1.2. Пример расчета (выбор основных размеров)

1.2.1. Полная мощность турбогенератора

60000/0,8 =75000 кВ·А.

1.2.2. Номинальное фазное напряжение при соединении фаз статора в звезду

= 6,062 кВ.

1.2.3. Номинальный фазный ток в обмотке статора

А.

1.2.4. Диаметр расточки статора (по рис. 1.3, ),

м.

1.2.5. Электромагнитные нагрузки: линейная нагрузка (по рис. 1.4, кривая в)

А/м;

индукция в воздушном зазоре (по рис. 1.5)

Тл.

1.2.6. По табл. 1.1 принимаем ОКЗ = 0,6. Величина воздушного зазора из условия необходимого ОКЗ

Из условия монтажа турбогенератора (рис. 1.6, кривая в) величина воздушного зазора 0,05 м. Принимаем воздушный зазор 0,05 м.

1.2.7. Постоянная Арнольда характеризует величину использования машины по удельному объему расточки статора. Определяется по рис. 1.2 (кривая в),

.

1.2.8. Предварительная длина сердечника статора

м.

Принимаем .

1.2.9. Принимаем толщину пакета м, ширину вентиляционного канала м. Число вентиляционных каналов

округляется до целого числа = 43.

1.2.10. Уточненная длина сердечника статора

м.

1.2.11. Длина активной части сердечника статора без вентиляционных каналов

м.

1.2.12. Эффективная длина сердечника статора

м,

где  = 0,93 – коэффициент заполнения пакета статора железом при толщине листа 0,5 мм.

1.2.13. Коэффициент заполнения сердечника статора железом

1.2.14. Для обеспечения виброустойчивости наружный диаметр сердечника статора предварительно принимается

м.

1.2.15. Отношение активной длины сердечника к диаметру расточки статора

,

что удовлетворяет рекомендациям

1.2.16. Диаметр бочки ротора

м

удовлетворяет нормализованному диаметру роторов.

1.2.17. Длина бочки ротора

м.

1.2.18. Диаметр центрального отверстия бочки ротора

м.

1.2.19. Отношение длины бочки ротора к диаметру

.

Убеждаемся, что частота вращения ротора не находится в зоне критических частот (рис. 1.7).

После выбора основных размеров турбогенератора приступают к определению обмоточных данных статора.

Глава 2 обмоточные данные статора

В проектирование обмотки статора входит: определение числа параллельных ветвей обмотки , числа последовательно соединенных витков в фазе и обмоточного коэффициента , числа пазов на статоре , сечения стержня , количества проводников в стержне, размеров проводника – толщины, – ширины, высоты и ширины паза, числа пазов на сегмент сердечника , размеров сегмента и способа их укладки. При проектировании обмотки статора целесообразно ознакомиться [5, гл. 4, гл. 7].

В современных турбогенераторах наибольшее распространение получили стержневые двухслойные обмотки с числом стержней в пазу , с коэффициентом укорочения шага . Выполнение обмотки статора стержневой обусловлено большими токами обмотки статора.

В двухслойных обмотках статора двухполюсных турбогенераторов имеется возможность:

1. Выполнить обмотку с числом параллельных ветвей и тем самым уменьшить сечение стержня, снизить полный ток в пазу статора, что актуально для турбогенераторов больших мощностей.

2. Выполнить обмотку с укороченным шагом , что позволяет снизить содержание 5-й и 7-й гармоник в ЭДС генератора, уменьшить длину лобовой части и тем самым уменьшить массу меди обмотки статора.

При выборе и целесообразно рассмотреть варианты расчётов обмотки статора с числом параллельных ветвей и , составить таблицу и по формулам, представленных в таблице, выполнить расчёты.

1
2

Из таблицы следует выбрать вариант расчёта, удовлетворяющий следующим требованиям:

1. Полный ток в пазу и зубцовый шаг должны находиться в пределах:

• при косвенном охлаждении = 2500–6500 А, = 0,04–0,07 м;

• при непосредственном охлаждении = 4000–21000 А, = 0,045–0,12 м.

2. С целью уменьшения добавочных потерь целесообразно, чтобы

3. Следует также избегать нечетных чисел пазов , при которых число пазов на полюс и фазу получается дробным [5, табл. 7–26]. При дробном числе хотя и может быть обеспечена симметрия ЭДС фаз обмотки статора, но в магнитном поле реакции якоря появляются четные гармоники, связанные с несимметричной реакцией якоря под различными полюсами при наличии сокращения шага обмотки. Это может привести к дополнительным вибрациям.

4. Из условия симметрии обмотки для двухполюсного трехфазного турбогенератора не рекомендуется [5] брать число параллельных ветвей или .

После выбора варианта, удовлетворяющего перечисленным требованиям, число пазов округляется до ближайшего целого четного числа кратного , и проводятся следующие расчеты.

Определяется число последовательно соединенных витков в фазе

,

зубцовый шаг или шаг по пазам

линейная нагрузка

.

