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

где hup — радиальная высота изолированного проводника, см,

√jcp — средний радиус вращения перехода, см.

Давление, образующееся в переходах, возрастает пропор­ ционально радиусу вращения перехода. При отсутствии началь­ ного запаса давления для компенсации суммы разностей прироста давления во всех переходах в начале переходов возникает разре-

Рис. 2-28. Конструктивная схема охлаждения обмотки ротора.

1 — фасонное кольцо; 2 — упорное кольцо; з — нижние выводы катушек; 4 — тело ро­ тора; S — катушки обмотки ротора; S — верхние выводы катушек; 7 — сливное кольцо; 8 — сливная камера; 9 — водоподводящее кольцо; 10 — сопло; 11 — кольцевой гребень; 12 — лабиринтное уплотнение.

жение и возможна кавитация. Во избежание этого давление,

создающееся к началу первого витка, должно быть не менее

где Wk — число витков в цепи охлаждения.

Создать такое давление не представляет трудностей. В опыт­ ном роторе начальное давление составляет 12.7 кГ/см2, а давле­ ние, необходимое для исключения разрежения, должно быть не ниже 1.53 кГ/см2.

Общая мощность, затрачиваемая на прохождение воды через обмотку ротора, состоит из полезной (насосной) мощности, затра­ чиваемой на преодоление гидравлического сопротивления цепей,

(2.3)

гДе Gi — расход воды через ротор, кг/сек., а также из потерь энергии на угловое ускорение воды и ее выброс из ротора на

60

большом радиусе вращения. Наибольшая мощность потерь мо-

са. Значительное снижение потерь может быть получено также сливом воды по каса­ тельной в сторону, противо­

положную направлению вра­

щения ротора.

При рассмотрении роторов с самонапорной системой во­

Существенное уменьшение мощности, затрачиваемой на дви-

жение воды через ротор, при сохранении обмоточных данных возможно только за счет создания низконапорной системы охлаждения с большим числом параллельных цепей охлаждения и водоподводов, с подачей и сливом воды через вал.

52-. ВНЕШНИЕ СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

На рис. 2-30 приведена схема водяного охлаждения турбоге­ нераторов с водяным охлаждением обмоток статора и ротора

фирмы «Крафтверкунион». Для обеспечения циркуляции дистил­ лята в цепях водяного охлаждения обмоток статора и ротора

61

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

СЕРДЕЧНИК И КОРПУС СТАТОРА

31-. СЕРДЕЧНИК СТАТОРА

Наиболее тяжелой частью турбогенератора является сердеч­ ник статора. Поэтому для обеспечения возможности транспор­

тировки генератора, снижения его веса и стоимости все фирмы

стремятся выполнить сердечник с таким расчетом, чтобы уровень магнитной индукции в частях сердечника был максимально высо­ ким. При создании сердечника ограничивающими факторами являются насыщение магнитной цепи, потери в сердечнике и до­ пустимый уровень вибрации. Хотя, как правило, индукция в зуб­

цах сердечника принимается достаточно большой, потери в зуб­

мотки это практически не вызывает трудностей при охлаждении рассматриваемой части машины. Когда пазы генератора выпол­

няются относительно глубокими, растет величина н. с. для про­ ведения потока через зубцы, однако в современных турбогенера­ торах этот рост по сравнению с н. с. зазора не является сущест­

венным. Однако желательно ограничить насыщение коронок зуб­ цов во избежание дополнительных потерь в верхних проводниках стержней обмотки статора из-за увеличения радиального потока

в пазу.

Основным фактором, определяющим выбор размеров ярма

сердечника статора в двухполюсных турбогенераторах, является обеспечение необходимой виброустойчивости сердечника. Одним из основных источников вибрации статора является магнитное тяжение полюсов ротора, которое в мощных турбогенераторах превышает 2 кГ/см2. Силы такой интенсивности при вращении ротора могут вызвать значительную вибрацию сердечника, даже если сердечник далек от резонанса.

Большинство фирм считает приемлемым уровень вибрации сердечника статора 50 мкм. Вибрация ниже этой границы приво­ дит к неоправданному увеличению веса статора. Так, для турбо­ генератора мощностью 500 МВт, 3000 об./мин. снижение вибра-

63

ции до 37.5 мкм увеличивает вес сердечника статора со 170 до

190 т.

Изгибные колебания сердечника обратно пропорциональны модулю упругости сердечника и кубу высоты спинки ярма. По­ этому эти два фактора в основном и определяют уровень вибрации сердечника статора.

их длительности, удельного давления, подогрева сердечника при

опрессовке.

