книги из ГПНТБ / Глебов, И. А. Научные проблемы турбогенераторостроения

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ

И. А. ГЛЕБОВ, Я. Б. ДАНИЛЕВИЧ

НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

ТУРБОГЕНЕРАТОРОСТРОЕНИЯ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУК As

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

Ленинград 1974

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

ВВЕДЕНИЕ

РОСТ ЕДИНИЧНЫХ МОЩНОСТЕЙ

ИОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

В-1. РАЗВИТИЕ ЭНЕРГЕТИКИ И ЗАДАЧИ ТУРБОГЕНЕРАТОРОСТРОЕНИЯ

Быстрое развитие различных областей промышленности, тран­ спорта и резкое увеличение энергопотребления в сельском хо­

зяйстве и для бытовых целей обусловливают постоянно возрастаю­

щий спрос на электроэнергию. Во второй половине XX в. в разви­ тых странах для обеспечения установившихся темпов развития через каждые 10 лет требуется удвоение вырабатываемой электро­

в мире

Для обеспечения выработки электроэнергии в указанных мас­ штабах планируется значительное увеличение установленных

мощностей на электростанциях (табл. В-2).

Ввиду того что запасы органического топлива и гидроресурсы ограничены, во всем мире, особенно в США, Японии и в странах Западной Европы, проявляется явно выраженная тенденция к строительству электростанций, работающих на ядерном топливе

3

(АЭС). Это приводит к изменениям соотношения мощностей на раз­ личных типах электростанций. По данным табл. В-3, можно заклю­

чить, что уже к 1985 г. доля ГЭС в структуре генерирующих мощ­ ностей станций снизится до 10—15%.

Уменьшается также и доля тепловых электростанций (ТЭС), и к концу века основными станциями становятся АЭС, доля кото­

В США планируется довести к 1985 г. максимальную мощность тепловой электростанции до 12 000 МВт при четырех установлен­ ных агрегатах. По некоторым данным, максимальная мощность электростанций в США к 2000 г. будет доведена до 20 000 МВт.

Рост мощности тепловых электростанций влечет за собой увели­ чение единичной мощности турбоагрегатов, которая за 20 лет

4

возросла со 150 МВт (1950 г.) до 1170 МВт (1970 г.). Однако ее рост

все время тормозится ограниченными возможностями создания

как турбин, так и генераторов.

К концу 50-х годов в США для повышения мощностей турбо­ блока были использованы двухвальные турбины со скоростями вращения валов 3600 и 1800 об./мин. Такое решение уже в настоя­ щее время позволило создать турбоблоки мощностью 1000 МВт. Наряду с использованием двухвальных турбин с разными ско­ ростями вращения валов в последнее 10-летие получили распро­ странение двухвальные агрегаты с одинаковыми скоростями вра­ щения валов (3000 об./мин. в Европе и 3600 об./мин. в США и Японии). В этом варианте фирма «Броун Бовери» производит для США 6 агрегатов, каждый мощностью 2 ×650 МВт, 3600 об./мин. В СССР на Славянской ГРЭС эксплуатируется

турбоблок мощностью 800 МВт, 3000 об./мин.

В настоящее время наибольшая мощность одновального агре­ гата на 3000 (3600) об./мин. доведена до 1000 МВт. Дальнейшее повышение мощности быстроходного агрегата связано с необходи­ мостью решения проблем создания надежных турбин при увеличе­ нии длины лопаток цилиндра низкого давления, а следовательно, и окружной скорости, а также длины валопровода за счет увели­ чения числа цилиндров.

По данным фирм США, в настоящее время могут быть созданы турбины на 3600 об./мин. мощностью 1500—1600 МВт. По данным

ЦКТИ, мощность турбины на 3000 об./мин. может быть доведена

до 1600—2000 МВт.

