Глава 1 выбор основных размеров

1.1. Последовательность выбора основных размеров

Активные части турбогенератора – сердечник статора и ротор – с обозначением размеров показаны на рис. 1.1. Турбогенератор выполняется с радиальной системой вентиляции сердечника статора. Сердечник статора подразделяется на пакеты толщиной , между которыми выполняются вентиляционные каналы шириной .

К основным размерам турбогенератора обычно относят диаметр расточки и длину сердечника статора (рис. 1.1). Основные размеры выбирают на основании опыта проектирования турбогенераторов, положительно зарекомендовавших себя в эксплуатации [1, 2, 4, 5]. Выбор основных размеров турбогенератора следующий.

Рис. 1.1. Размеры активного железа сердечника статора, ротора и кольцевых бандажей ротора турбогенератора

На основании исходных данных к проектированию определяются расчётная мощность турбогенератора

;

синхронная частота вращения

об/мин,

где – номинальная мощность, кВ·А; – коэффициент мощности; – частота сети, Гц; – число пар полюсов турбогенератора.

По рис. 1.2 определяется машинная постоянная Арнольда , а по рис. 1.3 – диаметр расточки статора .

Рис. 1.2. Зависимость машинной постоянной от мощности и охлаждения турбогенератора: а – косвенное воздушное (Т, Т2); б – косвенное водородное (ТВ, ТВС); в – непосредственное водородное ротора (ТВФ); г – непосредственное водородное ротора, водяное статора (ТВВ)

Рис. 1.3. Зависимость диаметра расточки статора от мощности и охлаждения турбогенератора: а – косвенное воздушное (Т, Т2); б – косвенное водородное (ТВ, ТВС); в – непосредственное водородное ротора (ТВФ); г – непосредственное водородное ротора, водяное статора (ТВВ)

Длина сердечника статора рассчитывается по формуле

.

После определения основных размеров и проверяется отношение , которое в правильно спроектированных турбогенераторах находится в пределах от 2 до 6. С точки зрения критических частот вращения ротора целесообразно, чтобы .

Использование активных материалов обмоток и железа магнитопровода, потери и КПД турбогенератора зависят от электромагнитных нагрузок. К электромагнитным нагрузкам относят линейную нагрузку статора и величину индукции в воздушном зазоре . Предварительно линейная нагрузка определяется по рис. 1.4, а индукция – по рис. 1.5.

Рис. 1.4. Зависимость линейной нагрузки от диаметра и охлаждения турбогенератора: а – косвенное воздушное; б – косвенное водородное; в – непосредственное водородное ротора; г – непосредственное водородное ротора и водяное статора

Линейная нагрузка характеризуется величиной тока статора на единицу длины расточки статора. Электрические потери в обмотке статора зависят от линейной нагрузки. Чем больше линейная нагрузка, тем больше электрические потери.

Рис. 1.5. Зависимость индукции от диаметра расточки статора

Линейная нагрузка в зависимости от размеров турбогенератора (диаметра расточки статора ) и системы охлаждения изменяется в пределах (5–25) · 10⁴ А/м. При одной и той же системе охлаждения с увеличением улучшаются условия охлаждения. Поэтому с ростом диаметра имеется возможность несколько увеличить линейную нагрузку.

Индукция в воздушном зазоре характеризует плотность магнитного потока в зазоре. Чем больше индукция, тем больше потери в железе магнитопровода статора. Индукция в зазоре практически не зависит от системы охлаждения турбогенератора. С увеличением диаметра улучшаются условия охлаждения, что позволяет несколько увеличивать индукцию. В зависимости от диаметра индукция изменяется в пределах 0,65–0,95 Тл (рис. 1.5).

Статор и вращающийся ротор (рис. 1.1) разделены воздушным зазором . Рекомендации по выбору воздушного зазора приведены в [5]. Воздушный зазор должен удовлетворять условиям статической устойчивости и монтажа турбогенератора. Из условия статической устойчивости минимальная величина воздушного зазора определяется по формуле

,

где ОКЗ – отношение короткого замыкания.

Если ОКЗ не задано, то при выборе ОКЗ можно воспользоваться табл. 1.1.

Таблица 1.1

, МВт	0–200	200 и выше
ОКЗ	0,80–0,60	0,60–0,4

Величина воздушного зазора, выбранная по рис. 1.6, удовлетворяет условиям монтажа турбогенератора ( , где – диаметр бандажного кольца, рис. 1.1). Окончательно воздушный зазор выбирается таким, чтобы он удовлетворял условиям статической устойчивости и монтажа турбогенератора.

