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.

Турбогенератор - неявнополюсный синхронный генератор, основная функция которого состоит в преобразовании механической энергии в работе от паровой или газовой турбины в электрическую при высоких скоростях вращения ротора (3000, 1500об/мин). Механическая энергия от турбины преобразуется 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).

Особенности конструкций турбогенераторов

В турбогенераторах с водородным охлаждением корпус (рис 1.) герметичный и должен выдерживать гидравлическое испытание давлением воды, превышающим номинальное давление водорода в генераторе на 0,5 МПа, в течение 30 мин. Его торцевые щиты должны не только быть герметичными, но и иметь достаточную жесткость.

Машины мощностью 300 МВт и выше имеют разъемный корпус. Это обеспечивает транспортабельность статора при перевозке его по железным дорогам и лучшую технологичность при изготовлении. Например, статор турбогенератора ТВВ-1000-4 состоит из трех частей: одной центральной и двух концевых. В центральной части размещается сердечник с обмоткой, в концевых — газоохладители и выводы статорной обмотки.

Сердечник (рис.1.) турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов собирают из листов высоколегированной горячекатаной стали толщиной 0,5 мм. При мощности генераторов выше 100 МВт применяют холоднокатаную сталь, листы которой располагают так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением прокатки стали. Из листов стали набирают пакеты, а из пакетов — сегменты сердечника. Вентиляционные каналы между пакетами выполняют с помощью распорок из немагнитной стали.

Обмотки статора выполняют двухслойными, корзиночного типа. В каждый паз укладывают два стержня, принадлежащих двум разным секциям. В обмотках применяют непрерывную изоляцию прямого участка и лобовых частей стержня наложением микаленты, изготовляемой на основе асфальтового масляного лака.

Непосредственное охлаждение обмотки статора в генераторах серии ТГВ выполняют путем циркуляции водорода по трубкам из нержавеющей стали, уложенным между двумя рядами элементарных проводников стержня, а в генераторах серии ТВВ — за счет циркуляции воды (дистиллята) по полым проводникам стержня, уложенным вперемежку со сплошными элементарными проводниками.

Ротор крупного турбогенератора выполняется из цельной поковки хромоникельмолибденовой или хромоникельмолибденованадиевой стали, обладающей высокими механическими свойствами. Ротор турбогенератора меньшей мощности (рис. 3) изготовляют из углеродистой стали повышенного качества. Для укладки обмотки на бочке ротора протачивают пазы. Чтобы выдержать большие механические нагрузки, изоляция обмотки ротора должна иметь высокую механическую прочность, сохраняющуюся при температуре 130... 150°С.

Для предотвращения деформации от центробежных сил лобовые части обмотки ротора закрепляют роторными бандажами, состоящими из бандажного и центрирующего колец.

Классификация турбогенераторов

1. В зависимости от мощности турбогенераторы подразделяются на три основные группы: мощностью 2,5-32 МВт, 60-320 МВт и свыше 500 МВт. По частоте вращения различают турбогенераторы четырех-полюсные (на частоту вращения 1500 и 1800 об/мин) и двухполюсные (на частоту вращения 3000 и 3600 об/мин) соответственно на частоты сети 50 и 60 Гц.

2. По виду приводной турбины турбогенераторы  классифицируются на генераторы, приводимые во вращение паровой турбиной, и генераторы с приводом от газовой турбины.

3. По системе охлаждения  турбогенераторы подразделяются на машины с воздушным, с косвенным водородным, непосредственным водородным и жидкостным охлаждением.

4. По применяемой системе возбуждения турбогенераторы классифицируются на машины со статической системой самовозбуждения, независимой тиристорной системой возбуждения и бесщеточным возбуждением.

Типы турбогенераторов:

• Т - Турбогенераторы с воздушным охлаждением

• ТФ – Турбогенераторы с непосредственным охлаждением обмотки воздухом

• Т3Ф - Турбогенераторы с полным воздушным охлаждением

• ТВФ - Турбогенераторы с форсированным водородным охлаждением

• ТВВ - Турбогенераторы с водородно-водяным охлаждением

• Т3В - Турбогенераторы с полным водяным охлаждением  

• ТВМ - Турбогенераторы с масляным охлаждением

• ТГВ – Турбогенератор с водяным охлаждением обмотки статора

• Турбогенераторы с воздушным охлаждением серии Т

• Турбогенераторы с воздушным охлаждением (серии Т) (рис.4) выпускаются мощностью 2,5; 4, 6, 12 и 20 МВт. Генераторы мощностью 2,5 — 12 МВт имеют косвенное воздушное охлаждение активных частей, генераторы мощностью 20 МВт — непосредственное воздушное охлаждение обмотки ротора и косвенное воздушное охлаждение других активных частей.

• Турбогенераторы мощностью 2,5 — 12 МВт  выполняются на фундаментных плитах с одним стояковым изолированным подшипником, с одним свободным концом вала. Турбогенератор типа Т-20-2 выполняется с двумя стояковыми подшипниками. Турбогенераторы имеют закрытое исполнение,  обеспечивающее систему самовентиляции по замкнутому циклу. В турбогенераторе типа Т-20-2 используются шесть вертикально расположенных газоохладителей. Газоохладители имеют амортизационные подвески.

Турбогенераторы с водородным охлаждением серии ТВФ

• В серию ТВФ входят турбогенераторы мощностью 63, 100 и 110  МВт (рис 5.) Турбогенераторы имеют непосредственное форсированное охлаждение обмотки ротора водородом и косвенное водородное охлаждение обмотки статора.

Системы возбуждения, регулирования и защиты турбогенераторов

• В качестве основной системы возбуждения для турбогенераторов серии Т используется бесщеточная система возбуждения с автоматическим регулятором возбуждения; бесщеточный возбудитель — консольного типа закрытого исполнения с замкнутым циклом вентиляции.

• Для возбуждения турбогенераторов серии ТВФ используется полупроводниковая система независимого возбуждения. Возбудителем является индуктивный генератор повышенной частоты с воздушным охлаждением. В корпус генератора встроены выпрямительное устройство и возбудитель. Исполнение возбудителя — закрытое, с самовентиляцией по замкнутому циклу. Подшипники — щитовые с принудительной смазкой.

• Для турбогенераторов мощностью 160—800 МВт применяется тиристорная система независимого возбуждения. В качестве возбудителя используются синхронные трехфазные генераторы переменного тока. Генераторы имеют замкнутую воздушную вентиляцию, воздух охлаждается охладителями, встроенными в корпус статора. Возбудители имеют два стояковых подшипника скольжения с принудительной смазкой. Возбуждение регулируется автоматическим регулятором.

• Возбуждение турбогенераторов мощностью 1000—1200 МВт осуществляется по независимой схеме с помощью бесщеточного возбудителя, соединенного с валом турбогенератора. Возбудители представляют собой обращенные синхронные генераторы повышенной частоты, которые питают обмотку возбуждения турбогенераторов через вращающиеся диодные выпрямители.

Гидрогенераторы — синхронные генераторы, приводимые во вращение гидравлическими турбинами, выпускаются в широкой номенклатуре мощностей до 800МВт на частоты вращения от 46,9 до 1500 об/мин, напряжением до 18 кВ.

Эти машины приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50—500 об/мин; поэтому их выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами. По типу гидравлической турбины гидрогенераторы делятся на вертикальные и горизонтальные, а также обратимые для работы в качестве генератора или двигателя. Гидрогенераторы большой мощности выпускаются с непосредственным водяным охлаждением обмотки статора.