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

ток турбогенераторов мощностью до 1600—2000 МВт, тогда как

обычная газовая система охлаждения оказывается недостаточной для таких машин. C целью повышения ее эффективности до уровня жидкостных систем фирма «Вестингауз» разработала замкнутую герметичную газовую систему с внешним контуром, которая подобна жидкостной, но в отличие от нее в системе циркулирует сжатый газ, находящийся под давлением 16—18 ата. Конструк­

ция стержней при такой системе не изменяется, так же как и при

открытых трубках стержни выполняются из двух или четырех рядов транспонированных сплошных проводников, а между рядами

устанавливаются охлаждающие трубки, выполненные из немаг­ нитной стали.

В современных турбогенераторах фирма «Вестингауз» приме­ няет также систему внутреннего водяного охлаждения обмотки статора.

23-. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ГАЗОВОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ОБМОТКИ РОТОРА

При повышении единичной мощности свыше 600—660 МВт

наиболее напряженным узлом турбогенераторов по нагреву оказы­ вается обмотка ротора с газовой системой охлаждения. Уже предварительные разработки показали, что в сверхмощных генера­ торах необходимо изыскивать средства повышения эффективности газового охлаждения обмотки ротора. Поэтому все ведущие фирмы,

использующие непосредственное водородное охлаждение обмотки ротора, провели большие исследовательские работы по совер­ шенствованию применяемых ими систем охлаждения. Ниже при­

водятся основные результаты выполненных работ.

Система охлаждения с подпазовым кана­ лом (рис. 2-9). Повышенная эффективность системы была до­ стигнута путем применения трапецеидальных пазов (рис. 2-10) с почти постоянными механическими напряжениями по высоте паза, повышенных скоростей газа в каналах для турбулизации его течения, а также усовершенствованных центробежных вентиля­ торов. В этой системе газ поступает в подпазовые каналы с обоих концов ротора и оттуда через радиальные каналы в обмотке про­ ходит в осевые каналы в проводниках. Радиальные каналы в верх­

ней части паза перекрываются с помощью клиньев. По осевым каналам газ проходит от радиального канала и выбрасывается в зазор через выходные радиальные каналы в обмотке, изоляции

иклиньях.

Впроводниках обмотки имеется по два аксиальных канала, которые образуют в пазу два ряда внутренних каналов. Каждый ряд объединяется в отдельную систему, выполненную индентично

другой, но имеет противоположное расположение входных и вы­ ходных отверстий. В результате достигается встречное движение

40

газа в каналах проводника. Применение такой радиально-аксиаль­ ной системы вентиляции обеспечивает почти равномерное рас­ пределение температуры по длине обмотки ротора.

На рис. 2-11 показано распределение превышений температур по длине ротора. Наиболее нагретая точка обмотки ротора нахо­

дится в зоне лобовых частей обмотки.

Как уже указывалось выше, в турбо­ генераторах мощностью более 500 МВт

паз выполняется трапецеидальным, что по­ вышает сечение меди в пазу примерно на 20%. Соответственно уменьшаются по­ тери в обмотке и облегчается решение проблемы ее охлаждения.

Высота проводников в трапецеидальном пазу подбирается таким образом, чтобы сечение проводников оставалось пример­

но неизменным. Так как из-за условий

механической прочности высота верхних проводников не может быть снижена, то

меняется форма каналов в этих провод­

никах.

Отношение поверхности канала к его

сечению в проводниках трапецеидального

паза меньше соответствующего отношения в проводниках прямоугольных пазов, и по­ этому возникает необходимость в увели­

чении скорости водорода в каналах. По­ следнее достигается путем увеличения шага

радиальных каналов. Течение газа в ка­

налах становится турбулентным, что объ­ ясняет факт повышения эффективности

ческого давления в канале, что приводит к большему расходу газа через радиальные каналы, располо-

женные ближе к центру ротора. В результате распределение превышений температур по длине ротора оказывается почти

равномѳрным.

По данным испытаний турбогенератора мощностью 660 МВт,

средний перегрев обмотки ротора при номинальном токе составил порядка 40° С, при максимальном перегреве 60°. Разработанную

42

На рис. 2-13 приведено распределение температур в роторе четырехполюсного турбогенератора во время его стендовых испы­

вдоль ротора образуются зоны входа и выхода газа. В диагональ­

Рис. 2-13. Распределение температур в роторе

срадиальным газовым охлаждением.

а— по длине ротора; б — по высоте катушки.

ной системе охлаждения происходит интенсивный теплообмен вследствие пересечения каждым диагональным каналом значи­ тельного числа других каналов с различной температурой газа

44

¾

в месте пересечения. На рис. 2-16 приведены теоретические кри­ вые распределения температур на расстоянии двух зон (входа и выхода газа) по высоте паза. Построим сначала приближенную картину распределения температур. Для этого предположим, что

Рис. 2-14. Сечение паза ротора с диагональной си­ стемой охлаждения с заборниками (фирма «Дженерал Электрик», США).

