Электорогенераторы

 В третью группу  входят турбогенераторы серии  ТВВ мощностью 150,  200, 300, 500 и  800 МВт. Обмотка статора этих  машин имеет непосредственное  водяное охлаждение, а обмотка  ротора охлаждается водородом  по схеме самовентиляции с  забором газа из зазора через  отверстия в пазовых клиньях  и с возвращением нагретого  газа в зазор через другие  отверстия.

Рис. 1-9. Схема охлаждения турбогенератора ТГВ-200

 Нагретый газ из  зазора отсасывается вентиляторами,  установленными по торцам ротора, и нагнетается через газоохладители  в радиальные каналы сердечника  статора, а через них в зазор  (рис. 1-11). Схема самовентиляции роторов турбогенераторов серий ТВФ и ТВВ приведена на рис. 1-12. Вентиляционные каналы, образованные

.Рис, 1-10, Схема охлаждения  турбогенератора ТГВ-300

Рис. 1-11. Схема охлаждения турбогенераторов серии ТВВ

 вырезами в проводниках  обмотки ротора, идут диагонально  поверхности ротора к дну паза  и обратно. Как видно из схемы  на рис. 1-12, а, система каналов  выполнена многоходовой и охлаждением  охвачены все проводники обмотки.  Входные и выходные отверстия  в пазовых клиньях снабжены  дефлекторами такого профиля,  при котором при вращении ротора  на входе водорода создается  напор, а на выходе — разрежение.

Рис. 1-12. Схема самовентиляции роторов турбогенераторов серий  ТВФ и ТВВ; й — общая схема  охлаждения; б — элементарный путь охлаждающего газа А^А, Б-*г-Б, В^В -  разрезы  паза

Рис. 1-13. Схема охлаждения генератора ТГВ-500

Рис. 1-14. Сечение стержня  статорной обмотки турбогенераторов серии ТВВ с водяным охлаждением

 

Четвертая группа состоит  из турбогенераторов типа ТЕШ-300, у которых  статор охлаждается маслом, а ротор  водой, и турбогенераторов типа ТГВ-500 с непосредственным водяным охлаждением  статора и ротора. Сердечник статора  ТГВ-500 охлаждается водородом, который  нагнетается в зазор и через  него в радиальные каналы сердечника вентиляторами, установленными по обоим  торцам вала. Нагретый водород охлаждается  в газоохладителях, встроенных в  корпус генератора. Подвод дистиллята к обмотке ротора и слив осуществляются через центральное отверстие  в валу ротора. На рис, 1-13 дана схема  вентиляции турбогенератора ТГВ-500. На рис. 1-14 показан разрез стержня  обмотки, охлаждаемой водой. Чередование  полых и сплошных элементарных проводников  объясняется необходимостью уменьшить  добавочные потери ог вихревых токов, которые возникают в полых  проводниках из-за большой их высоты. В турбогенераторе ТВМ-300 охлаждающей  средой является трансформаторное масло, которое прогоняется через осевые каналы сердечника статора и полые  проводники обмотки статора масляными  насосами. Сердечник статора отделен  от ротора изоляционным цилиндром, размещенным  в зазоре и герметично закрепленным в торцевых щитах. Поверхность ротора омывается воздухом, а его обмотка  имеет непосредственное водяное  охлаждение. Как указывалось, пожароопасность  масла и худшие по сравнению с  водой теплоотводящие свойства сдерживают применение масла в качестве охлаждающей  среды.

 Представляет интерес  система охлаждения самого крупного  генератора нашей страны типа  ТВВ-1200-2УЗ мощностью 1200 МВт.

 Обмотки его статора  выполнены с непосредственным  охлаждением дистиллированной водой,  а обмотки ротора и активной  стали статора — водородом,  циркулирующим внутри газонепроницаемого  корпуса. Дистиллят в обмотке  статора циркулирует под напором  насоса и охлаждается в теплообменниках,  расположенных вне генератора. Водород  циркулирует в генераторе под  действием вентиляторов, установленных  на валу ротора, а охлаждается  в газоохладителях, встроенных  в корпус генератора. Циркуляция  воды в газоохладителях и теплообменниках  осуществляется насосами, установленными  вне генератора.

 Газовый объем собранного  генератора равен 165 м3, давление  водорода в корпусе статора  0,5 МПа, а номинальная температура  холодного водорода +40 °С. Расход  дистиллята через обмотку статора  составляет 180 м3/ч.

 Перспективной является  система охлаждения крупных турбогенераторов  «три воды» — система полностью  с водяным охлаждением, без  заполнения генератора водородом,  примененная на турбогенераторе  типа ТЗВ-800-2УЗ мощностью 800 МВт,  установленном в 1980 году на  Рязанской ГРЭС для опытной  эксплуатации.

