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

посадки вдоль бандажного кольца коэффициент запаса быстро увеличивается. Поэтому конструкция бандажного кольца из титана со стальными вставками на посадочных местах для мощных

чальных натягов не обнаружено. После проверки бандажные кольца были вновь надеты, и ротор введен в эксплуатацию.

Рис. 6-15. Бандажное кольцо из титанового сплава с гибкой стальной вставкой.

I — стальное кольцо (вставка): 1 — утолщенная часть, 2 — гибкая часть; II — титановое кольцо, III — бочка ротора, IV — шпонка.

В последнее время Г. А. Загородной была предложена новая конструктивная схема бандажного кольца из титанового сплава с гибкой стальной вставкой (рис. 6-15). Стальное кольцо своей утол­

щенной частью 1 запрессовывается в титановое кольцо. Исключе­ ние осевых перемещений может быть достигнуто, например, с по­ мощью кольцевой шпонки. Благодаря гибкой части 2 стального

кольца натяг между бандажным кольцом и бочкой ротора будет определяться только от центробежных сил самой стальной вставки.

Поэтому величина натяга будет даже меньше, чем у обычного бан­ дажного кольца, на которое еще действуют и центробежные силы лобовых частей обмотки ротора. В результате этого нагрев тита­ нового бандажа с гибкой стальной вставкой будет меньше, чем в обычной конструкции приблизительно в 1.5 раза.

Рассматривая перспективные решения конструкций бандажных колец, предложенных с целью расширения диапазона мощностей турбогенераторов, необходимо остановиться на принципиально

новом подходе к выбору величины запаса прочности бандажных колец. Как уже было отмечено выше, запас прочности определя­

ется по максимальному тангенциальному напряжению при разгон­ ной скорости относительно предела текучести. Однако пластиче­ ская деформация за пределами текучести стали на внутренней поверхности бандажного/ кольца не означает его разрушения.

130

Более того, существует значительный запас по предельной нагруз­ ке бандажного кольца с учетом его пластической деформации,

и разрушение бандажных колец будет поэтому происходить при скорости, значительно превышающей скорость, при которой до­ стигается предел текучести на внутренней поверхности. Для ил­

люстрации в табл. 6-5 даны результаты расчетов бандажных колец *

ципиальное положение о том, что реальные запасы прочности бан­ дажных колец значительно выше расчетных. Такое заключение открывает возможность для снижения расчетных запасов прочности и выполнения бандажных колец для турбогенераторов значительно больших мощностей при использовании материалов с теми же

Перейдем теперь к особенностям создания бандажных колец для четырехполюсных турбогенераторов со скоростью вращения

1500 об./мин. В связи с меньшей линейной скоростью предел

текучести бандажных колец роторов турбогенераторов мощ

у двухполюсных турбогенераторов тех же мощностей. Лишь у четырехполюспых турбогенераторов мощностью 2000 МВт требуемая

* Расчеты выполнены Г. А. Загородной.

9* 131

величина предела текучести цо максимальным тангенциальным

напряжениям на внутренней поверхности при разгонной скорости

достигнет 100 кГ/мм2. Хотя вес слитков бандажных колец для че­ тырехполюсных машин несколько больше, чем для двухполюс­ ных, однако понижение требования к механическим свойствам поковок делает проблему создания бандажных колец четырех­ полюсных машин более простой по сравнению с двухполюсными машинами той же мощности. Тем не менее для обеспечения бан­

Таким образом, проанализировав основные механические ха­ рактеристики поковок бандажных колец отечественного про­ изводства, представляет интерес рассмотреть требования к поков­ кам бандажных колец, которые используются в США (табл. 6-6).

Из табл. 6-6 следует, что в США требования к поковкам

Особо следует обратить внимание на высокий уровень требо­

ваний в США к механическим свойствам бандажных колец че­ тырехполюсных турбогенераторов. Такой уровень к показателям может быть объяснен тем, что, во-первых, скорость вращения

четырехполюсных машин в США равна 1800 об./мин. и, во-вторых, уже освоенные четырехполюсные турбогенераторы имеют мощ­

ность 1280 MBA.

В заключение необходимо кратко рассмотреть еще одну очень важную проблему для обеспечения надежной работы бандажных колец. Это — исключение возможности появления коррозийных

трещин, а также подгаров и растрескиваний. В [17] указывается,

132

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

БАНДАЖНЫЙ УЗЕЛ, ДЕМПФЕРНАЯ СИСТЕМА

71-. БАНДАЖНЫЙ УЗЕЛ РОТОРА

В настоящее время в мощных турбогенераторах применяется несколько разновидностей конструкции бандажного узла, отли­ чающихся способом крепления бандажа и типом центрирующего кольца. Применяются посадки бандажного кольца на бочку ротора,

на центрирующее кольцо и двухпосадочная конструкция.