Как показали проведенные исследования, существенного повы­ шения модуля упругости можно достигнуть путем склеивания листов стали в процессе сборки сердечника и последующего их запекания. Кроме того, склеивание листов сердечника является эффективным средством для предотвращения расслоений листов в случае ослабления опрессовки в зоне зубцов. По данным фирмы

«Парсонс», модуль упругости сердечника при этом достигает величины 1.4∙108 кГ/см2.

Английская фирма «Парсонс» производит склеивание листов сердечника, для чего с одной стороны каждого листа на кера­ мическую изоляцию наносится слой клея. При сборке произво­ дится регулярная подпрессовка сердечника. После сборки сер­ дечник нагревается до температуры полимеризации клея. Фирмы

«Дженерал Электрик» (США) и «Крафтверкунион» (ФРГ) кон­

цевые пакеты сердечника статора выпускают клеенными.

Всеми фирмами сердечник статора мощных турбогенераторов,

как правило, собирается из листов холоднокатаной ориенти­ рованной электротехнической стали толщиной 0.35—0.5 мм. Та­ кая сталь обеспечивает более низкие потери и большую магнит­ ную проницаемость в направлении прокатки. Однако для этой стали модуль упругости вдоль проката оказывается существенно ниже. Поэтому, учитывая, что потери в стали составляют не более 10% общих потерь в машине, представляется целесообраз­ ным штамповать сегменты сердечника статора таким образом, чтобы магнитный поток в спинке проходил поперек проката.

Английская фирма «Дженерал Электрик» для сердечника

статора двухполюсных турбогенераторов использует холоднокатан-

ную изотропную легированную электротехническую сталь тол­ щиной 0.35 мм с содержанием кремния 3%. Анизотропная холодно­

катаная сталь используется этой фирмой только для четырех­ полюсных турбогенераторов. Несколько ранее фирма применяла для сердечников горячекатаную сталь. Однако холоднокатаная

сталь обеспечивает меньшие допуски по толщине сегментов и луч­ шую отделку поверхности. В результате достигается большая монолитность сердечника и меньший уровень шума.

64

Изоляция листов стали большинством фирм выполняется с помощью лака; английские и японские фирмы для этой цели

используют керамическую изоляцию или изоляцию на основе каолина (наполнитель) и органического связующего. На заводах фирмы «Дженерал Электрик» листы стали покрываются лаком один раз. Качество лакировки сегментов проверяется на специаль­ ном устройстве; критерием служит величина тока, протекающего

между электродами при приложении между острым и тупыми электродами напряжения, равного 0.5 В. На фирме «Крафтвер-

кунион» сегменты сердечника изолируются высокопрочной бума­ гой повышенной теплостойкости толщиной 0.02 мм. Общая тол­

щина изоляции, включая клей, равна 0.025 мм.

Листы сердечника крепятся на клиньях-призмах, которые некоторые фирмы изготовляют латунными («Дженерал Электрик»,

Англия, «Аллис-Чалмерс», США) или бронзовыми (СЕМ, Фран­

ция). Фирма «Жемон-Шнейдер» и CEM сборку сегментов стали сердечника производят на немагнитных круглых стяжных шпиль­ ках, изолированных бакелитом. Фирма «Крафтверкунион» сер­ дечник собирает на изолированных болтах. Призмы, на которых собираются сегменты сердечника, фирма «Броун Бовери» по тор­ цам замыкает медными кольцами, что обеспечивает уменьшение

нагрева корпуса до 10°.

Активная сталь сердечника в турбогенераторах фирмы «Аль­

стом» обычно прессуется без подогрева при давлении 10—12 кГ/см2

спредварительной подпрессовкой через каждые 30—40 см. Аме­ риканская фирма «Дженерал Электрик» при запрессовке сердеч­ ника статора устанавливает давление 14—21 кГ/см2. Прессовку производит с помощью гидравлического пресса. Фирма «Крафт­ веркунион» прессовку производит пакетами через 10 см при давлении до 20 кГ/см2, остаточное давление — 10 кГ/см2. В про­ цессе сборки сердечник несколько раз нагревается до темпера­ туры 90—95°, что позволяет повысить его жесткость. Англий­

ская фирма «Дженерал Электрик» прессовку производит также

спомощью гидравлического пресса. На половине высоты сердеч­ ника производится его нагрев магнитным полем и выдержка под давлением в нагретом состоянии в течение 24 час. Такая же опе­ рация повторяется после окончания сборки сердечника.

