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

ГЛАВА ВТОРАЯ

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ И ТЕНДЕНЦИИ ИХ РАЗВИТИЯ

12.- СХЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

В современных турбогенераторах мощностью порядка 600— 815 МВт наибольшее распространение получили комбинирован­ ные системы охлаждения: непосредственное водородное охлажде­ ние обмотки ротора и внутреннее водяное охлаждение стержней обмотки статора. Охлаждение сердечника статора и поверхности ротора осуществляется традиционной системой водородного охла­

ждения с радиальной или аксиальной схемой циркуляции газа.

Некоторые фирмы, например «Вестингауз» и связанные с ней

фирмы «Мицубиси», «Жемон» и др., до настоящего времени ис­ пользуют систему непосредственного водородного охлаждения как для обмотки ротора, так и для обмотки статора. Фирма «Крафтверкунион» для мощных турбогенераторов применяет непосред­ ственное водяное охлаждение обмотки ротора, а фирма «Броун Бовери» — систему полного водяного охлаждения, включающую также и водяное охлаждение сердечника статора.

На рис. 2-1, а показана схема газового охлаждения фирмы

«Вестингауз». Охлаждающий газ циркулирует под воздействием высоконапорного многоступенчатого аксиального компрессора, установленного на валу ротора со стороны турбины. В сердечнике

статора охлаждающий газ проходит по радиальным каналам ши­ риной 2—3.5 мм между пакетами стали. В обмотке статора газ прогоняется через вентиляционные трубки в середине стержней между рядами элементарных проводников. В проводниках обмотки

ротора газ проходит двумя потоками от торцов бочки к середине ротора.

Напор и расход газа по внутренним каналам выбираются та­ кими, чтобы перегрев обмоток статора и ротора относительно

охлаждающей воды в газоохладителях, которая принимается рав­ ной 35°, не превышал 65°.

Для турбогенераторов большой мощности фирма «Вестингауз» применила усовершенствованную зонную систему охлаждения генераторов с поперечными, кольцевыми по всей окружности

перегородками в зазоре. Турбогенератор по длине разделен на ряд

холодных и горячих отсеков (рис. 2-1, б), причем каждый из холод-

30

них отсеков с помощью газопроводов в корпусе статора соеди­ няется с камерой высокого давления на выходе из высоконапор­ ных вентиляторов, установленных на валу ротора. Охлаждаю­

щий газ через радиальные каналы в сердечнике статора нагне­ тается в кольцевые отсеки зазора машины и через радиальные

отверстия — в аксиальные каналы в проводниках обмотки ро­ тора. По аксиальным каналам газ проходит определенный участок

по длине ротора и через радиальные отверстия выходит в горячий кольцевой отсек воздушного зазора, откуда через радиальные

а

каналы сердечника статора и газопроводы в корпусе статора направляется в камеру низкого давления перед входом в вентиля­ тор. C увеличением количества холодных и горячих отсеков по длине генератора повышается общий объем газа, проходящего через каналы обмотки ротора, и соответственно снижается перегрев

меди проводников, поскольку последний определяется скоростью

движения газа и длиной отдельного охлаждающего канала в об­ мотке. При такой системе эффективность охлаждения ротора

повысилась по сравнению с первоначальной в 1.7 раза.

Циркуляция газа в турбогенераторах фирмы «Дженерал Электрик» (рис. 2-2) осуществляется под воздействием аксиаль­

ных вентиляторов, установленных с двух сторон на валу ротора. По длине ротора имеется ряд входных участков, через которые газ поступает во внутренние каналы, и ряд выходных участков, чередующихся с входными, через которые охлаждающий газ выбрасывается в зазор.

31

Обмотка статора, как уже указывалось выше, имеет водяное охлаждение стержней.