Если линейная нагрузка отличается более чем на 10 % от рекомендуемой линейной нагрузки , то необходимо изменить число пазов с учетом вышеизложенных требований 1–4 или изменить главные размеры турбогенератора.

Если линейная нагрузка находится в допустимых пределах, то делается присвоение и продолжается расчет.

Предварительно задаётся коэффициент укорочения шага обмотки и рассчитывается шаг обмотки по пазам . Шаг обмотки округляется до ближайшего целого числа и уточненяется значение коэффициента укорочения шага обмотки .

Ширина паза определяется предварительно с учетом рекомендуемой индукции в зубцах статора Тл,

.

Предварительно определяется сечение меди стержня

,

где – плотность тока в обмотке статора.

Рекомендации по выбору плотности тока в обмотке статора представлены в [5, с. 225–230].

При косвенном водородном охлаждении обмотки статора плотность тока в зависимости от ширины стержня и номинального напряжения обмотки статора выбирается по рис. 2.1.

Рис. 2.1. К выбору плотности тока в обмотке статора при косвенном водородном охлаждении

С ростом напряжения увеличивается толщина пазовой изоляции, ухудшаются условия отвода тепла от стержня. Поэтому (рис. 2.1), чем больше номинальное напряжение , тем меньше рекомендуемая плотность тока.

При косвенном охлаждении воздухом плотность тока , найденная по рис. 2.1, умножается на поправочный коэффициент 0,825.

При непосредственном охлаждении обмотки статора толщина пазовой изоляции не оказывает заметного влияния на отвод тепла от стержня. При непосредственном охлаждении обмотки статора водой в турбогенераторах типа ТВВ плотность тока следует выбирать по рис. 2.2, где – ширина паза статора, – ток в пазу статора.

Рис. 2.2. К выбору плотности тока в обмотке статора при непосредственном охлаждении водой

Для снижения добавочных потерь от вихревых и циркуляционных токов, вызываемых потоком пазового рассеяния, стержни обмотки статора выполняются транспонированными. Элементарные проводники сечением 10–20 мм², из которых набираются стержни, располагаются в двух вертикальных столбиках [4, с. 152–156].

По технологическим причинам толщина сплошного элементарного проводника стержня должна быть не менее 1,25–1,45 мм, полого элементарного проводника 3–3,5 мм.

С учетом допустимых добавочных потерь толщина сплошного проводника предварительно определяется по формуле

, мм.

Для стержней, набранных только из полых проводников, при непосредственном охлаждении водой, толщина полого проводника

, мм.

Если толщина полого элементарного проводника, определенная по последней формуле, окажется недопустимо малой, то следует выбрать большую плотность тока или перейти [5, с. 295–296] к комбинированному стержню. Поперечные сечения стержней различных конструкций представлены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Конструкция стержней обмотки статора:

а – косвенное охлаждение; б и в – непосредственное

охлаждение водой, причем в – комбинированный стержень

Ориентировочная ширина стержня в пазу определяется по формуле

где – двухсторонняя толщина пазовой изоляции (табл. 2.3).

Так как число элементарных проводников по ширине стержня равно двум, то предварительно ширина элементарного проводника

В турбогенераторах с косвенным охлаждением обмотки статора (Т, Т2, ТВ, ТВФ) стержни обмотки статора набираются из сплошных проводников (рис. 2.3, а). Размеры сплошнного элементарного проводника – толщина, – ширина и сечение окончательно уточняются с учетом стандартных размеров прямоугольных проводов обмоточной меди, представленных в табл. 2.1.

Провод с размерами выбирается по табл. 2.1 таким, чтобы сечение провода при толщине провода . Из технологических соображений должно быть и мм.

После выбора по табл. 2.1 размеров провода определяется число элементарных проводников в стержне

и округляется до целого четного числа.

Таблица 2.1

Провода прямоугольного сечения марки ПСД (площади сечения, мм²)

мм	, мм
	1,45	1,56	1,68	1,81	1,95	2,1	2,26	2,44	2,63	2,83	3,05	3,23
4,7	6,61	7,12	7,79	8,30	8,96	9,39	10,1	11,0	11,9	12,8	13,8	14,9
5,1	7,19	7,75	8,36	9,02	9,74	10,2	11,0	11,9	12,9	13,9	15,1	16,2
5,5	7,77	8,37	9,03	9,75	10,5	11,1	11,9	12,9	14,0	15,1	16,3	17,5
5,9	8,35	8,99	9,70	10,5	11,3	11,9	12,8	13,9	15,0	16,2	17,5	18,9
6,4	9,07	9,77	10,6	11,4	12,3	12,9	14,0	15,1	16,3	17,6	19,0	20,5
6,9	9,79	10,6	11,4	12,3	13,3	14,0	15,1	16,3	17,7	19,0	20,6	22,1
7 ,4	10,5	11,3	12,6	13,3	14,2	15,0	16,2	17,6	19,0	20,4	22,1	23,6
8,0	11,4	12,3	13,2	14,4	15,4	16,3	17,6	19,0	20,5	22,1	23,9	25,7
8,6	12,3	13,2	14,2	15,5	16,6	17,6	18,9	20,5	22,1	23,8	25,7	27,7
9,3	13,3	14,3	15,4	16,6	17,9	19,0	20,5	22,2	24,0	25,8	27,9	30,0
10,0	14,3	15,4	16,6	17,9	19,3	20,5	22,1	23,9	25,8	27,8	30,0	32,3
10,8	–	–	17,9	19,3	20,9	22,2	23,9	25,9	27,9	30,1	32,4	34,9

Примечание. На пересечении строк и столбцов указаны сечения проводов.

