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

Расчеты показывают, что увеличение высоты шлица с 3/4

высоты паза до высоты, равной высоте паза, позволяет снизить потери в зоне прежнего конца рассечки приблизительно в 1.4 раза.

При дальнейшем увеличении высоты рассечки происходит сни­ жение потерь в области дна паза, потери у коронки и у конца рассечки зубца при этом изменяются мало. При высоте шлица, большей высоты паза, уменьшаются также потери по сечению стенки паза и по середине расстояния от стенки до шлица.

Исследования последних лет показали, что рассечка зубцов должна производиться не только на ступенчатых пакетах, но также и на пакетах, следующих за ними. Фирма «Дженерал

Электрик» (Англия) производит рассечку зубцов по длине 300 мм, в том числе рассекаются два пакета после ступенчатых. Кроме того, вводится усиленное охлаждение крайних пакетов.

3-. УПРУГАЯ ПОДВЕСКА

При изготовлении крупных двухполюсных турбогенераторов, для которых характерен относительно высокий уровень вибрации сердечника, была разработана и реализована виброизоляция сер­ дечника, обеспечивающая снижение вибраций всех остальных элементов машины. Конструктивно это было достигнуто путем соединения сердечника с корпусом при помощи достаточно по­

датливых упругих подвесок.

Под действием сил магнитного тяжения вибрации элементов сердечника совершаются как в радиальном, так и тангенциальном

направлениях. Амплитуда радиальных колебаний постоянна по высоте спинки пакета, а амплитуда тангенциальных перемещений

сувеличением радиуса уменьшается.

Всвязи с этим условия работы упругих подвесок сердечника

являются очень напряженными: подвески должны быть доста­ точно прочными, чтобы выдерживать усилия от веса сердечника

и вращающего момента, передаваемого на корпус при номинальной

нагрузке и в случае коротких замыканий; в то же время подвески должны быть достаточно упругими, чтобы обеспечить возможность

гашения как радиальных, так и тангенциальных вибраций сер­ дечника. Задача выбора упругих подвесок усложняется еще тем,

что для каждого типа мощных генераторов должен быть найден оптимальный вариант исполнения всех элементов подвески.

Применение упругих подвесок, по данным фирм, уменьшает вибрации, передаваемые на корпус, от 1 : 4 до 1 : 10 в зависимости

от типа подвески.

Фирма «Дженерал Электрик» (США) и ЛЭО «Электросила»

вдвуполюсных турбогенераторах применяют упругие подвески

ввиде продольных ребер (рис. 3-2). Хотя принципиально упругие подвески ЛЭО «Электросила» и фирмы «Дженерал Электрик»

70

(.США) являются идентичными, тем не менее между ними су­

ществует некоторое различие.

Упругие подвески ЛЭО «Электросила» являются более прос­ тыми и в то же время достаточно эффективными. Эластичность этих подвесок зависит от длины прорезей в призмах. Чем больше длина прорезей, тем больше эластичность подвесок в радиальном

Рис. 3-2. Упругая подвеска (фирма «Дженерал Элек­ трик», США).

а — поперечный разрез сердечника; 2 — вид на пружину.

направлении и меньше уровень вибраций корпуса турбогенера­ тора. Однако при этом снижается прочность призм в тангенциаль­ ном направлении: при расчете же турбогенератора необходимо учитывать и режим внезапных коротких замыканий. Поэтому при проектировании упругих подвесок нужно находить опти­

мальное решение.

Упругие подвески фирмы «Дженерал Электрик» состоят из центральной призмы и двух боковых ребер; и те, и другие имеют болтовые соединения. Внутренние поверхности боковых ребер

фрезируются таким образом, что после сборки между центральной

призмой и боковыми ребрами образуются чередующиеся вдоль подвески щели (рис. 3-2). При ударных коротких замыканиях

71

центральная призма изгибается и упирается в боковое ребро. Поэтому подвеска такой конструкции имеет высокую прочность в тангенциальном направлении. В то же время в радиальном направлении перемещения происходят за счет центральной призмы,

имеющей сравнительно небольшое сечение. Тем самым обеспе­

чивается высокая эластичность подвески в радиальном направ­ лении, а следовательно, и снижение уровня вибраций корпуса.