Сердечник статора охлаждается газом, протекающим через радиальные вентиляционные каналы. Чтобы исключить перемеши­ вание нагретого газа, поступающего из напорного отсека статора

взазор машины на вход внутренних каналов обмотки на входном отсеке ротора, и тем самым существенно повысить эффективность

охлаждения обмотки ротора, фирма «Дженерал Электрик» (США) также переходит к использованию системы охлаждения с попереч­

ными перегородками в зазоре машины. Поперечные перегородки

взазоре между входными и выходными отсеками ротора могут

быть осуществлены путем установки на стыках отсеков ротора

Рис. 2-2. Схема циркуляции газа в турбогенераторах фирмы «Дженерал Электрик» (США).

колец из немагнитной стали, а также путем установки на поверх­ ности расточки статора элементов кольцевых перегородок, обра­

зующих кольцевые перегородки на местах стыка отсеков ротора. Поскольку при наличии кольцевых перегородок в расточке ста­ тора затрудняется монтаж турбогенератора, так как заводка ро­

тора в расточку статора должна быть навесной, фирма «Дженерал Электрик» в нижней части расточки статора на длине 1∕6 окруж­ ности не устанавливает элементов кольцевых перегородок (рис. 2-3).

Элементы кольцевой перегородки выполняются из маслостойкой и короноустойчивой синтетической резины и крепятся к пазовым клиньям статора. При такой реконструкции прежней системы охлаждения средний перегрев обмотки ротора снижается на 15% , что соответствует снижению перегрева охлаждающего газа на входном отсеке приблизительно на IO0 С. Установка разделитель­ ных колец только на статоре также позволяет обеспечить повыше­ ние эффективности охлаждения обмотки ротора.

Совершенствование газовых систем охлаждения обмотки ро­ тора позволяет повысить их эффективность и при этом в целом обеспечивается возможность увеличения единичной мощности турбогенераторов или снижение их габаритов.

Однако для таких фирм, как, например,* «Броун Бовери», «Крафтверкунион», газовые системы охлаждения роторов которых

32

менее эффективны по сравнению с газовыми системами американ­

ских фирм, более предпочтительно создание и внедрение систем

водяного охлаждения, способных решать проблему охлаждения ротора для перспективных машин. В настоящее время изготовлены опытные роторы с водяной системой охлаждения для турбо­

(«Крафтверкунион», ФРГ) и др., в ФРГ находятся в производстве

Рис. 2-3. Кольцевые перегородки в зазоре, установленные в расточке статора турбогенераторов фирмы «Дженерал

Электрик» (США).

четырехполюсные турбогенераторы мощностью 1060 и 1500 MBA с водяной системой охлаждения обмоток роторов.

Фирма «Крафтверкунион» для турбогенератора АЭС «Библис» использует водяное охлаждение обмоток статора и ротора, а также

всех других токоведущих частей: токоподводов обмотки ротора, соединительных шин обмотки статора, вводов. Другие элементы генератора — сердечник статора, поверхность бочки ротора, кор­ пус и конструктивные элементы торцовой зоны генератора — охлаждаются водородом при давлении 4 ата. Система водород­ ного охлаждения симметрична относительно центра генератора. Холодный газ из газоохладителей, расположенных в концевых частях генератора, через отверстия в корпусе, радиальные ка­ налы сердечника статора и зазор поступает к вентиляторам и оттуда в охладители. Выбор системы охлаждения произведен

сучетом наиболее интенсивного выделения потерь в отдельных частях генератора (рис. 2-4). Удельные потери имеют наибольшую величину в двух обмотках, имеющих водяное охлаждение. Удель­ ные потери в других элементах невелики и выделяются главным образом на поверхности, поэтому водородное охлаждение этих элементов является вполне достаточным. При давлении водорода 4 ата и скорости 10—15 м/сек. температура элементов не превы­ шает 20°. Потери на поверхности бочки ротора относительно

высоки, однако превышение температуры будет небольшим из-за высоких окружных скоростей ротора и хорошей теплопередачи

споверхности ротора. Кроме того, часть потерь будет отводиться

Рис. 2-4. Удельные потери (Вт/дм2) в различных частях турбогенератора для АЭС «Библис» (фирма «Крафтверкуниоп», ФРГ).