В современной энергетике возникла все возрастающая потреб­ ность в тихоходных турбоагрегатах на 1500 (1800) об./мин. Послед­ нее обусловлено тем, что до 1990—2000 гг. на АЭС доминирующим реактором будет оставаться реактор водо-водяного типа, вырабаты­

вающий пар с относительно низкими параметрами (60—80 ата, 280—310° С). В результате возникают трудности с выполнением надежной турбины мощностью 800—1600 МВт на скорость враще­

ния 3000 (3600) об./мин. Что касается турбин меньших мощностей,

Таблица В-4

Рост единичной мощности (МВт) реакторов в США [45]

5

то здесь возможно выполнение машин как на скорость вращения

1500 об./мин., так и на скорость вращения 3000 об./мин. Поэтому выбор скорости вращения в данном случае определяется на основе

технико-экономических расчетов.

В табл. В-4 приводятся данные о росте единичной мощности реакторов в США. Указанные мощности для водо-водяного типа относятся к промышленным образцам, а для бридеров — к опыт­ ным образцам. По некоторым другим данным, можно ожидать, что указанные единичные мощности реакторов водо-водяного типа увеличатся еще на 30—40%.

В-2. РОСТ ЕДИНИЧНЫХ МОЩНОСТЕЙ

ИИЗМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

ИНАГРУЗОК ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

При создании турбогенераторов большой мощности в единице наблюдается стремление повысить производительность труда и

снизить капитальные затраты на изготовление генераторов и дру­ гого оборудования, а также на строительство, монтаж и эксплуата­ цию станций. Так, согласно [137], стоимость 1 кВт мощности на типовой станции, состоящей из четырех турбоблоков по 500 МВт,

на 26% ниже стоимости 1 кВт на станции, состоящей из пяти бло­ ков по 200 МВт. При этом ожидается, что полный кпд первой

станции будет больше почти на 1.5%.

В большинстве развитых стран мира наблюдается удвоение еди­ ничной мощности турбогенераторов в течение 7—10 лет. Так,

в СССР заводами «Электросила» и «Электротяжмаш» турбогенера­ торы мощностью 200 и 300 МВт были созданы в 1957—1962 гг., а турбогенераторы мощностью 500 МВт — в 1964—1965 гг. В 1970 г. был изготовлен и в 1971 г. включен под нагрузку на Славянской ГРЭС турбогенератор мощностью 800 МВт, 3000 об./мин. произ­ водства ЛЭО «Электросила». В настоящее время ведется изготовле­ ние крупнейшего в мире турбогенератора мощностью 1200 МВт, 3000 об./мин.

В дальнейшем в связи с переходом к агрегатам очень больших мощностей (порядка 1500—2000 МВт в двухполюсном исполне­ нии и 2500—3000 МВт в четырехполюсном исполнении) темпы роста единичных мощностей, по-видимому, снизятся и составят

порядка 1.5-кратного увеличения мощности за 10 лет.

За рубежом наибольшие успехи в области освоения мощных турбогенераторов достигнуты американскими фирмами «Дженерал Электрик» и «Вестингауз». Этими фирмами изготовлено и введено в эксплуатацию около 10 турбогенераторов с единичной мощностью

800 МВт, 3600 об./мин. и 1000 МВт, 1800 об./мин. В стадии изготов­ ления находятся генераторы мощностью 1200 МВт, 3600 об./мин. и 1300 MBA, 1800 об./мин., причем головной образец последнего был изготовлен в 1971 г. для АЭС «Салем»,

6

По освоению мощных турбогенераторов на 3000 об./мин.

в Западной Европе первое место занимает Англия. Фирмами этой страны изготовлены и введены в эксплуатацию 42 турбогенератора с единичной мощностью 500 МВт, 3000 об./мин. и первые образцы турбогенератора мощностью 660 МВт, 3000 об./мин. Кроме того,

по заказу США английскими фирмами изготовляются турбогенера­ торы мощностью 1215 МВт, 1800 об./мин. для АЭС. Первый из этих генераторов уже изготовлен для АЭС «Энрико Ферми». Для АЭС Великобритании английские фирмы поставляют генераторы мощ­ ностью 500 и 660 МВт на 3000 об./мин. Во Франции изготовлены

и введены в эксплуатацию на ТЭС 3 турбогенератора по 600 МВт, 3000 об./мин. Фирма «Альстом» создает 4 турбогенератора с еди­ ничной мощностью 1000 МВт, 1500 об./мин. для АЭС «Бужей» и «Фессенгейм» (Франция).