Таким образом, упругая подвеска фирмы «Дженерал Электрик» сочетает в себе высокую эластичность в радиальном направлении с достаточной прочностью в тангенциальном направлении. Так

как эти противоречивые свойства достигаются за счет исполь­

зования нескольких элементов в подвеске, то расчет ее значительно

упрощается по сравнению с упругой подвеской ЛЭО «Электро­ сила».

72

Существенным недостатком упругой подвески фирмы «Дже-

нерал Электрик» по сравнению с подвеской ЛЭО «Электросила» является сложность ее изготовления.

⅛ Во избежание ослабления посадки активной стали на про­ дольных ребрах фирма «Дженерал Электрик», а также фирма

Рис. 3-4. Упругая подвеска (фирма «Броун Бовери»).

«Квафтверкунион» на турбогенераторе 750 MBA, 3000 об./мин.

применили пояса, охватывающие все ребра по окружности и за­ тягивающиеся с помощью фланцевого соединения.

Фирма «Вестингауз» впервые применила упругую подвеску

ввиде стальных пластин (рис. 3-3). При этом корпус статора

был выполнен двойным и состоял из внутреннего корпуса — каркаса для сердечника, который с помощью упругой подвески

ввиде стальных пластин крепился к наружному корпусу.

73

В настоящее время такая конструкция получила распрост­

ранение на мощных турбогенераторах. Так, фирма «Дженерал Электрик» (США) для турбогенераторов большой мощности также выполняет корпус статора двойным и подвеску в виде стальных пластин по типу фирмы «Вестингауз». Кроме того, вертикальные

пластинчатые упругие подвески применяют фирмы «Крафтверкунион», «Броун Бовери» и др. Причем вертикальные пружины подвесок фирмы «Броун Бовери» опираются непосредственно на фундамент (рис. 3-4). Фирма «Крафтверкунион» использует тонкие

(8 мм) и короткие пластины. Кроме вертикальных пружин, этой

фирмой применяются также и горизонтальные — снизу машины. В турбогенераторе мощностью 500 МВт, 3000 об./мин. за­

вода «Электротяжмаш» [58] используются вертикальные плас­ тинчатые пружины, связывающие герметичный внутренний кор­ пус статора непосредственно с фундаментом. Выполненные экспе­

риментальные исследования показали, что частоты собственных колебаний пружин находятся в пределах 380—390 Гц, макси­ мальные суммарные продольные напряжения составляют порядка

20кГ/см2.

Четырехполюсные турбогенераторы выполняются без упругой

подвески.

43.- КОРПУС СТАТОРА

Наличие упругих подвесок не может полностью исключить передачу вибраций на корпус и фундамент машины. При этом следует учитывать, что условия работы упругих подвесок в зна­ чительной степени зависят от механических характеристик кор­ пуса статора. Одним из условий обеспечения виброустойчивости корпуса является требование достаточной удаленности частоты собственных колебаний от частоты возмущающих сил. Для обес­ печения надежной работы собственная частота колебаний корпуса при 3000 об./мин. должна быть 120—140 Гц. В турбогенераторах большой мощности создание корпуса такой жесткости связано

со значительным увеличением веса или габаритов.

Поэтому приходится переходить на так называемые гибкие корпуса, у которых резонансная частота будет ниже 100 Гц. Эта проблема особенно актуальна для турбогенераторов со скоростью вращения 3600 об./мин., так как резонансная частота жестких корпусов должна быть на уровне 150 Гц, что в крупных турбо­

генераторах сделать практически невозможно.

Корпус статора в большинстве случаев выполняется двойным.

