3. Системы охлаждения

Системы охлаждения, применяемые в электрических ма­шинах для поддержания температуры меди обмоток и ак­тивной стали в допустимых пределах, подразделяются на косвенные (или поверхностные) и непосредственные (или внутрипроводниковые). Некоторые машины имеют смешан­ную систему охлаждения.

По конструктивному исполнению системы охлаждения подразделяются в свою очередь на радиально-многоструй-ные, радиально-вытяжные (одноструйные), аксиальные и аксиально-радиальные.

При любой системе охлаждения температура активных частей машины превышает температуру охлаждающей сре­ды. Но чем эффективнее система охлаждения, тем это пре­вышение меньше и тем большую нагрузку может допустить машина при тех же размерах без превышения предельно допустимой температуры активных частей.

При косвенной системе охлаждения теплота от меди об­моток отдается охлаждающей среде не непосредственно, а через изоляцию обмоток и активную сталь. Косвенная си­стема охлаждения характеризуется сравнительно высоки­ми значениями превышения температуры меди над темпе­ратурой охлаждающей среды, так как теплопередача про­исходит последовательно от меди к изоляции, от изоляции к активной стали, от стали к охлаждающей среде. В кос­венных системах в качестве охлаждающей среды использу­ется воздух или водород.

Косвенные воздушные системы охлаждения делятся на проточные и замкнутые. В проточной системе охлаждающий воздух забираемый в машину из помещения или извне, проходит через машину и выбрасывается наружу.

В турбогенераторах мощностью более 2,5 МВт и в гид­рогенераторах мощностью более 10—12 МВт воздушное ох­лаждение выполняется по замкнутой системе. При этой си­стеме воздух, отобравший теплоту от обмоток и других элементов, поступает в воздухоохладитель, где отдает теп­лоту воде, проходящей по трубкам, и затем, охлажденный, вновь направляется в машину. С воздушным охлаждением изготовляются, как правило, турбогенераторы мощностью до 12 МВт, а синхронные компенсаторы — до 15 MB-А включительно.

Начиная с мощности 30 МВт для турбогенераторов и 37,5 MB-А для синхронных компенсаторов применяется косвенная водородная система охлаждения. В гидрогенера­торах ввиду сложности создания надежного уплотнения машины из-за больших радиальных размеров водород для охлаждения не применяется. Водородное охлаждение по сравнению с воздушным имеет ряд преимуществ. Допусти­мая мощность при тех же размерах турбогенератора и дав­лении водорода в корпусе 0,005 МПа (здесь и далее — из­быточном) повышается на 15—20%, а при давлении 0,2 МПа даже на 35 % и для синхронных компенсаторов на 30 %, так как коэффициент теплоотдачи от поверхности к газу выше, чем для воздуха: для водорода в 1,51 раза, а для его смеси с 3 % воздуха — в 1,35 раза. Теплопровод­ность водорода в 7 раз превышает теплопроводность возду­ха. При сохранении мощности на прежнем уровне эконо­мится 15—30 % активных материалов, необходимых для изготовления машины. Потери в машине на вентиляцию и трение ротора о газ уменьшаются в 10 раз, так как плот­ность чистого водорода в 14,3 раза, а в смеси с 3 % возду­ха (при давлении 0,005 МПа) —в 10 раз меньше плотности воздуха. Это позволяет повысить КПД машины примерно на 0,7—1 %. Кроме того, в среде водорода изоляция обмо­ток работает более надежно и долговечно. Уменьшается опасность развития пожара в машине при ее повреждении, так как водород не поддерживает горения.

Вместе с тем водородное охлаждение в обслуживании сложнее, чем воздушное. При содержании водорода в сме­си с воздухом от 4 до 75 % (по объему), а в присутствии масляных паров от 3,3 до 81,5 % образуется взрывоопасная смесь. Поэтому во избежание попадания воздуха в маши­ну и образования взрывоопасной смеси давление водорода в ней приходится постоянно поддерживать выше атмосфер­ного. Следовательно, корпус машины должен быть газо­плотным. Приходится устанавливать уплотнения для пре­дотвращения утечки водорода в местах прохода вала рото­ра через торцевые щиты и маслосистему для них.

При косвенной системе охлаждения допустимая по на­греву мощность турбогенератора заметно увеличивается при повышении давления водорода до 0,2 МПа. Повышение давления водорода сверх 0,2 МПа при этом малоэффектив­но, так как 50—60 % перепада температуры между медью и газом приходится на изоляцию, а тепловое сопротивле­ние ее при повышении давления водорода сверх 0,2 МПа практически не снижается.

При непосредственной системе охлаждения теплота от меди обмоток отбирается охлаждающей средой, непосред­ственно соприкасающейся с медью.

В качестве охлаждающей среды используется водород, вода или масло, а в некоторых случаях и воздух. Превыше­ние температуры меди над температурой охлаждающей среды получается минимальным. В сравнении с воздушным охлаждением при одних и тех же габаритах генераторов их мощность увеличивается при непосредственном охлажде­нии: обмоток статора и ротора водородом — в 2,7 раза; об­мотки статора маслом и обмотки ротора водой — в 3,6 ра­за, обмоток статора и ротора водой — в 4 раза.

Поскольку при непосредственном охлаждении превыше­ние температуры меди обмоток состоит лишь из двух со­ставляющих — превышения между поверхностью меди и ох­лаждающей средой и превышения в охлаждающей среде, а значение этих превышений с увеличением давления водо­рода понижается, то в машинах с непосредственным водо­родным охлаждением оказывается целесообразным иметь давление водорода равным 0,3—0,4 МПа.

Непосредственное водородное охлаждение обмотки ро­тора осуществляется по аксиальной или многоструйной ра­диальной системе, а охлаждение обмотки статора — только по аксиальной системе. Для охлаждения активной стали статора применяется радиально-вытяжная или аксиальная системы или сочетание той и другой.

Недостатком аксиальной водородной системы охлажде­ния является значительная неравномерность нагрева обмот­ки по длине стержней и необходимость иметь высоконапор­ный компрессор, усложняющий конструкцию и снижающий КПД машины из-за повышенного расхода энергии на вен­тиляцию.

Для непосредственного масляного охлаждения приме­няется трансформаторное масло. Оно обладает высокими изолирующими свойствами и поэтому позволяет выполнить обмотку статора с дешевой бумажной изоляцией. Для по­лучения необходимой скорости движения масла, при кото­рой обеспечивается эффективная теплоотдача с поверхнос­ти, из-за сравнительно высокой вязкости масла приходит­ся устанавливать насосы с большим давлением и с повышенным расходом энергии.

В генераторах серии ТВМ сердечник и обмотка статора, отделенные от ротора изоляционным цилиндром, находят­ся в масле. Холодное масло подается насосами в камеру лобовых соединений и затем в аксиальные каналы обмотки статора и сердечника. Охладив обмотку и сердечник, оно выходит из аксиальных каналов на другой стороне маши­ны и направляется в маслоохладители, после которых на­сосами вновь нагнетается в машину.

Основные серии турбогенераторов с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Турбогенераторы с непосредственным охлаждением обмоток

* Обмотка статора генераторов серии ТВФ имеет косвенное охлаждение.

Непосредственное охлаждение обмоток статора и рото­ра водой с успехом применяется также и в крупных гидро­генераторах.