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

возрастания диаметра ротора. Напор газа увеличивается пропор­ ционально квадрату диаметра ротора, скорость газа в каналах растет почти пропорционально корню квадратному из величины

напора или пропорционально диаметру ротора. Поскольку пло­ щадь потока газа через отверстия в заборниках увеличивается почти пропорционально диаметру ротора (большее число отвер­ стий), то расход газа будет равен величине, соответствующей

Рис. 2-19. Система охлаждения ротора с размещением выход­ ных дефлекторов на большем его диаметре (фирма «Джеперал Электрик», США).

квадрату диаметра. Магнитодвижущая сила ротора увеличивается в зависимости от величины расхода газа, возведенной в степень

0.5—0.4. Если принять степень равной 0.45, то мдс ротора будет расти пропорционально степени 0.9 диаметра ротора. В случае

увеличения диаметра на 10% мдс ротора повышается на 9%.

Таким образом, принимая во внимание увеличение диаметра

ротора в связи с возрастанием мощности турбогенератора, а также возможность использования выступающих заборников и увели­ ченного диаметра в зонах выхода газі, можно ожидать роста мдс ротора на 20—30%.

Кроме того, имеются возможности и дальнейшего увеличения

мдс ротора за счет некоторого роста площади каналов, лучшей

подготовки уплотнений ротора, некоторого увеличения расхода

50

газа через каналы и применения систем с разными давлениями

в зонах зазора.

Система водородного охлаждения ро­ тора с поперечными каналами и заборни­ ками. Венгерская фирма «Ганц» с целью повышения эффектив-

Рис. 2-20. Поперечное сечение паза ротора с поперечными каналами для охлаждения (фирма «Ганц», Венгрия).

ности газового охлаждения обмотки ротора разработала радиально­

во внутренние каналы с помощью заборников на поверхности ро­ тора и выброса газа в зазор через дефлекторы. Однако в отличие

от системы охлаждения с заборниками в обмотке выполняются бо-

4* 51

ковше каналы, в которые нагнетается охлаждающий газ через заборники (рис. 2-20). В составных проводниках обмотки ротора

имеется система поперечных каналов малого сечения, в которые газ поступает из радиального напорного канала и проходит в выходную систему, выполненную аналогично напорной на дру­

гой стороне катушки и соединенную с выходным отверстием де­ флектора. При такой системе имеется возможность увеличить об­ щую поверхность охлаждения проводников, в результате чего можно снизить их нагрев или повысить плотность тока в об­

мотке.

В турбогенераторах с радиально-поперечной схемой охлажде­ ния обмотки ротора используется радиально-тангенциальная схема циркуляции газа в машине. Корпус статора и сердечник

по окружности делятся на 4 продольных отсека, два из которых являются напорными, а два других — выходными. Из входных отсеков, расположенных диаметрально друг другу, охлаждаю­ щий газ по радиальным каналам направляется в зазор машины, далее по зазору в тангенциальном направлении он проходит до выходных отсеков сердечника и по радиальным каналам этих участков поступает в выходные отсеки корпуса статора.

Охлаждение лобовых частей обмотки

ротора. J3 решении проблем охлаждения ротора важное место принадлежит охлаждению лобовых частей и промежуточной

зоны между лобовой частью обмотки и ее пазовой частью.

Схема охлаждения лобовых частей обмотки ротора, приме­ няемая в турбогенераторах фирмы «Дженерал Электрик» (Анг­ лия), показана на рис. 2-9 и 2-11.

Фирма «Дженерал Электрик» (США) использует следующие принципы для охлаждения лобовых частей обмотки ротора:

а) передачу тепла от наружных поверхностей катушек охлажда­ ющему газу, усиливаемую за счет вентиляторного действия ка­

налов между катушками; б) припайку дополнительных ребер

к торцовым частям полосовой меди обмотки для увеличения поверхности наружного охлаждения; в) передачу тепла газу, про­ ходящему внутри продольных каналов в лобовых частях за счет явления самовентиляции. В последнем случае используются раз­ ные направления потока газа: газ может идти в сторону пазов

или в сторону лобовых дуг катушек. Иногда применяется комби­ нированное решение. Для машин повышенных мощностей внут­ ренние каналы в лобовых частях делятся на более короткие и со­ здаются параллельные пути. При этом газ проходит из внутрен­ них каналов через всасывающие отверстия в катушках ротора или больших зубцах и выбрасывается через центрирующее кольцо

в сторону подшипников.