 Обмотки статора и  ротора этого генератора охлаждаются  непосредственно водой, протекающей  по каналам медных трубчатых  проводников. Активная сталь сердечника  статора охлаждается взамен радиальных  вентиляционных каналов охладителями  из силумина, запрессованными между  пакетами активной стали о  залитыми в них змеевиками  из нержавеющей стали для охлаждающей  воды. Сталь ротора и газ (азот), заполняющий герметизированный  корпус генератора при давлении, близком к атмосферному, охлаждаются  в основном водоохлаждаемой демпферной  обмоткой ротора. Все конструктивные  элементы: нажимные плиты, пальцы  и стяжные ребра сердечника, концевые  части и щиты, щеточная траверса, щетки, их токоподводы и арматура  — охлаждаются также водой,  и только контактные кольца  имеют воздушную вентиляцию.

 Водяное охлаждение  взамен водородно-водяного приводит  к снижению превышения температуры  обмоток на 30—50 °С и к уменьшению  поперечного сечения каналов  для охлаждающего агента в  проводниках обмотки ротора в  1,5—2 раза, что снижает потери  в них на 15—20 %. Существенно снижаются  также потери на циркуляцию  охлаждающего агента. Уменьшение  этих потерь, а также объема  машин с водяным охлаждением  позволяет достигнуть высоких  эксплуатационных показателей за  счет повышения линейной нагрузки, плотности тока и индукции. Так,  к. п. д. рязанской машины  оказался равным 98,86 %.

Рис. 1-15, Полюс ротора гидрогенератора  с непосредственным водяным охлаждением  обмотки возбуждения

 Немаловажным преимуществом  генераторов с водяным охлаждением  является значительное понижение  пожароопасности и исключение  взрывоопасности благодаря устранению  водорода.

Рис. 1-16. Полюс ротора гидрогенератора  с непосредственным воздушным охлаждением  обмотки возбуждения

 Непосредственное охлаждение  водой статора и ротора гидрогенераторов  в последнее время тоже находит  применение, так как позволяет  уменьшить габариты машин и  увеличить их предельную мощность. На рис. 1-15 показан полюс ротора  гидрогенератора о непосредственным  водяным охлаждением, а на рис. 1-16 — непосредственное воздушное  охлаждение обмотки ротора гидрогенератора,  также более эффективное, чем  косвенное охлаждение.

 

 

       

 

 

 

 

 

 

 

         4.Математическое моделирование.

 

Математическое моделирование турбогенератора серии ТВ с косвенной водородной системой охлаждения обмоток статора и ротора и с непосредственным водородным охлаждением сердечника статора.

Номинальное линейное напряжение турбогенератора U_HЛ = 10500В, синхронная частота вращения п₁ = 3000 об/мин; номинальная мощность Р_Н = 30 МВт; коэффициент мощности в номинальном режиме cosj_н = 0,8 ; перегрузочная способность S = 1,8.

 

           4.1 Основные размеры и электромагнитные нагрузки

 

Номинальное фазное напряжение турбогенератора:

 

(1.1)

 

Номинальный ток турбогенератора:

 

(1.2)

 

Полная номинальная мощность:

 

(1.3)

 

Число пар полюсов турбогенератора:

 

(1.4)

 

Круговая частота вращения ротора турбогенератора

 

(1.5)

 

Выбираем размер D₁ – внутренний диаметр статора, имеющего косвенное водородное охлаждение

Для этого выберем предварительное  значение коэффициента k_E = 1,09 и определим электромагнитную мощность турбогенератора:

 

(1.6)

 

Принимаем значение внутреннего  диаметра статора D₁ = 0,9м

Теперь определим длину  статора l₁ для этого найдём значения коэффициентов.

Коэффициент полюсного перекрытия и коэффициент формы поля k_B:

 

(1.7)

 

Которому соответствует  предварительное значение обмоточного  коэффициента

 

k_об =0,92

 

Предварительно выбираем максимальную индукцию магнитного поля Bd = 0,8Тл и линейную нагрузку статора А₁= 11 х 10⁴А/м в зависимости от размера D₁

 

(1.8)

 

       При непосредственном водородном охлаждении ширину пакетов b_n выбирают - 0,05 м, а ширину вентиляционных каналов b_K=0,005м

Число вентиляционных каналов  равно:

 

(1.9)

 

Число пакетов статора

 

(1.10)

 

Действительная длина  статора:

 

(1.11)

 

4.2 Проектирование обмотки статора

 

В проектируемом турбогенераторе  применим двухслойную стержневую обмотку  с числом катушечных групп на фазу равным числу полюсов, с двумя  эффективными проводниками на паз u_n1=2, с прямоугольными пазами и лобовыми частями корзиночного типа.

