2. Синхронный турбогенератор

Эти машины, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявнополюсными. Турбогенераторы, предназначенные для установки на тепловых электростанциях обычного типа, работают, как правило, при максимально возможной частоте вращения 3000 об/мин, что позволяет существенно уменьшить габариты и массу машины и паровой турбины. На атомных электростанциях реакторы вырабатывают пар с относительно низкими температурой и давлением. Поэтому для них более экономичными являются турбины и турбогенераторы с частотой вращения 1500 об/мин. Однако из-за этого значительно увеличивается диаметр ротора турбогенератора.

Турбогенераторы выполняют с горизонтальным расположением вала ротора (рис. 1.6). При мощности до 30 МВт они имеют поверхностное или косвенное воздушное охлаждение, а при больших мощностях – косвенное водородное.

Рисунок 1.6 – Общий вид турбогенератора ТВВ-1200–2:

1 – корпус, 2 – камеры для сбора и распределения охлаждающего газа, 3 – статор, 4 – обмотка статора, 5 – подшипник, 6 – вал, 7 – ротор.

В турбогенераторах мощностью более 60 МВт применяют непосредственное внутреннее охлаждение проводов обмоток водородом, дистиллированной водой и трансформаторным маслом.

В турбогенераторах с косвенным водородным охлаждением избыточное давление водорода составляет (0,035 – 0,05)·10⁵ Па, при этом исключается проникновение воздуха внутрь корпуса через неплотности и масляные уплотнения концов вала. Смесь водорода с воздухом взрывоопасна при содержании водорода в смеси от 7 до 70 %, поэтому содержание водорода в корпусе поддерживается на уровне примерно 97 %. Несмотря на это, корпус машины с водородным охлаждением обычно рассчитывают так, чтобы давление, развивающееся при возможном взрыве водорода, не повредило машину.

В турбогенераторах с непосредственным охлаждением охлаждающее вещество циркулирует внутри проводников обмоток (рис. 1.7, а) или по каналам, непосредственно соприкасающимся с проводниками (рис. 1.7, б, в). При использовании для этой цели водорода избыточное давление в машине повышается до (3–4)·10⁵ Па, что обеспечивает значительное увеличение теплоемкости, коэффициента теплопередачи и способности к теплоудалению по сравнению с воздухом при атмосферном давлении. Еще большей способностью к теплоудалению обладают трансформаторное масло и вода.

Рисунок 1.7 – Выполнение внутренних каналов в обмотках статора (а) и ротора (б, в) в турбогенераторах с непосредственным охлаждением:

1 – пазовая изоляция, 2 – полые проводники, 3 – каналы для прохода охлаждающего вещества, 4 – изоляционные прокладки, 5 – клин, 6 – канал для забора и выброса охлаждающего газа из зазора между ротором и статором.

Существуют следующие системы непосредственного охлаждения турбогенераторов:

• аксиальная система охлаждения обмоток статора, ротора и сердечника статора водородом повышенного давления, который подается с помощью центробежного компрессора, проходит по аксиальным каналам сердечника статора и полым проводникам обмоток и поступает в газоохладитель, охлаждаемый водой. При водородном охлаждении газоохладители встраивают в корпус статора или в концевые части машины;

• многоструйная радиальная система охлаждения водородом повышенного давления, в которой обмотка ротора имеет непосредственное охлаждение, а обмотка статора – поверхностное. При этом водород нагнетается двумя вентиляторами, установленными по концам вала, и разделяется на отдельные струи, которые охлаждают лобовые части обмоток статора и ротора, сердечник статора, обмотку ротора и наружные поверхности статора и ротора. Отдельные струи сходятся в центральной части машины и подаются оттуда в газоохладитель;

• многоструйная радиальная система охлаждения сердечника статора и обмотки ротора водородом и одноструйная система охлаждения обмотки статора водой;

• система охлаждения обмоток статора и ротора водой, а сердечников статора и ротора, а также внутреннего пространства машины воздухом или водородом;

• система охлаждения обмотки и сердечника статора маслом, обмотки ротора водой, а сердечника ротора и внутреннего пространства машины воздухом или водородом. В этом случае ротор отделен от статора изоляционным цилиндром и полость статора заполнена маслом.

На рис. 1.8 показаны схемы подачи охлаждающего газа в проводники обмотки ротора при непосредственном водородном охлаждении. При аксиальной системе охлаждения водород попадает под бандажные кольца ротора с обеих сторон машины (рис. 1.8, а), охлаждает их и выбрасывается через радиальные отверстия в зазор между ротором и статором. При многоструйной радиальной системе охлаждения водород, поступивший в воздушный зазор через радиальные каналы статора в зоне выхода из них газа, захватывается специальными заборниками внутрь ротора (рис. 1.8, б ), проходит по каналам, имеющимся в пазах ротора, и выбрасывается обратно в воздушный зазор в зоне входа газа в каналы статора.

Рисунок 1.8 – Схемы подачи водорода в проводники обмотки ротора в турбогенераторах при аксиальной и многоструйной радиальной системах охлаждения:

1 – лобовые части обмотки, 2 – каналы для входа водорода, 3 – клинья,

4 – каналы для выхода водорода, б – проводники обмотки.

На рис. 1.9, а, б показано устройство для подачи и отвода охлаждающей воды к проводникам обмотки статора. Проводники обмотки статора сообщаются с коллекторами холодной и нагретой воды патрубками, выполненными из изоляционного материала. Нагретая вода проходит через охладитель и вновь поступает в коллектор холодной воды.

Роторы турбогенераторов изготовляют из цельных поковок высококачественной стали (рис. 1.10, а ). Диаметр ротора D определяется условиями механической прочности; для ограничения действующих на ротор центробежных сил он не должен превышать 1,0–1,5 м, поэтому приходится увеличивать его длину. Однако и длина ротора ограничивается допустимым прогибом вала и возникающими при этом вибрациями.

Для того чтобы прогиб вала при неподвижном роторе не превышал 2,5 мм, длина ротора l турбогенератора не должна превышать 7,5–8,5 м. Следовательно, отношение l /D достигает 5 ÷ 6.

Рисунок 1.9 – Устройство для подачи и отвода охлаждающей воды в проводники обмотки статора: а – общий вид; б – конструктивная схема:

1 – сборный коллектор охлаждающей воды, 2 – гибкие изолирующие шланги, 3 – сборный коллектор нагретой воды, 4 – водораспределительный наконечник, 5 – стержень, подводящий воду к обмотке, 6 – стержень, отводящий воду от обмотки.

Рисунок 1.10 – Общий вид роторов турбогенератора (а), гидрогенератора (б) и синхронного двигателя (в):

1 – контактные кольца, 2 – кольцевые бандажи, 3 – ротор, 4 – металлические клинья, 5 – вентилятор, 6 – вал, 7 – обмотка возбуждения, 8 – полюсы, 9 – пусковая обмотка.