к обмотке возбуждения. Удельные потери в торцовых частях генератора имеют такую же величину, как и потери в обмотке, и поэтому необходимо такое же интенсивное охлаждение их.

Однако если применить экранирование массивных частей, выпол­ нить их из немагнитной стали, а также обеспечить достаточную поверхность охлаждения, водород обеспечит удовлетворительное охлаждение и этих частей генератора.

Дальнейшим развитием систем водяного охлаждения турбо­ генераторов является внедрение водяного охлаждения сердечника статора и отказ от заполнения корпуса статора водородом. Фирма

«Броун Бовери» изготовила турбогенератор мощностью 300 MBA

с такой системой охлаждения (рис. 2-5).

Охлаждение сердечника статора осуществляется с помощью

установленных в нем аксиальных охлаждающих изолированных труб. Часть потерь в сердечнике отводится также через обмотку

статора, поскольку температура обмотки ниже температуры сер­ дечника. Водой охлаждаются также нажимные плиты сердечника,

щиты статора и другие элементы конструкции торцовой зоны. Результаты калориметрических испытаний, проведенные на

турбогенераторе 300 MBA фирмы «Броун Бовери», выявили сле-

34

дующее распределение добавочных потерь в режиме короткого

Для уменьшения потерь на трение ротор от статора отделен с помощью цилиндра из стеклопластика, на внутренней поверх­ ности которого расположены

охлаждающие трубы из не­ магнитной стали для отвода потерь на трение в зазоре. Давление воздуха в зазоре

0.5 ата. По данным измере­

ний, использование стекло­ пластикового цилиндра при нормальном давлении возду­

ха в зазоре уменьшает поте­

ри на трение на 25—30%. При несколько пониженном давлении потери на трение уменьшаются в еще большей степени.

Охлаждающие трубы на

составляют 28 кВт.

При отсутствии циркуляции воздуха в зазоре ротор должен быть выполнен таким образом, чтобы водяное охлаждение обмотки возбуждения и демпферной обмотки обеспечивало снятие потерь

в самих обмотках, в зубцах и клиньях ротора от высших гармони­ ческих поля в зазоре и обратного поля в несимметричных режимах, а также частично снятие потерь на трение. Для обеспечения теплоотдачи от зубцов ротора к демпферной обмотке предусмотрен улучшенный контакт демпферной обмотки с ротором. На рис. 2-6 показано температурное поле ротора, полученное в предположе­ нии, что все потери выделяются на внешней поверхности ротора.

36

Заводом «Сибэлектротяжмаш» освоєно серийное производство турбогенераторов типа ТВМ-300 мощностью 300 МВт, 3000 об. /мин.

с водомасляным охлаждением, которые являются дальнейшим

развитием турбогенераторов с полным водяным охлаждением [27].

Встальной разъемный корпус статора набираются сегменты активной стали в виде целого пакета, имеющего аксиальные штампованные каналы для охлаждения.

Врасточку статора вставляется цилиндр из изоляционного материала, концы которого закрепляются в торцовых щитах,

имеющих уплотнения по наружному и внутреннему диаметру. Поскольку вся обмотка статора оказалась погруженной в масло,

оно является одновременно и изоляционной, и охлаждающей сре­

дой. При этом охлаждение меди обеспечивается маслом, протекаю­ щим по каналам и охлаждающим также все конструктивные эле­

менты торцовой зоны статора.

Обмотка и контактные кольца ротора имеют непосредственное

водяное охлаждение.

2-. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ОБМОТКИ СТАТОРА

При создании турбогенераторов мощностью 200—500 МВт

повышение эффективности охлаждения обмотки статора было обеспечено за счет непосредственного водородного (фирма «Вестин­

гауз», завод «Электротяжмаш») или водяного охлаждения (фирма

«Дженерал Электрик», США, ЛЭО «Электросила»). Завод «Сиб­ электротяжмаш» применил в турбогенераторах мощностью 300 МВт

масляное охлаждение обмотки статора.