медь охлаждается только проходящим газом, а теплопередача по меди отсутствует; при этом коэффициент теплопередачи от газа на протяжении всего пути газа в прямом и обратном каналах со­ храняется неизменным. В этом упрощенном случае температура будет распределяться линейно и идентично для всех каналов вход­ ной и выходной зон. Поэтому температура меди на входе газа будет повыіпаться до температуры на дне паза (линия Л С). В зоне выхода

45

газа температура меди на дне паза (уровень СЕ) будет повышаться

до температуры меди на выходе газа из паза (рис. 2-16, а).

Рассмотрим менее приближенную картину распределения тем­ ператур, допустив наличие высокой теплопроводности поперек паза в местах пересечения каналов. Здесь, исходя из полученных

данных при отсутствии такой теплопроводности, температура меди будет средней. В этом случае пространственная картина распре­

деления температур будет образована не двумя наклонными

прямоугольными поверхностями, а четырьмя наклонными тре-

Рис. 2-15. Схема вентиляции диагональной системы с заборниками,

о— центральная часть обмотки ротора; б—промежуточная зона и лобовая часть об­ мотки; 1 — вход; 2 — выход; X —место перекрытия вентиляционного канала.

угольными поверхностями. В действительности теплопередача имеет место не только поперек меди в пазу, но также в аксиальном и радиальном направлениях, хотя в последнем случае тепло­ передача оказывает меньшее влияние по сравнению с тепло­ передачей в поперечном направлении. Если учесть теплопередачу во всех трех направлениях, то распределение температур будет

образовано профилями, ограниченными кривыми линиями

(рис. 2-16). Измерение распределения температур в реальных роторах с помощью термодатчиков полностью подтвердило ожидае­

мую картину. В частности, превышения температур меди на дне паза получились почти равномерными вдоль оси ротора, а превы­ шения температур меди в верхней части паза имели волнообраз­ ный характер распределения. Следует заметить, что большая часть меди в пазу имела температуру, близкую к средней. Однако име­

лось и некоторое различие между теоретическими и опытными кривыми распределения температур. Отклонение температуры в сторону понижения от средней температуры в центре зоны входа газа для верхнего витка получилось больше, чем отклоне­ ние температуры в сторону повышения в центре зоны выхода газа (точка 1). Это объясняется различием профилей канала на входе и в остальной его части.

46

Разработка диагональной системы охлаждения проводилась на основе экспериментов на статических и вращающихся лаборатор­ ных моделях, а также на основе измерений местных превышений

температур на турбогенераторах при номинальной скорости вра­ щения.

По мере увеличения мощностей турбогенераторов росла длина

их роторов и возрастало число зон диагональной системы охла­

ждения. При этом фирмой «Джене-

рал Электрик» была обнаружена тенденция повышения температур

в центральных зонах ротора. Это нежелательное явление продемон­ стрировано рис. 2-17, на котором приведены результаты измерений

превышений температур: газа в за­ зоре машины, верхнего витка и

витка, близкого ко дну паза. Сле­ дует заметить, что в связи с ис­ пользованием в. экспериментах раз­

личных газоразделительных пере­ городок на торцах сердечника

получился несколько больший приток газа со стороны турбины. В связи с этим кривая температур

паза температура средняя, что

соответствует рис. 2-16. При этом наиболее высокие температуры получились в центральной части ротора. Это связано с тем, что нагретый в роторе газ, выходящий из зоны выхода, попадает частично снова в ротор через зону входа. Для исключения этого явления один из роторов фирмой «Дженерал Электрик» был вы­

полнен с кольцами из немагнитной стали, которые разделяли зоны входа и выхода газа. Эти кольца были надеты на ротор с натягом. Их диаметр был выбран таким образом, чтобы радиальное рас­

стояние между кольцами и внутренней расточкой статора состав­

ляло 25.4 мм. В этом случае перекрывалось около 70% зазора ма­ шины, но не создалось трудностей при сборке турбогенератора

(ротор вводился в статор обычным путем). Испытания на заводе проводились с газоразделительными кольцами и без них; одновре­ менно подбирались газоразделительные перегородки по концам сердечника.

47

Результаты испытаний ротора с разделительными кольцами представлены на рис. 2-17. Температура наиболее.нагретой точки меди в центре ротора уменьшилась на 30%. Здесь потоки газа ока­ зались хорошо стабилизированными. Превышения температуры газа в зонах входа составили около 15° С. В концевых зонах раз­ деление газа не было достаточно хорошим, поэтому имела место некоторая рециркуляция газа, и температура меди в этих зонах

а

верхний виток в пазу; 4 — температура меди; 5 — второй виток от дна паза; 6 — разделительное вращающееся кольцо; 7 — разделительная перегородка.

оказалась выше, чем в центральных. Тем не менее среднее превы­ шение температуры обмотки уменьшилось на 13%.

В 1965 и 1967 гг. фирмой «Дженерал Электрик» были проведены еще более обширные испытания, в процессе которых газораздели­ тельные кольца были установлены как на роторе, так и на статоре. При этом испытания проводились сначала порознь с одной систе­

мой колец, а затем одновременно с обеими системами. Во время опытов изменялись расстояния между кольцами на роторе и ста­ торе (рис. 2-4). Испытания показали, что разделительные кольца на статоре более эффективны, чем на роторе (при одинаковом радиальном размере). Наилучшие результаты достигаются в слу­

чае использования разделительных колец одновременно и на ста­

торе, и на роторе.

48