев В.В., Громов Б.Н., Доброхотов В.И. и др. "Научно-технические и организационно-экономические проблемы внедрения энергосберегающих технологий", Москва: Теплоэнергетика, №11, 1997 г.

5. Хрилев Л.С. "Основные направления развития теплофикации", Москва: Теплоэнергетика, №4, 1998 г.

6. Доброхотов В.И. "Энергосбережение: проблемы и решения", Москва: Теплоэнергетика, №1, 2000 г.

И паровой или газовой турбины, выполняющей роль привода. Термин "турбогенератор" намеренно включён в название ГОСТ 533, чтобы отличать данные типы генераторов от генераторов вертикального исполнения, используемых в паре с гидротурбинами ГОСТ 5616 (использование терминов "турбогенератор" и "гидрогенератор" для описания отдельно взятых электрических генераторов является неправильным). В случае электростанций применяется термин турбоагрегат .

Основная функция в преобразовании внутренней энергии рабочего тела в электрическую, посредством вращения паровой или газовой турбины . Скорость вращения ротора определяется по параметрам используемого генератора, от десятков тысяч оборотов в минуту (для синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов "НПК "Энергодвижение") до 3000, 1500 об/мин (у синхронных генераторов с возбуждением обмоток 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 генераторов с внешним возбуждением напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель - небольшой генератор на валу основного генератора. В составе турбогенераторов применяются генераторы, имеющие 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 технологических требований. Для охлаждения таких генераторов используются следующие способы охлаждения обмоток: жидкостное - через рубашку статора; жидкостное - с непосредственным охлаждением обмоток; воздушное; водородное (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.

Также были разработаны сверхмощные турбогенераторы КГТ-20 и КГТ-1000 на основе сверхпроводимости .

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.

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.