Рис. 1.6. К выбору воздушного зазора в зависимости от охлаждения и из условия монтажа турбогенератора:

а – косвенное воздушное; б – косвенное водородное; в – непосредственное водородное ротора; г – непосредственное водородное ротора, водяное статора

После выбора воздушного зазора определяются размеры ротора. Конструкция ротора турбогенераторов представлена в [4, с. 219–266]. При выборе диаметра бочки ротора целесообразно придерживаться нормализованного ряда диаметров бочки ротора , м: 0,475; 0,575; 0,664; 0,728; 0,814; 0,93; 1,0; 1,075; 1,125; 1,20; 1,25.

Предварительно определяется диаметр бочки ротора

и из нормализованного ряда выбирается диаметр ротора , ближайший к рассчитанному диаметру .

После этого необходимо уточнить внутренний диаметр расточки статора

.

Ротор является самой нагруженной в механическом и магнитном отношении частью турбогенератора. С целью снижения магнитного насыщения ротора рекомендуется длину бочки ротора (рис. 1.1) брать на 50–150 мм больше длины сердечника статора ,

.

Рассчитывается отношение , после чего необходимо убедиться по рис. 1.7, что частота вращения ротора не лежит в зоне критических частот.

Рис. 1.7. Зависимости первой и второй критической частоты вращения ротора от отношения

Максимально возможные размеры бочки ротора для двухполюсного турбогенератора:  = 8 м,  = 1,25 м.

Для контроля качества поковки ротора в теле ротора (рис. 1.1) выполняется центральное отверстие

,

причем меньшее значение предела относится к меньшим диаметрам ротора. Центральное отверстие может быть использовано для осуществления токоподвода от контактных колец к обмотке ротора.

При радиальной системе вентиляции сердечник статора разбивается на отдельные пакеты, разделенные между собой вентиляционными каналами (рис. 1.1).

У машин с косвенным охлаждением толщина пакета составляет 0,03–0,04 м при воздушном охлаждении и 0,04–0,05 м при водородном охлаждении. Ширина вентиляционного канала = 0,01 м.

При непосредственном охлаждении обмотки статора толщина пакета может быть увеличена до 0,075 м при = 0,01 м или уменьшена ширина вентиляционного канала до 0,005 м при =0,04–0,05 м.

Число вентиляционных каналов рассчитывается по формуле

и округляется до целого числа.

Длина активной части сердечника статора без вентиляционных каналов

.

Эффективная длина сердечника

,

где – коэффициент заполнения пакета железом.

Для электротехнической стали с лаковым покрытием  = 0,93 при толщине листа 0,5 мм и  = 0,9 при толщине листа 0,35 мм. Для турбогенераторов обычно применяется холоднокатаная сталь и реже горячекатанная.

При выборе размеров ярма сердечника статора в турбогенераторах стремятся обеспечить виброустойчивость сердечника. Для обеспечения виброустойчивости наружный диаметр статора (рис. 1.1) должен быть

.

Окончательно наружный диаметр сердечника статора уточняется после расчета магнитной цепи с учетом условия допустимой индукции в ярме статора.

Для сборки пакетов сердечника применяются листы (сегменты), выштампованные из электротехнической легированной холоднокатаной стали марки 3413 или горячекатаной марки 1513 толщиной 0,5 мм. Для турбогенераторов, проектируемых на частоту напряжения сети 60 Гц, используется электротехническая сталь толщиной 0,35 мм.

Задание на проектирование турбогенератора

1) номинальная мощность = 60000 кВ·А;

2) коэффициент мощности = 0,8;

3) номинальное (линейное) напряжение = 10,5 кВ;

4) число фаз ;

5) соединение фаз – звезда;

6) частота сети = 50 Гц;

7) число пар полюсов р = 1;

8) охлаждение – косвенное водородное обмотки статора и непосредственное форсированное водородное обмотки ротора (Тип ТВФ).

В отношении не заданных параметров (отношения короткого замыкания ОКЗ, статической перегружаемости , коэффициента полезного действия , требований к параметрам и т.д.) проектируемый турбогенератор должен соответствовать требованиям ГОСТ 533–2000 «Турбогенераторы».