Важным является выбор ширины полки таврика вентиля­

применяются две распорки на зубец и две на паз. Максимальное расстояние между распорками, а также распоркой и краем листа в зоне зубца не превышает 25—32 мм, в зоне спинки 50—56 мм. Ширина таврика распорки выбирается равной примерно 10 мм.

Контроль качества сердечника фирма «Крафтверкунион» осу­ ществляет с помощью намагничивающих витков при индукции

1.4 Тл. Нагрев сердечника измеряется на ощупь и термопарами. Сердечник считается удовлетворительным, если разность темпе­ ратур не превышает 5—6° С. Американская фирма «Дженерал Электрик» испытание сердечника статора на потери, как правило,

не производит. Исключение составляют опытные образцы, а также

серийные машины в том случае, если при сборке сердечника были отмечены какие-либо отклонения от нормы.

Для уменьшения шума важным является исключение взаим­ ного перемещения сердечника и призм. C этой целью призмы к сердечнику прижимаются с помощью специальных болтов, устанавливаемых с задней части призм (фирма «Дженерал Элект­

рик», Англия). Фирма «Крафтверкунион» применяет легкие кольца, к которым привариваются призмы, специальными раз­

резными кольцами, стягиваемыми болтами. Разрезные кольца соединяются между собой с помощью планок, к последним при­ крепляются пружины упругой подвески. После затяжки разрез­

ные кольца привариваются к охватываемым их легким кольцам.

23-. КРАЙНИЕ ПАКЕТЫ И НАЖИМНАЯ ПЛИТА СЕРДЕЧНИКА СТАТОРА

Для уменьшения добавочных потерь и нагревов в торцовой зоне статора зарубежными фирмами проводятся работы по усо­ вершенствованию системы охлаждения торцовой зоны, локали­ зации потерь в специально установленных интенсивно охлаждае­

мых элементах, замене магнитных элементов на немагнитные,

установке экранов, расщеплению зубцов крайних пакетов и на­

жимных пальцев, выбору конфигурации крайнего пакета и на­ жимной плиты, обеспечивающей оптимальный вход потока рас­

сеяния (ступеньки, скос).

Для улучшения охлаждения при использовании радиальной

системы крайний пакет делится на пакеты меньшей ширины по сравнению со средней частью. На поверхности крайнего пакета нажимной плиты и экрана устанавливаются трубки с охлаждаю­

щей жидкостью.

При аксиальной системе вентиляции на нажимную плиту возлагается функция водораспределительного коллектора (фирма

«Броун Бовери»),

Для уменьшения потерь во всех современных конструкциях крайние пакеты выполняются с плавным или ступенчатым скосом.

В настоящее время нет единого, принятого всеми турбогене­ раторостроителями, конструктивного решения торцовой зоны гене­ ратора. В одних конструкциях устанавливаются электромагнит­ ные экраны, в других — магнитные шунты, а в ряде конструкций

роль экранов или шунтов выполняет нажимная плита. В мощных

• зарубежных турбогенераторах экраны устанавливаются снаружи

’■66

Фирма «Дженерал Электрик» (Англия) на турбогенераторе мощностью 300 МВт провела экспериментальное исследование влияния различного конструктивного исполнения нажимной

плиты сердечника статора (рис. 3-1). Результаты исследований

Испытания показали, что при выполнении нажимной плиты и пальцев из немагнитного чугуна и применении медного экрана

(рис. 3-1, в) снизились нагревы элементов торцовой зоны и умень­

шились потери на 80 кВт по сравнению с конструкцией, в которой применяется магнитная нажимная плита, немагнитные пальцы

имедный экран (рис. 3-1, б).

Втурбогенераторах фирмы «Вестингауз» применяется магнит­ ный шунт, выполненный ступенчатым со значительным скосом.

Установка такого шунта снижает величину потока рассеяния,

входящего в нажимную плиту и крайний пакет, при этом несколько

кунион» (ФРГ) вся нажимная плита покрывается медным экраном.

По краям экрана и плиты делаются прорези для снижения потерь

инагревов. В четырехполюсных машинах мощностью 800 МВт

иболее для защиты нажимной плиты применяются магнитные

шунты, крепящиеся к нажимной плите с помощью нажимных болтов. В последнем случае нажимная плита выполняется маг­ нитной; четыре крайних пакета имеют уменьшенную толщину

20—25 мм вместо 60—65 мм в середине сердечника. Под таврики высотой 3 мм прокладываются прокладки, которые ставятся также и под пальцы.

