Электорогенераторы

 

Сущность изобретения  поясняется чертежом, на котором представлено сечение турбогенератора.

 

Турбогенератор содержит корпус статора (1), статор (2), ротор (3), передний (4) и задний (5) торцевые щиты, непроницаемую  для газа перегородку (6), два коллектора для подвода газа (7, 8) и два  коллектора для отвода газа (9, 10). Отличительной  особенностью конструкции является то, что непроницаемая для газа перегородка (6) внутри корпуса статора (1) установлена параллельно оси  вала, конструктивными элементами системы  охлаждения являются аксиальные каналы сердечника статора (11), каналы между  корпусом и внешней поверхностью сердечника статора (12) и дополнительный коллектор для отвода газа (10), коллекторы для отвода газа (9, 10) установлены  один на переднем (4) торцевом щите, другой на заднем (5) торцевом щите, а коллекторы для подвода газа (7, 8) установлены  на корпусе статора (1), один со стороны  заднего (5), а другой со стороны переднего (4) торцевого щита.

 

Турбогенератор охлаждается  следующим образом: предлагаемая конструкция  позволяет разделить объем охлаждающего газа на две части и направить  образованные потоки в противоположном  направлении. Один поток газа через  коллектор для подвода газа (7) со стороны переднего (4) торцевого щита проходит через аксиальные каналы сердечника статора (11) и через каналы между корпусом и внешней поверхностью сердечника статора (12), затем охлаждает лобовые части обмотки статора (2) и покидает внутреннее пространство корпуса статора (1) через коллектор для отвода газа (10), расположенный на заднем (5) торцевом щите.

 

Другой поток газа через  коллектор для подвода газа (8) со стороны заднего (5) торцевого  щита проходит через аксиальные каналы сердечника статора (11) и через каналы между корпусом и внешней поверхностью сердечника статора (12), затем охлаждает  лобовые части обмотки статора (2) и покидает внутреннее пространство корпуса статора (1) через коллектор  для отвода газа (9), расположенный  на переднем (4) торцевом щите. Встречным  направлением потоков газа достигается  уменьшение вдвое подогрева охлаждающего газа по длине сердечника статора (2), а следовательно, и уменьшение максимальной температуры обмотки статора (2).

 

Эффективность предлагаемой конструкции оценена расчетным  путем на примере охлаждения турбогенератора 6 МВт, 12000 мин-1. Необходимый расход воздуха  через турбогенератор составляет 3,8 м3/с, что позволяет выбрать для  охлаждения два центробежных вентилятора  ВЦ-14-46-5А (7,5 кВт, 1000 мин-1, 11,5-14,0·103 м3/час, 1140-1150 МПа). В гидравлической схеме  охлаждения турбогенератора существуют три параллельных потока: один через  каналы между корпусом и внешней  поверхностью сердечника статора (12), второй через аксиальные каналы сердечника статора (11), третий через зазор между  ротором (3) и статором (2). Эти потоки неравноценны по объемам проходящего  хладагента, но поскольку потери ротора (3) - это только потери, связанные  с трением поверхности ротора (3) о хладагент, то не следует добиваться увеличения потока газа через зазор. Эффективность вентиляции должна быть обеспечена за счет высокой скорости первого потока.

 

Общее гидравлическое сопротивление  одной половины турбогенератора  составляет 409 H·c2/м8, через аксиальные каналы в сердечнике статора (11) проходит 35% общего расхода воздуха, через каналы между корпусом и внешней поверхностью сердечника статора (12) проходит 65% общего расхода воздуха. Перегрев обмотки статора (2) составляет 73°С. По сравнению с односторонней аксиальной вентиляцией температура обмотки снижена на 16°С.

 

          Формула изобретения

 

Турбогенератор с системой газового охлаждения, содержащий корпус статора, передний и задний торцевые щиты, статор, ротор, непроницаемую  для газа перегородку, коллектор  для отвода газа и коллекторы для  подвода газа, отличающийся тем, что  дополнительно содержит, по крайней  мере, один коллектор для отвода газа, сердечник статора выполнен с аксиальными каналами и установлен в корпусе статора, образуя каналы для прохода газа между внешней  поверхностью сердечника статора и  внутренней поверхностью корпуса, а  непроницаемая для газа перегородка  установлена параллельно оси  вала турбогенератора, коллекторы для  отвода газа установлены один на переднем торцевом щите, другой - на заднем торцевом щите, а коллекторы для подвода  газа установлены на корпусе статора, один со стороны заднего, а другой со стороны переднего торцевого щита.

 

 

 

 

          3.Анализ существующих систем охлаждения электрогенераторов.

Исторически первой системой охлаждения генераторов была система  косвенного охлаждения. При этой системе  циркуляция воздуха в машине осуществляется вентиляторами, насаженными на вал  G обоих ее торнов. 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.

 

Рис. 1-1. 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 и в гидрогенераторах  до 150—160 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.