Наиболее рациональной является консольная конструкция,

вкоторой бандажное кольцо крепится только на бочке ротора,

ацентрирующее кольцо не имеет посадки на вал. Эта конструкция

используется всеми ведущими электромашиностроительными фир­ мами для мощных турбогенераторов.

Сама конструкция с консольной посадкой бандажа имеет ряд разновидностей, отличающихся способом крепления бандажного кольца на бочке ротора. Основными видами крепления являются резьбовое соединение бандажного кольца с бочкой ротора и креп­ ления с помощью запирающих элементов. В настоящее время

находят применение оба вида крепления.

Резьбовое соединение в свою очередь имеет ряд разновидностей, отличающихся резьбовыми элементами. Ряд иностранных фирм

применяет непосредственное навинчивание бандажного кольца

на бочку ротора, при этом улучшаются или полностью исключа­ ются переходные сопротивления для замыкания вихревых токов. Крепление с помощью запирающих элементов предусматривает

наличие в бандажном кольце и бочке ротора кольцевых канавок, в которые и вводятся запорные элементы (кольца, сегменты и др.).

Известно большое количество запирающих элементов, их вид

в мощных турбогенераторах не нашла широкого применения.

После длительной эксплуатации при отставленном бандажном кольце наблюдались изломы верхнего витка в месте его располо­

жения между бочкой ротора и бандажным кольцом.

134

В настоящее время ведутся работы по применению для изго­ товления бандажных колец титановых сплавов, обладающих та­

кой же прочностью, как сталь, но значительно более легких

(в 1.7 раза).

Наиболее перспективной для турбогенераторов мощностью 1000 МВт и более является конструкция с уменьшенным диамет­ ром бандажного кольца, полученным за счет отгиба лобовых час­ тей обмотки возбуждения к валу, с непосредственной посадкой бандажного кольца на бочку ротора.

72-. ДЕМПФЕРНАЯ СИСТЕМА РОТОРА

Демпферная система ротора в турбогенераторах образуется клиньями, удерживающими в пазах обмотку ротора. Кроме того, в турбогенераторах большой мощности используется специальная демпферная обмотка, укладываемая в пазы под клинья ротора.

Проводимость материала клиньев значительно больше прово­ димости материала зубцов, поэтому основная часть вихревых токов, наводимых в роторе в несимметричных режимах работы, будет протекать по клиньям. В современных типах турбогенера­ торов клинья по длине ротора разделены, в результате в местах раздела вихревые токи из клиньев переходят в зубцы ротора, что может вызвать в некоторых случаях местные перегревы.

Для повышения термической стойкости ротора в несимметрич­ ных режимах фирма «Крафтверкунион» клинья ротора изготов­ ляет из бронзы с пределом текучести 70—75 кГ/мм2, длиной 0.5— 1.0 м. Проводимость материала клиньев составляет примерно

1/3 проводимости меди. В некоторых случаях по требованию

заказчика клинья серебрят для улучшения контакта с зубцами ротора.

При отсутствии специальной демпферной системы вихревые токи на торцах ротора замыкаются через бандажное кольцо. По­ этому многие фирмы применяют серебрение контактных поверх­

ностей в этой зоне как бочки ротора, так и внутренней поверх­ ности бандажного кольца. В большинстве случаев серебрение осуществляется методом распыления с помощью специальной

переносной установки.

Для турбогенераторов большой мощности демпферная сис­ тема, образованная клиньями ротора, является недостаточной для обеспечения необходимой термической стойкости ротора в несимметричных режимах. Поэтому ведущие фирмы переходят

на применение специальных демпферных обмоток на роторе.

Американская фирма «Дженерал Электрик» в крупных турбо­

генераторах применяет демпферную обмотку длиной 0.5 м в па­ зовой части, демпферная обмотка замыкается короткозамыкаю-

щим кольцом под бандажом. Клинья ротора этой фирмой выпол­ няются из дюралюминия, концевые — из немагнитной стали.

135

Для улучшения формы магнитного поля в зазоре клинья в пазах, ближайших к большому зубу, выполняются из магнитной стали.

Для двухполюсных турбогенераторов мощностью 1280 MBA

и более, а также четырехполюсных мощностью 1440 MBA и более

на роторе.

Фирма «Броун Бовери» применяет также полную демпферную обмотку на роторе в турбогенераторах мощностью 300 МВт и бо-

1 2

Рис. 7-3. Демпферные полосы в торцовой части ротора фирмы «Альстом».