Исследования, выполненные одним из авторов настоящей книги, показали, что при наличии радиального вентиляционного

канала, совпадающего со ступенчатым изменением зазора в зоне

5* 67

крайнего пакета при переходе от одной ступеньки к другой,

величина торцового магнитного потока на поверхности пакета

оказывается больше соответствующего поля, когда радиальный канал находится посередине ступеньки. Это приводит к увеличе­ нию потерь в крайних пакетах.

Для крайнего пакета, выполненного ступенчатым, характерно неравномерное распределение основного магнитного поля вдоль

Рис. 3-1. Конструкция нажимной плиты сердечника статора (фирма «Дженерал Электрик», Англия).

а — плита из немагнитного чугуна, алюминиевый экран толщиной 9.5 мм; б — магнитная плита, немагнитные пальцы, медный экран толщиной 12.7 мм; в — плита и пальцы из немагнитного чугуна, медный экран толщиной 12.7 мм.

длины ступенек, приводящее к более резкому затуханию напря­

женности торцового магнитного поля, проникающего в крайние пакеты. Если выровнять распределение основного поля путем

выполнения более длинных (в аксиальном направлении) ступенек, то будет наблюдаться более глубокое проникновение торцового

поля с меньшей величиной и, таким образом, более равномерное распределение потерь в крайнем пакете.

Фирма «Броун Бовери» приняла два варианта исполнения

крайних пакетов сердечника. Для турбогенераторов мощностью до 600 МВт крайние пакеты выполняются ступенчатыми; на турбогенераторах мощностью 300 МВт делается 6 ступенек высо­ той 5 мм и шириной 10—15 мм. Нажимная плита и пальцы вы­

полняются из немагнитной стали и представляют единое целое как по радиусу, так и по окружности. В турбогенераторах мощ-

68

ностыо 600 МВт и более крайние пакеты выполняются скошен­ ными, угол скоса пакетов 22° к вертикальной оси. При этом скошенные пакеты являются одновременно нажимными плитами.

Специальные исследования показали, что изготовление сер­ дечника статора турбогенератора мощностью 1200 МВт, 3000 об./мин. с углом скоса 30° и длиной, равной высоте крайнего пакета, при угле скоса, равном 0, позволит снизить удельные

потери в зубцовой зоне от собственных полей лобовой части обмотки статора приблизительно с 13—22 Вт/кг до 0.7—1.8 Вт/кг, т. е. в 12—19 раз, а суммарные потери в сердечнике — прибли­

зительно в два раза.

C целью максимального использования преимуществ скошен­ ного крайнего пакета шихтовку стали в наклонной части следует производить с меньшим коэффициентом заполнения (до 0.5) по

сравнению с коэффициентом заполнения для пазовой части.

В последнем случае потери в крайнем пакете уменьшаются при­ близительно в 6 раз при одновременном уменьшении расхода материалов. Выбор оптимального угла скоса зависит от конструк­ тивного исполнения генератора и связан с длиной скошенной

части. Расчеты показывают, что целесообразная длина в скошен­ ной части должна быть меньше kγ τ, где kγ — коэффициент укоро­

чения при угле скоса 30—40°.

В настоящее время все турбогенераторы большой мощности выполняются с прорезью в зубцах крайнего пакета, что позво­ ляет снизить местные потери и нагревы в крайнем пакете. В турбо­ генераторах фирмы «Крафтверкунион» в концевых пакетах вы­ полняются прорези, высота которых составляет 5/6 высоты паза. Для исключения вибраций крайних пакетов в прорези заклады­ вается стеклокартон. Такой же шлиц делает и фирма «Броун Бовери».

Для снижения местных нагревов крайнего пакета фирма

«Дженерал Электрик» (Англия) рассечку пакетов производит по всей высоте зубца. Для уменьшения потерь в зубцах фирма

«Дженерал Электрик» (США) выполняет 2 или 3 прорези (шлица) по ширине зубца с высотой, равной высоте зубца. C целью повы­

шения механической устойчивости зубцов делают очень узкие прорези, сегменты крайнего пакета шихтуются таким образом,

чтобы прорези в следующих друг за другом слоях не совпадали. Исследования распределения местных потерь в крайних сег­ ментах сердечника показали, что основная доля потерь в крайних сегментах приходится на коронку зубца. Распределение потерь вдоль высоты зубца в различных сечениях по ширине носит

неодинаковый характер. Если потери по стенке паза и щели убы­ вают по высоте зубца, то потери по ширине, наоборот, возрастают

в области дна паза. При высоте шлица, равной высоте паза,

имеет место значительное возрастание потерь посередине зубца и по дну паза.

R9