Полюсное деление статора  равно:

 

(1.12)

 

Предварительное значение магнитного потока в зазоре:

 

(1.13)

Число последовательно соединённых  витков фазы обмотки статора:

 

(1.14)

 

Число последовательных витков стержневой обмотки c двумя эффективными проводниками на паз u_n1 =2, с одинаковыми катушками должно удовлетворять равенству:

 

(1.15)

 

Где q₁ – число пазов на полюс и фазу принимаем q₁=12

а₁ =1 число параллельных ветвей

При этом число  пазов равно:

Z₁ = 2pm₁q₁ = 2*3*12 = 72 (1.16)

Зубцовый шаг статора  при косвенном охлаждении обмотки  должен находится в пределах t₁ = 0,03..0,07м и равен:

 

(1.17)

 

Полный пазовый ток  равен:

 

(1.18)

 

и находится в  рекомендуемых пределах I_n1<=(2,5..6,5)10³A

Оптимальная ширина паза определяется из соотношения (b_n1/t₁)_опт=0,5 практически рекомендуется принимать ширину паза:

b_n1 = t₁ (0,35..0,45)

 

принимаем b_n1 = 0,039*0,45=0,018м

Ширина зубца в узком  месте:

 

b_Z1 = t₁ –b_n1=0,039-0,018=0,021м (1.19)

 

Полученная ширина в узком  месте зубца должна удовлетворять  ограничению:

 

(1.20)

 

условие выполняется

где В_z1m- индукция в коронке зуба ( 1,7 Тл);

l_c1=(l_d -п_kb_k)k_c=(1,81 – 32*0,005)*0.95 = 1,567м – длина чистой стали по оси статора;

k_c=0,95 – коэффициент заполнения сталью пакетов статора.

Выбираем изоляцию паза, на котором толщина по ширине и высоте изоляции позициями обозначена так;

1. электрокартон на дне паза - 0,1 мм;
2. миканит гибкий под переходы – 0,4 мм;
3. бумага асбестовая – 0,5 мм;
4. микалента чёрная – 6 мм;
5. лента асбестовая – 1мм ; лаковое покрытие – 0,2 мм;

разбухание изоляции от пропитки по ширине – 0,3мм; по высоте 1мм;

6. прокладка между стержнями – 2,5мм;
7. прокладка под клином - 1мм.

Допуски на укладку по ширине – 0,3мм, по высоте – 0,2 мм.

Общая односторонняя толщина  изоляции на паз  по ширине – 4,2мм, по высоте – 10 мм.

Определим предварительную  ширину проводника обмотки статора:

 

(1.21)

 

По ширине проводника принимаем  плотность тока в обмотке статора  равной

 

j₁ = 5,5 x 10⁶ A/м²

 

Длина лобовой части полувитка  на данном этапе проектирования:

 

l_лоб=1,7(2U_нл / 10⁵+ bt) = 1,7(2*10500/10⁵+0,83*1,413) = 2,35м (1.22)

 

Длина витка обмотки статора:

 

(1.23)

 

Определим предварительное  сечение эффективного проводника обмотки  статора:

 

(1.24)

 

Высоту элементарного  проводника выбираем стандартной а_м1 = 3мм, b_м1=5мм, расчётное сечение S_c = 14,45 мм²

Число элементарных проводников  в одном эффективном равно:

                    п_эл =S₁ / S_c = 375 / 14,45 = 26 (1.25)

 

Определяем окончательные размеры: b_n1 =20мм , h_n1 = 149мм.

Высота клина  равна ширине паза n_к = 0.98b_n1 = 15мм

 

h_n1 / b_n1 = 149/20=7,45 – удовлетворяет требованию (6..8,5)

h₁₁ = 110 мм; h₄ = 30мм

 

Определим высоту спинки статора:

 

(1.26)

 

где B_a1=1,6 Тл – желаемая максимальная индукция магнитного поля в ярме статора.

Внешний диаметр  пакета статора:

 

D_a = D₁+2(h_n1+h_a1) = 0,9+2(0,149+0,259) =1,72 м. (1.27)

 

4.3 Немагнитный зазор

 

Относительное значение индуктивного сопротивления пазового рассеяния:

 

(1.28)

Амплитуда н.с. статора на полюс:

 

(1.29)

 

Магнитный поток при холостом ходе

 

(1.30)

 

Относительное сопротивление  лобового рассеяния:

 

(1.31)

 

Индуктивное сопротивление  рассеяния обмотки статора в  относительных единицах:

 

(1.32)

 

Индуктивное сопротивление  Потье в о.е.

 

(1.33)

 

Синхронное индуктивное  сопротивление взаимоиндукции х_аd* = 2,0

 

Рассчитаем величину воздушного зазора:

 

(

 

Рассчитанное значение воздушного зазора турбогенератора примерно на 5 мм больше ориентировочной величины.

 

        4.4Основные размеры зубцово-пазовой зоны

          Внешний диаметр ротора:

 

           D₂ = D₁ – 2d = 0,9 – 2*0,042=0,816 м (2.1)

 

Активную длину ротора выбираем равную :

            l₂ =l_d + 0,09 = 1,81+ 0,09 = 1,9 м (2.2)

        Зададимся числом фактических пазов ротора во всей окружности:

            Z₀ = 28

 

Для получения оптимальной  величины , обеспечивающей максимальное приближение распределения поля возбуждения к синусоидальному  выбираем значение Z₂ = 20