Схема охлаждения промежуточной зоны обмотки ротора по­ казана на рис. 2-15, б. Здесь газ движется из коротких подпазо­ вых участков в продольные аксиальные каналы внутри прово­

52

дов и далее через диагональные каналы внутри проводников в зоны выброса.

Схема охлаждения лобовых частей обмотки ротора турбо­

генераторов фирмы «Ганц» приведена на рис. 2-21. Лобовые

части обмоток расположены на изоляционном и центрирующем цилиндрах. Последний закреплен на торцовой поверхности бочки ротора. В толстостенном центрирующем цилиндре сде-

Рис. 2-21. Схема охлаждения лобовой части обмотки ротора турбогенера­ тора фирмы «Ганц», Венгрия.

ланы внутренние и внешние каналы, которые делают цилиндр эластичным. Охлаждающий газ попадает из внутренней полости центрирующего цилиндра через отверстия в нем и в изоляцион­ ном цилиндре в пространство между катушками. Далее газ про­

ходит через катушки лобовых частей в поперечном направлении

точно так же, как и в пазовой части. Затем через отверстия в изо­ ляционном цилиндре он попадает в аксиальные каналы в цент­ рирующем цилиндре и в канал центрирующего кольца, откуда выходит из ротора под действием центробежного вентилятора, расположенного у торцовой части бандажного кольца.

42-. ВОДЯНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ОБМОТКИ РОТОРА

В роторах с водяной системой охлаждения обмотки обычно используются полые проводники (рис. 2-22), однако конструк­ тивное исполнение водоподводов (водоотводов) к обмотке ротора различные фирмы выполняют по-разному. Следует отметить, что

до настоящего времени не создано такой конструкции водоподвода, которая обеспечивала бы возможность параллельной подачи воды в каждый виток или полувиток катушек возбуждения.

Например, в проводнике (20×20 мм2) с внутренним каналом диаметром 12 мм и длиной 12 м при скорости движения воды

53

54

IOOOo С, пайка соединительного элемента с витком обмотки осу­ ществляется с помощью серебряного припоя при температуре

617° С.

Насос для прокачки охлаждающей воды находится непосред­ ственно на валу ротора (рис. 2-27). Этот же насос используется

для обеспечения циркуляции воды в обмотке статора. Для умень­ шения возможности коррозии бочки ротора в системе водяного

охлаждения предусмотрен палладиевый катализатор, позволя-

Рис. 2-24. Схема водяного охлажденияобмотки ротора турбогенератора ТГВ-500 завода «Электротяжмаш».

1 — подвод воды; 2 — слив.

ющий значительно снизить содержание кислорода, попадающего в охлаждающую воду при соприкосновении с атмосферным воз­

духом в узле водоподвода к ротору.

В турбогенераторе фирмы «Броун Бовери» с полным водяным охлаждением обмотка ротора генератора многослойная. Электри­ ческие соединения и подвод воды осуществляются на внешней окружности лобовых частей обмотки. Водяной распределительный коллектор жестко прикрепляется к бандажному кольцу ротора и делится на четыре камеры — две напорные и две сливные.

На стороне, противоположной водоподводам, лобовые части об­

мотки возбуждения выполняются концентрическими. Вода к рас­

пределительному коллектору из центрального отверстия посту­ пает через радиальные водоподводящие трубки из нержавеющей стали. Трубки из изоляционного материала располагаются на уровне головок катушек.

