Особенности конструкции турбогенератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

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-60 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» являются:

· 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. Кироваотгружает 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.

Наилучшей 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:

2,5ч32 МВт;

60ч320 МВт;

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