Наружный корпус обычно изготовляется сварным из трех частей: средней и двух крайних. Средняя часть является основным кор­ пусом, в крайних чаще всего расположены газоохладители. Тор­ цовые щиты выполняются из обычной стали (немагнитная сталь

не используется). Внутренний корпус — каркас для сердеч­ ника — концентрически вставляется в наружный корпус.

74

Внутренний корпус состоит из ряда колец, связанных между собой массивными ребрами. По внутренней расточке корпуса равномерно по окружности приварены ребра (призмы), на кото­ рые собираются листы стали.

^Наружный корпус изготовляется газоплотным из листовой стали без разъемов. Изнутри корпус усиливается кольцевыми перегородками. Этот корпус испытывают на повышенное дав­

ление водорода. Так, фирма «Вестингауз» испытывает корпус давлением 10.5 кГ/см2. Давление водорода внутри корпуса вызы­ вает в стенке корпуса тангенциальные и изгибные напряжения, причем наибольшими являются изгибные напряжения в средней части корпуса. Корпус должен выдерживать взрыв водорода внутри машины, в результате которого давление внутри кор­

пуса возрастает с 3 до 14 кГ/см2, и напряжения в цилиндре кор­ пуса могут превысить предел текучести материала, но не должны быть более 0.7 предела прочности. Изготовлять машины с корпу­

сом, напряжения в котором при взрыве не превышают предела текучести, неэкономично.

В турбогенераторе с полным водяным охлаждением без запол­ нения водородом корпус может быть значительно облегчен. Так,

в турбогенераторе типа ТЗВ-60-2 завода «Электросила» корпус статора выполняется скелетного типа, сваренный из колец и ак­ сиальных плит, связывающих кольца и служащих лапами ста­ тора. Из-за отсутствия в кольцах проемов для вентиляции и газо­ охладителей их радиальный размер относительно мал, корпус выполняется без обшивки и закрывается съемными штампован­

ными крышками.

• Вибрация корпуса современных мощных турбогенераторов не превышает 10—15 мкм. Однако ряд фирм допускает и значи­ тельно большую вибрацию корпуса, достигающую 30 мкм.

Двухполюсные турбогенераторы выполняются преимущест­ венно со щитовыми подшипниками. Со стояковыми подшипниками изготовляет генераторы английская фирма «Парсонс».

В отечественной практике также используются оба вида под­ шипников: стояковые подшипники на ЛЭО «Электросила» и «Сиб-

электротяжмаше» и щитовые — на заводе «Электротяжмаш» им. В. И. Ленина.

Четырехполюсные турбогенераторы изготовляются как со щи­ товыми, так и со стояковыми подшипниками. Например, турбо­ генератор мощностью 1200 МВт фирма «Крафтверкунион» вы­ полняет со щитовыми подшипниками, а фирма «Броун Бовери»—

со стояковыми.

Применение щитовых подшипников позволяет уменьшить рас­ стояние между опорами, что дает возможность уменьшить об­ щую длину машины, повысить критические скорости ротора.

Одновременно при этом возникает необходимость в изготовлении более массивных щитов, усложняется монтаж и демонтаж гене­

75

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

ОБМОТКА СТАТОРА И ЕЕ КРЕПЛЕНИЕ

14-. СХЕМЫ ОБМОТОК СТАТОРА.

Современные турбогенераторы большой мощности выполня­ ются с трехфазными двухслойными симметричными обмотками статора петлевого типа с 60-градусной зоной. Как правило, со­ кращение шага обмоток принимается равным около 5/6 полюсного

деления для снижения 5 и 7-й гармонических н. с.

При целом числе пазов на полюс и фазу q двухполюсные турбо­ генераторы с такой обмоткой могут быть выполнены с одной или двумя, а четырехполюсные — также и четырьмя параллельными ветвями. Обмотки с дробным числом (для двухполюсных турбо­ генераторов gr=0+1∕2, где b — целое число) в настоящее время распространения не получили. Такие обмотки могут выполняться только с одной параллельной ветвью, и в кривой н. с. статора при сокращении шага будут иметь место значительные четные

гармонические поля.