Двухсторонняя толщина изоляции проводов 0,33 мм.

Уточняется сечение стержня

, .

В турбогенераторах типа ТВВ с непосредственным охлаждением обмотки статора водой стержни выполняются комбинированными. Обычно на полые проводники приходится одна треть сплошных проводников в стержне. Расположение полых и сплошных проводников в стержне показано на рис. 2.3, в.

Размеры полых проводников для турбогенераторов с водяным охлаждением обмотки статора представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

	, мм				Примечание
	5,1	7,4	8,6	10	Размеры канала: высота ; ширина
	2,1	28,2	31,8	36
	17,8	23,5	26,5	30
	14,2	18,8	21,2	24

В случае комбинированного стержня размеры элементарных сплошных и полых проводников выбирают следующим образом. По табл. 2.2 выбирается полый провод шириной со всеми его табличными размерами: – толщиной, – толщиной стенки,  – сечением провода.

Например, при размерах полого провода мм, мм, мм² (табл. 2.2) выбирают размеры сплошного провода (табл. 2.1) шириной и толщиной , причем толщина провода должна быть мм при сечении провода мм².

Каждая группа проводников состоит из двух сплошных и одного полого провода. Сечение группы проводников . Число групп проводников в стержне округляется до ближайшего целого четного числа и уточняется сечение стержня . Если сечение стержня отличается более чем на 15 % от рассчитанного ранее сечения стержня , то следует пересмотреть размеры проводников.

После выбора размеров проводников уточняется плотность тока в стержне

, ,

и рассчитывается произведение линейной нагрузки на плотность тока

.

Величина должна находиться в пределах: при косвенном воздушном охлаждении (15–20)·10¹⁰ А²/м³, при косвенном водородном охлаждении (20–36)·10¹⁰ А²/м³ и при непосредственном охлаждении водой (65–200)·10¹⁰ А²/м³.

Если находится в допустимых пределах, то необходимо уточнить размеры паза статора и в соответствии с нормами на пазовую изоляцию стержня (табл. 2.3).

В соответствии с нормами на изоляцию уточняются размеры паза статора, его ширина

, м,

и высота, причём высота паза статора рассчитывается по формулам:

• в случае сплошных проводников

, м;

• в случае комбинированных (сплошных и полых) проводников

, м,

где и – общая толщина изоляции по ширине и высоте паза (табл. 2.3); – число групп комбинированных проводников в стержне; – высота клина; =10–35 мм.

Рассчитываются соотношения , и , которые в нормально спроектированных турбогенераторах находятся в пределах:

; ; .

Если рассчитанные соотношения отличаются от рекомендуемых более чем на 10 %, то необходимо пересмотреть размеры паза статора и проводников.

Таблица 2.3

Размеры компаундированной изоляции в пазовой части стержня в зависимости от номинального напряжения

№ поз.	Наименование		Номинальное напряжение, кВ
			6,3	10,5	13,8	15,75	18,0	20,0
			Толщина по ширине и высоте, мм
1	Бумага асбестовая, вертикальная прокладка		0,4
2	Миканит гибкий под переходы		0,5
3	Микалента черная 0,13 мм		8,0	9,5	10,5	12,5	13,5	6,0
4	Лента асбестовая 0,5 мм		1,0
	Лаковое покрытие лент		0,2
	Разбухание изоляции от пропитки	по ширине	0,3
		по высоте	1,0
5	Картон на дне паза		1,0
6	Прокладка толщиной 1,0 или 1,5 мм между стержнями		3,0
7	Прокладка толщиной 1,0 мм под клином		1,0
	Зазор на укладку	по ширине	0,5
		по высоте	0,3
	Общая толщина двухсторонней изоляции на паз	по ширине	10,5	12	13,0	15	17	8,3
		по высоте	26,5	28,5	31,5	35,5	37,5	22,5

Номера позиций в табл. 2.3 соответствуют, представленному на рис. 2.4 поперечному сечению паза статора с обмоткой.

Эскиз заполнения паза статора стержнями обмотки, пазовой изоляцией, клином в масштабе 1:1 или 2:1 с подробной спецификацией приводится в пояснительной записке.

В турбогенераторах мощностью МВт пакет сердечника статора набирается из сегментов, имеющих четыре или шесть зубцов. В турбогенераторах большой мощности, чтобы уменьшить влияние коробоватости и неравномерности толщины листов, вырубки делают из трехзубых сегментов. Конструкция сегментов и сборка сердечника статора из сегментов представлены в [4, с. 118–128].