1 — клин; 2 — первый стык между клиньями; з — массив ротора; 4 — торец бочки ротора.

лее, которая закладывается во все пазы, включая пазы в большом зубе (рис. 7-1). В зоне большого зуба заполнение всех проме­

жутков под бандажом обеспечивается припайкой дополнительных полос. Пазы большого зуба закрыты магнитными клиньями, ос­

136

тальные пазы — клиньями из немагнитного материала, одинако­

вого по всей длине.

В турбогенераторах фирмы «Альстом» демпферная обмотка

щения демпферной обмотки на большом зубе на нем имеются спе­ циальные пазы небольшой глубины. В торцовых частях ротора полосы демпферной обмотки замыкаются бандажным кольцом

(рис. 7-3). Медные полосы под бандажным кольцом отгибаются в разные стороны. В результате образуются две взаимно пере­ крывающиеся системы шин, которые при вращении ротора при­

жимаются одна к другой и к бандажному кольцу. Крайние клинья

серебрятся.

Фирма «Крафтверкунион» для генераторов большой мощности предполагает применить демпферные полосы по всей длине ро­ тора вблизи краев большого зуба для разгрузки ротора от вихре­ вых токов в несимметричных режимах.

37.- ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ РОТОРА В НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМАХ

Подробные исследования термической стойкости ротора были выполнены фирмой «Альстом» [50]. Исследования проводились на турбогенераторе мощностью 250 МВт, 3000 об./мин. в режимах

установившегося двухфазного короткого замыкания при отно­ шениях IiHn от 0.055 до 0.20, а также при форсировке возбужде­ ния с замкнутыми накоротко двумя фазами статорной обмотки. Измерения нагревов элементов ротора производились с помощью 75 термопар, установленных на бочке ротора и демпферной об­

мотке.

На рис. 7-4 приведена зависимость превышения температур

от (∕3∕∕b)2. Как следует из данных исследований, наибольший перегрев происходит в демпферной обмотке вблизи центра полюса.

Разность температур ротора у края поперечных канавок и около

их центра не превышает 10° С. Максимальная разность темпера­ тур между ротором и бандажным кольцом находится в пределах

Ho С.

На рис. 7-5 показаны зависимости превышения температур

от времени для различных значений (∕2∕∕u) Для термопары, нахо­ дящейся на демпферной обмотке между бандажным кольцом и бочкой ротора на оси полюса. По данным исследований, было получено, что для турбогенератора мощностью 250 МВт, 3000 об./мин. термическая стойкость ротора характеризуется критерием (∕2∕∕u)2 i=10.

После проведения исследований при осмотре ротора были

обнаружены мелкие выгорания диаметром порядка 1 мм на кон­

тактных поверхностях между клиньями и демпферными полосами,

137

а также между демпферными полосами и прокладками под бандаж­ ное кольцо. Кроме того, было установлено, что в этих местах кон­ такты не были достаточно совершенными.

ЛЭО «Электросила» и ВНИИЭ [44] были проведены подробные исследования турбогенератора мощностью 60 МВт, 3000 об./мин. в несимметричных режимах. Исследования проводились с по­ мощью 40 медпогкоистаитаповых термопар, расположенных в 20,

50 и 150 мм от торца бочки равномерно по зубцам и клиньям

по полуокружности. Определение установившихся нагревов про-

водилось в режиме двухфазного ко­ роткого замыкания вплоть до токов Z2=O-I I11. Нагревы элементов тор­

цовых зон ротора ’в кратковремен­

ных несимметричных режимах иссле-

Зависимости получены при, условии, что наибольшая темпе­ ратура клиньев при кратковременных несимметричных режимах ограничивается 200o С.

Распределение температуры вдоль концевого дюралюминиевого

Ili

Осмотр турбогенератора мощностью 60 МВт при снятых бан­ дажах показывает, что принятая во время испытаний в качестве

предельно допустимой температура до 200° G является занижен­ ной.

Обширные исследования термической устойчивости роторов

в несимметричных режимах были выполнены фирмой «Дженерал Электрик» (США). По результатам исследований, проведенных

138

Таблица 7-1

Зависимость I%t от I2

в 1958—1971 гг. на семи машинах мощностью 140—690 MBA, фирма допускает следующие значения величины Γ% t при кратко­ временных несимметричных режимах: двухполюсные турбогене­

Фирма допускает работу генераторов с длительной несимметрией, равной 8% тока статора.

C целью снижения местных нагревов в большом зубе расстоя­ ние между канавками Лаффуна и крайними пазами фирма «Дже-

нерал Электрик» принимает равным 70—80 мм.

139