Рис. 1-2. Замкнутые системы  вентиляции М машина; В = вентилятор; О -  охладитель

Рис. 1-3. Осевая вентиляция

Полная мощность турбогенератора S (кВ-А) выражается через его основные параметры следующей формулой

где — магнитная индукция в зазоре, Тл; Df — диаметр расточки статора, м; 1 — длина активной стали, м; п — частота вращения генератора, об/мин; к —  коэффициент, принимаемый  для турбогенераторов равным 1,1; Л5 —  линейная нагрузка статора, А/см,

/и — номинальный ток  статора, A; Nu — число проводников  в пазу; bг — пазовое деление,  см).

 Повышение единичной  мощности генераторов может производиться  только за счет увеличения  отдельных конструктивных параметров, входящих в (1-9). Однако частота  вращения п не может быть  повышена, так как определяется  частотой сети и числом пар  полюсов генератора. Индукция в  зазоре Sg 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.

Рис. 1-4. Радиальная вентиляция

Рис. 1-5. Воздушное охлаждение гидрогенератора Братской ГЭС

225 МВт

I — ротор; 2 — статор

 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.

Рис. 1-6. 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.

 На рис. 1-6 изображена  схема циркуляции водорода при  радиальной многоструйной системе  косвенного охлаждения турбогенератора.

 Косвенное водородное  охлаждение сохранилось в настоящее  время только в турбогенераторах 30—60 МВт и в синхронных

 компенсаторах 32 MB.А  и выше, так как увеличение  единичной мощности при косвенной  системе охлаждения ограничено  превышениями температур в изоляции  и стали над температурой охлаждающей  среды.

 В гидрогенераторах  водородное охлаждение не применяется  из-за больших размеров этих  машин, при которых трудно создать  газоплотный корпус.

 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.

 Как видно из табл. 1-2, наилучшей охлаждающей средой  является вода. Получение дистиллята  с удельным сопротивлением 200-10+3 Ом. см 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 с  непосредственным охлаждением делятся  на следующие четыре группы: 1) с косвенным охлаждением статора  и непосредственным охлаждением  ротора водородом; 2) с непосредственным  охлаждением статора и ротора  водородом; 3) с непосредственным  жидкостным охлаждением статора  и непосредственным водородным  охлаждением ротора; 4) с непосредственным  жидкостным охлаждением статора  и ротора.

 К первой группе  принадлежат турбогенераторы серии  ТВФ мощностью 60, 100, 120 и 200 МВт,  предназначенные для соединения  с теплофикационными турбинами.  Непосредственное охлаждение роторов  этих турбогенераторов осуществляется  по схеме самовентиляции. Косвенное  охлаждение обмотки и сердечника  статора осуществляется по радиальной  многоструйной схеме. При этом  отсеки горячего и холодного  водорода совпадают с местами  забора и выхода газа у ротора. Циркуляция водорода осуществляется  вентиляторами, насаженными на вал машины с обоих ее торцов (рис. 1-7). Водород охлаждается в газоохладителях, встроенных в корпус генератора. В настоящее время турбогенераторы ТВФ-200 сняты с производства.

 Вторую группу составляют  турбогенераторы ТГВ-200 и ТГВ-300, циркуляция  водорода в которых создается  компрессором, установленным на  валу ротора со стороны контактных  колец. Обмотки статора обеих  машин охлаждаются одинаково,  со входом холодного водорода  в каналы стержней обмотки  со стороны контактных колец  и выходом нагретого газа со  стороны турбины. На рис. 1-8 показан  разрез паза статора ТГВ-200 со  стержнем обмотки, состоящим из  двух рядов элементарных проводников  прямоугольного сечения.

Рис. 1-7. Схема водородного  охлаждения турбогенератора серии  ТВФ

Рис. 1-8. Сечение стержня  статорной обмотки ТГВ-200

 Между ними уложены  полые тонкостенные трубки, также  прямоугольного сечения, по которым  проходит охлаждающий газ. Стенки  трубок выполнены из нержавеющей  стали для уменьшения потерь  на вихревые токи и покрыты  тонким слоем изоляции. Для уменьшения  гидравлического сопротивления  сечение каналов принято достаточно  большим. Стержни обмотки статора  турбогенератора ТТВ-300 имеют такую  же конструкцию. Обмотки ротора  у этих машин охлаждаются по  различным схемам. У турбогенератора  ТГВ-200 холодный водород подается  в полые проводники со стороны  лобовых частей, а нагретый— выходит  в центре ротора (рис. 1-9). У турбогенератора  ТГВ-300 лобовые и пазовые части  проводников охлаждаются раздельными  потоками водорода. Различны и  схемы охлаждения сердечников:  сердечник статора турбогенератора  ТГВ-200 охлаждается водородом, проходящим  по радиальным каналам со стороны  спинки в зазор. Сердечник статора  турбогенератора ТГВ-300 охлаждается  по осевой схеме через каналы, расположенные в спинке статора  и зубцах. Газоохладители турбогенератора  ТГВ-200 встроены в корпус со  стороны турбины, а ТГВ-300 —  установлены в специальной камере 1, расположенной в нижней части  корпуса генератора. На рис. 1-10 представлена  схема вентиляции турбогенератора  ТГВ-300.