Создание турбогенераторов мощностью 800—1200 МВт и более связано с необходимостью дальнейшего совершенствования охла­ ждения обмотки статора. Решение этой задачи сопряжено с опре­ деленными трудностями. Пути повышения интенсивности тепло­ отвода от обмотки статора могут быть обеспечены как путем сокращения длины каналов, так и путем повышения скорости движения воды в каналах.

В турбогенераторе мощностью 500 МВт (ЛЭО «Электросила») используется последовательное соединение по воде двух стерж­ ней обмотки статора. В турбогенераторе мощностью 800 МВт

для повышения эффективности охлаждения применена параллель­ ная система охлаждения всех стержней. Подача воды в обмотку

осуществляется со стороны турбины, отвод — со стороны возбу­ дителя. Такую же схему предполагается применить и в турбо­ генераторе мощностью 1200 МВт.

Дальнейшее повышение эффективности охлаждения может быть

обеспечено лишь путем увеличения скорости движения воды

вполых проводниках обмотки. В настоящее время скорость воды

вканалах обмотки статора 1—1.5 м/сек. По данным исследований, повышение скорости воды выше 2 м/сек. связано с опасностью

37

возникновения гидравлических ударов и эрозии материала

проводников. При необходимости дальнейшего повышения ско­

рости воды, по-видимому, придется применять трубки из нержа­

веющей стали. В то же время увеличение плотности тока в об­ мотке вызывает повышение скорости перегрева проводников, что приводит к высоким градиентам температуры по толщине изоля­ ции и резким тепловым расширениям.

Рис. 2-7. Водоподвод к стержням обмотки статора. 1 — электрические соединения; 2 —гидравлические соединения.

Фирмами «Дженерал Электрик», «Тосиба», «Альстом» и др. система водяного охлаждения обмотки статора выполняется в основном с использованием напорного и сливного коллекторов, которые с помощью фторопластовых шлангов соединяются с разда­

точными (сливными) камерами в головках стержней (рис. 2-7).

Стержни обмотки статора при этом выполняются из транспониро­ ванных элементарных проводников, часть из которых представ­ ляют собой полые трубки прямоугольного сечения, выполненные из меди или из немагнитной стали («Броун Бовери»). Если ис­ пользуются медные полые проводники, то между ними в верти­

кальном ряду стержня укладываются 2—3 сплошных проводника, которые с целью снижения потерь от вихревых токов обычно имеют значительно меньшую толщину. В тех случаях, когда для охла­

ждающих трубок используется нержавеющая сталь, число сплош­

ных проводников принимается равным 6—8. При такой схеме

38

подвода (отвода) охлаждающей воды каналы двух стержней

соединяются обычно последовательно с тем, чтобы напорный и сливной коллекторы можно было расположить на одной стороне машины. В турбогенераторах большой мощности выполняются схемы с параллельным соединением каналов всех стержней.

Рис. 2-8. Гидравлические соединения головок обмотки статора фирмы

«Парсонс» (Англия).

В отличие от рассмотренной схемы фирма «Парсонс» исполь­ зует схему групповой подачи охлаждающей воды (рис. 2-8). При этом все головки стержней одной полуфазы монтируются в днище напорной (сливной) камеры, выполненной из пластмассы. G каждой стороны машины по окружности на диаметре располо­ жения головок обмотки монтируется по 6 водяных камер: с одной стороны напорных, с другой — сливных. Подвод (или отвод) охлаждающей воды к камерам осуществляется с помощью трубча­

тых выводных концов обмотки и дополнительных труб.

Система водяного охлаждения обмотки статора является доста­ точно эффективной и обеспечивает возможность охлаждения обмо-

89