20.2. Турбогенераторы

Турбогенератор представляет собой быстроходную горизонтальную электри­ческую машину (рис. 20.1) с неподвиж­ным статором и вращающимся цилинд­рическим неявнополюсным ротором. Большая частота вращения турбогенера­торов обусловлена тем, что с ее повы­шением возрастает экономичность рабо­ты паровых турбин и уменьшаются га­бариты турбин и генераторов. В соответ­ствии с частотой переменного тока 50 Гц отечественная промышленность изготов­ляет в основном двухполюсные турбо­генераторы с номинальной частотой вращения 3000 об/мин. Для атомных электростанций (АЭС) ввиду низких параметров пара целесообразно приме-

нение более тихоходных, четырехполюс-ных турбогенераторов с номинальной частотой вращения 1500 об/мин. В по­следнее время на АЭС с блоками мощ­ностью 1000 МВт выявилась возмож­ность создания быстроходных турбин с частотой вращения 3000 об/мин и соот­ветственно использования двухполюс­ных турбогенераторов. Вышесказанное позволило ввести стандартную шкалу номинальных мощностей турбогенерато­ров: 2,5; 4; 6; 12; 32; 63; 110; 160; 220; 320; 500; 800; 1000; 1200; 1600; 2000 МВт (ГОСТ 533-85Е).

Статор турбогенератора имеет сталь­ной корпус, который с торцов закрыт сварными щитами. Корпус турбогенера­тора с водородным охлаждением должен быть газонепроницаемым и механи­чески прочным. Сердечник статора со­стоит из отдельных пакетов (рис. 20.2), собранных с целью уменьшения вихре­вых токов из изолированных лаком лис­тов стали толщиной 0,5 мм и имеющих форму сегмента. В машинах небольшой мощности используется горячекатаная сталь, а в генераторах мощностью более 100 МВт — холоднокатаная элект­ротехническая сталь. Последняя имеет повышенную магнитную проницаемость и пониженные удельные потери. Приме­нение холоднокатаной стали позволяет также значительно уменьшить размеры сердечника и соответственно уменьшить

расход меди для обмотки. Для охлажде­ния стали статора пакеты имеют ак­сиальные каналы и отделены друг от друга радиальными вентиляционными каналами. В пазах сердечника статора расположена обмотка статора (рис. 20.3, а и б). В современных турбогенера­торах для статора применяют двухслой-

ную петлевую обмотку с укороченным шагом, которая состоит из верхних и нижних стержней (рис. 20.3), соеди­няемых в лобовых частях пайкой. Чтобы уменьшить явление поверхностного эф­фекта, стержни набирают из проводни­ков небольшого сечения. В турбогенера­торах с поверхностным воздушным и водородным охлаждением эти проводни­ки имеют сплошное сечение (рис. 20.3, а), а в турбогенераторах с непосредственным охлаждением обмотки статора водоро­дом или водой стержни набирают из проводников сплошного сечения и полых проводников, внутри которых циркули­рует водород или вода (рис. 20.3,6). Элементарные проводники обычно вы­полняют из электротехнической меди и изолируют друг от друга двойным тон­ким асбестовым или стекловолокнистым покрытием. Для изоляции стержней друг от друга и от корпуса используют непрерывную, так называемую компаун­дированную изоляцию класса В. В на­стоящее время применяют новые сорта более тонкой термореактивной изоляции класса В, обладающей повышенными механическими и термическими свойст­вами.

Ротор турбогенератора устанавли­вают на двух подшипниках скольжения, которые имеют принудительную смазку маслом под давлением от масляной системы турбины. В материале ротора ввиду большой частоты вращения воз­никают значительные механические на­пряжения. Поэтому роторы крупных турбогенераторов (рис. 20.4) изготов-

ляют из цельной поковки высоколеги­рованной стали, обладающей высокими механическими (и магнитными) свой­ствами, а роторы турбогенераторов ма­лой мощности — из углеродистой стали. На поверхности бочки ротора фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения. Пазы закрывают клиньями (рис. 20.3, в и г) из высокопрочных, немагнитных (для уменьшения потока рассеяния ротора) материалов: немаг­нитной , стали, бронзы, дюралюминия. Лобовые части обмотки ротора удержи­ваются от смещения бандажными коль­цами (каппами). В последних возникают еще большие механические напряжения, чем в теле ротора, так как диаметр бандажного кольца больше диаметра ротора. Кроме того, в кольцах возни­кают вихревые токи, которые могут создать опасные нагревы. В связи с этим у крупных турбогенераторов бандажные кольца выполняют из немагнитной вы­сокопрочной (аустенитной) стали или титана. Место посадки бандажных колец на ротор защищено изоляцией, которая препятствует замыканию через бандаж токов, возникающих в бочке ротора при несимметричных и асинхронных режи­мах работы генератора. Для обмотки ротора небольших турбогенераторов используют электролитическую медь, а крупных турбогенераторов — медь с при­садкой серебра (0,03 — 0,1%), так как в чистой меди под действием больших центробежных сил и термических напря­жений, возникающих при повышенных нагревах, частых пусках и остановах, появляются остаточные деформации, которые могут привести к разрушению обмотки. Стержни обмотки ротора на­бирают из отдельных проводников. В турбогенераторах с поверхностным ох­лаждением обмотки ротора проводники имеют сплошное сечение (рис. 20.3, в), а при непосредственном охлаждении обмотки ротора водородом или водой применяют проводники профильных се­чений (рис. 20.3, г); такие проводники образуют вентиляционные каналы, по которым циркулирует охлаждающая среда. Для изоляции обмотки ротора применяют миканит, а в последнее вре-

мя—и материалы с повышенными ме­ханическими и термическими свойства­ми — стекло, термореактивные лаки и эпоксидные смолы.

Обмотка ротора с помощью токо-провода соединяется с контактными кольцами (в машинах с бесщеточной системой возбуждения кбльца отсут­ствуют). Их изготовляют из износоус­тойчивой стали. В крупных машинах ввиду больших токов возбуждения и необходимости размещения большого количества щеток применяют сдвоенные кольца со специальным воздушным охлаждением, а для уменьшения потерь на трение — кольца с уменьшенным диаметром.

Конструкция четырехполюсных тур­богенераторов аналогична двухполюс­ным. Однако по сравнению с двухполюс­ными у равновеликих по мощности четырехполюсных турбогенераторов меньше окружная скорость на поверх­ности ротора и соответственно меньше механические напряжения в роторе, так как при уменьшении частоты вращения в 2 раза диаметр увеличивается лишь враз, что видно из следующего

выражения, определяющего зависимость между мощностью S, диаметром D₁ и частотой вращения n:

Однако увеличение диаметра влечет за собой увеличение массы и соответ­ственно трудозатрат; увеличение удель­ных расходов меди и изоляции; услож­нение транспортировки; уменьшение КПД (на 0,1-0,3%) и др.