В последнее время с целью снижения объема тока в пазу и свя­

занных с ним электромагнитных усилий, действующих на стержни, для турбогенераторов большой мощности рассматривается при­ менение ряда других схем обмотки статора.

Для турбогенератора мощностью 1200 МВт, 3000 об./мин. ЛЭО «Электросила» предполагается [5] применение шестифазной обмотки статора, состоящей из двух независимых трехфазных систем, сдвинутых относительно друг друга на 30 эл. град. Об­

мотка является двенадцатизонной. Преобразование шестифазной системы в трехфазную может быть осуществлено с помощью трех­

обмоточного трансформатора, две первичные обмотки которого

имеют соединения в звезду и треугольник, а также трансформа­

торной группы из двух трехфазных на половинную мощность или трех однофазных трехобмоточных трансформаторов.

Как показывает анализ [43], в кривой н. с. шестифазной, две­ надцатизонной обмотки будут иметь место высшие гармонические,

порядок которых определяется выражением

т. е. И, 13, 23, 25 и т. п. гармонические.

77

Коэффициент распределения ѵ-й гармонической шестифазной

isinI¾

где q — число пазов на полюс и фазу,

Коэффициент сокращения шага обмотки может быть выбран из условия ослабления 11 и 13 гармонических и будет близким к

В результате за счет увеличения шага и лучшего коэффициента распределения может быть достигнуто повышение использования активного объема машины

‰6 6-фаз 0.9885 • 0.9914 0.9659 • 0.9545 =1∙ 062

ʌоб 3-фаз

Применение шестифазной обмотки в турбогенераторе мощ­ ностью 1200 МВт, 3000 об./мин. позволяет уменьшить объем тока

в пазу с 21.4 кА в турбогенераторе мощностью 800 МВт,

3000 об./мин. до 16 кА при одном и том же напряжении 24 кВ. При использовании турбогенераторов с шестифазной обмоткой статора усложняется система шин между генератором и трансфор­ матором, однако, учитывая, что при шестифазной системе шины выполняются на половинный ток, их стоимость [93] изменяется

мало.

Другим направлением, обеспечивающим снижение объема тока в пазу, является применение обмоток статора с повышенным чис­

с тремя или четырьмя, для четырехполюсных — с шестью парал­ лельными ветвями.

Обмотки статора двухполюсного турбогенератора с тремя и четырьмя параллельными ветвями, а также четырехполюсного турбогенератора с тремя параллельными ветвями являются не­

симметричными.

Схемы несимметричных обмоток могут быть выполнены син­ фазными или с равными амплитудами эдс. Синфазные несимме­ тричные обмотки с тремя параллельными ветвями для двухполюс­

ных турбогенераторов могут быть выполнены при числе пазов на полюс и фазу, кратном трем.

78

Схема обмотки (рис. 4-1) составлена таким образом, что парал­ лельные ветви выполняются в пределах каждой фазной зоны с че­

редованием параллельных ветвей в одной (первой) фазной зоне

1-2—3 — 1-2—3 — 1-2-3

и в другой (четвертой)

3-2—1 — 3—2—1 —3—2-1.

При таком расположении параллельных ветвей по фазным зонам получаются синфазные обмотки с неравенством эдс по парал­

одинаковым числом пазов, результирующие эдс которых совпа­

зоне

1-2-3-4 - 1—2-3-4 - 1-2-3—4

и в другой (четвертой)

4—3-2-1 — 4-3—2-1 — 4-3-2—1

получается синфазная обмотка с неравенством эдс по параллель­

ным ветвям 1,4 и 2,3. При этом

E1 Ei—Umm cos 2 ,

(4. 7)

а

Ea = E3= Umm cos —,

где

360 а— 72 — 5° •

79