56

В 1969 г. ЛЭО «Электросила» изготовлен и испытан опытный турбогенератор типа ТЗВ-60-2 с полным водяным охлаждением. Он имеет непосредственное водяное охлаждение обмоток статора

и ротора, а также водяное охлаждение активной стали статора, конструктивных элементов торцовой зоны, щеток и траверсы. Корпус генератора заполняется воздухом при атмосферном дав­ лении.

Рис. 2-25. Подвод и слив воды в роторе турбогенератора фирмы «Крафтвер-

кунион».

1 — подвод воды; 2 — водяной коллектор; З — изоляционная трубка; 4 — водоподвод; 5 — соединение водоподвода с витками; 6 — слив воды.

В опытном роторе принята самонапорная система водяного охлаждения (рис. 2-28). При помощи фасонного кольца, при­

крепленного к упорному кольцу над отверстиями для нижних выводов катушек, образуется кольцевой коробчатый, открытый к валу напорный коллектор, куда свободно заливается охлаж­ дающая вода. Захватываемая вращающимся ротором вода посту­

пает к нижним выводам катушек, центробежной силой прогоня­ ется по каналам проводников обмотки, вытекает из верхних

выводов катушки и по сливному кольцу, прикрепленному к упор­ ному кольцу над отверстиями для верхних выводов, выбрасы­

вается в неподвижную сливную камеру.

57

Подвод охлаждающей воды в напорный коллектор осуществ­

ляется через водоподводящее кольцо, герметически закрепленное к корпусу сливной камеры. В этом кольце для воды имеются аксиальные каналы, заканчивающиеся соплами, направляющими воду в коллектор в сторону вращения ротора. Водоподводящее кольцо имеет кольцевой гребень, образующий при вращении ротора центробежный водяной затвор, герметически отделяющий

камеру слива от внешнего воздуха. Как показали исследования,

центробежный водяной затвор исключает поступление внешнего воздуха в камеру слива и попадание влаги на статор.

Поддержание заданного уровня воды в напорном коллекторе

достигается при помощи скребкового трубчатого приемника, уста­

цепей охлаждения и минимальное число водоподводов.

Водоподводы закреплены на бандажном узле, имеющем одну посадку на бочку ротора. C неподвижными узлами подвода и слива

они соединяются только через открытые струи воды, что устра­ няет трудности выполнения водоподводов, связанные со взаим­ ными перемещениями вала и бандажного узла.

При самонапорной системе отпадает необходимость в уплот­ нениях ввода воды в ротор, а также в защите вала от коррозии.

Скорость воды в каналах обмотки ротора составляет около 4.5 м/сек. Допустимость такой скорости в отношении эрозии подтверждается опытом завода «Электросила».

Более 9 лет в эксплуатации находится опытный ротор турбо­

генератора мощностью 50 MBA и около 5 лет — мощностью

235 MBA; скорость воды в каналах обмотки этих турбогенера­ торов 4—4.5 м/сек. После шестилетней эксплуатации ротора

турбогенератора 50 MBA для контроля были сняты бандажи

и разрезано несколько проводников на углах и в других местах катушек. Никаких следов коррозии и эрозии проводников и на­ конечников не было обнаружено.

58

В более мощных турбогенераторах скорость воды в каналах обмотки ротора будет достигать 7—8 м/сек. Для проверки до­ пустимости такой скорости был построен стенд, на котором в те­

чение ряда лет испытывались проводники, наконечники и изоля­ ционные водоподводы при скорости воды в каналах до 12.5 м/сек. и температуре 70—80° С. Никаких нарушений в каналах провод­

ников и деталей пока не обнаружено; толщина вымытого слоя меди составляет менее 1 мк в год.

Отсутствие разрушений кавитационного типа объясняется уме­

ренной скоростью и избыточным давлением воды в каналах.

Для исключения кавитации при самонапорной системе необхо­

димо исключить возможность возникновения пониженного давле­

ния в каналах (разрежения), которое может возникнуть в начале переходов от витка к витку. Величина центробежного давления,

образующегося в переходах от витка к витку в роторе cn=3000 об./мин., может быть представлена формулой:

59