В ФРГ осуществляется большая программа работ по созданию мощных турбогенераторов для атомных электростанций. Построены и введены в эксплуатацию на АЭС «Штаде» и «Вюргасен» 2 первых турбогенератора мощностью 600 МВт, 1500 об./мин. В 1973 г.

фирмой «Крафтверкунион» завершено изготовление самого мощ­ ного четырехполюсного турбогенератора для АЭС «Библис» — 1200 МВт, 1500 об./мин. Наибольшая мощность двухполюсных

750 MBA (600 МВт), прототип которого при мощности 400 MBA работает в течение 2 лет на ТЭС в г. Килле. В Швейцарии фирмой

«Броун Бовери» созданы первые турбогенераторы по заказу США

мощностью 650 МВт, 3600 об./мин. для двухвального турбо­ агрегата ТЭС «Камберленд» и 1200 МВт, 1800 об./мин. для АЭС «Дональд Кук». Итальянской фирмой «Ансальдо» при помощи американской фирмы «Дженерал Электрик» изготовляется четырех­ полюсный турбогенератор мощностью 900 МВт, 1500 об./мин.

В Японии освоено изготовление двухполюсных турбогенерато­ ров мощностью 375 МВт и выполнен первый образец турбогенера­ тора 590 МВт. Как и в ФРГ, в Японии намечена большая про­ грамма по созданию мощных четырехполюсных турбогенераторов для АЭС, на которых уже работает четырехполюсный турбогенера­

тор мощностью 500 МВт.

Втабл. В-5 и В-6 приведены некоторые данные уже освоенных

впроизводстве турбогенераторов большой мощности, а в табл. В-7 и В-8 — данные, характеризующие степень освоения турбо­ генераторов мощностью 500 МВт и выше в двух- и четырехполюс­ ном исполнениях в различных странах.

Впоследующие годы предполагается дальнейшее повышение единичных мощностей турбогенераторов. Так, в США к 1985 г. единичную мощность турбогенератора на 3600 об./мин. предпо­

лагается довести до 1400—1600 МВт, а на 1800 об./мин.—до

1600—2000 МВт и более.

7

Таблица В-5

Двухполюсные турбогенераторы большой мощности

Примечание: * — насыщенные значения.

Мощность турбогенератора с основными размерами и электро­

магнитными нагрузками связана зависимостью

генераторах при 3000 об./мин. ограничены условиями механи­ ческой прочности роторов и бандажных колец, которые зависят от успеха металлургической промышленности по созданию поко­ вок больших габаритов с высокими механическими характери­ стиками.

Предельные размеры активной части бочки ротора турбогене­ ратора при 3000 об./мин. по годам были следующими:

?

T а б л и ц а В-6

Четырехполюсные турбогенераторы большой мощности

Таким образом, несмотря на значительные успехи металлурги­

ческой промышленности, активный объем ротора с 1937 по 1964 гг.

вырос всего в 1.26 раза при росте единичной мощности турбо­ генератора за это время со 100 до 500 МВт. Такая же тенденция, по-видимому, сохранится и в ближайшем будущем.

Возможность увеличения D1 в турбогенераторах на 1500 об./мин. также определяется практически достижимой максимальной вели­

чиной диаметра бочки ротора.

Предполагая одинаковыми активную длину, линейную на­ грузку, индукцию в зазоре и электромагнитную мощность генера­ тора в двух- и четырехполюсном исполнении, соотношение между диаметрами бочки ротора этих турбогенераторов оказывается равным

βjt≈2¾. (В. 2)

Определяющими напряжениями для роторов турбогенераторов являются тангенциальные напряжения на поверхности централь­

ного отверстия бочки ротора. Если рассматривать бочку ротора как полый цилиндр и принять отношение диаметра центрального отверстия к наружному диаметру ротора величиной постоянной,

9