Состоит турбогенератор. Турбогенератор: назначение и принцип действия. Система паровых уплотнений

От десятков тысяч оборотов в минуту (у синхронных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов "НПК "Энергодвижение") до 3000, 1500 об/мин (у синхронных турбогенераторов с возбуждением ротора). Механическая энергия от турбины преобразуется в электрическую посредством вращающегося магнитного поля ротора в статоре . Поле ротора, которое создается либо установленными на ротор постоянными магнитами, либо током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, приводит к возникновению трёхфазного переменного напряжения и тока в обмотках статора. Напряжение и ток на статоре тем больше, чем сильнее поле ротора, т.е. больше ток протекающий в обмотках ротора. У синхронных турбогенераторов с внешним возбуждением напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель - небольшой генератор на валу турбогенератора. Турбогенераторы имеют цилиндрический ротор установленный на двух подшипниках скольжения , в упрощенном виде напоминает увеличенный генератор легкового автомобиля. Выпускаются 2-х полюсные (3000 об/мин), 4-х полюсные (1500 об/мин как на Балаковской АЭС), и многополюсные машины, в зависимости от мест эксплуатации и требований Заказчика. По способам охлаждения обмоток турбогенератора различают: с жидкостным охлаждением через рубашку статора; с жидкостным непосредственным охлаждением обмоток; с воздушным охлаждением; с водородным охлаждением (чаще применяются на АЭС).

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Электротехника. Принцип действия генератора и ДПТ..wmv

Электротехника. Синхронные электрические машины.

Принцип работы генератора переменного тока

Субтитры

История

Один из основателей компании «ABB » Чарльз Браун построил первый турбогенератор в 1901 году . Это был 6-ти полюсный генератор мощностью 100 кВА .

Появление во второй половине XIX века мощных паровых турбин привело к тому, что потребовались высокоскоростные турбогенераторы. Первое поколение этих машин имело стационарную магнитную систему и вращающуюся обмотку. Но данная конструкция имеет целый ряд ограничений, одно из них - небольшая мощность. Кроме этого, ротор явнополюсного генератора не способен выдерживать большие центробежные усилия.

Основным вкладом Чарльза Брауна в создание турбогенератора было изобретение ротора, в котором его обмотка (обмотка возбуждения) укладывается в пазы, которые получаются в результате механической обработки поковки. Вторым вкладом Чарльза Брауна в создание турбогенератора была разработка в 1898 году ламинированного цилиндрического ротора. И, в конечном итоге, в 1901 году он построил первый турбогенератор. Данная конструкция используется в производстве турбогенераторов по сей день.

Типы турбогенераторов

В зависимости от системы охлаждения турбогенераторы подразделяются на несколько типов: с воздушным, масляным, водородным и водяным охлаждением. Также существуют комбинированные типы, например, генераторы с водородно-водяным охлаждением.

Также существуют специальные турбогенераторы, к примеру, локомотивные, служащие для питания цепей освещения и радиостанции паровоза . В авиации турбогенераторы служат дополнительными бортовыми источниками электроэнергии. Например, турбогенератор ТГ-60 работает на отбираемом от компрессора авиадвигателя сжатого воздуха, обеспечивая привод генератора трёхфазного переменного тока 208 вольт, 400 герц, номинальной мощностью 60 кВ*А.

Конструкция турбогенератора

Генератор состоит из двух ключевых компонентов - статора и ротора. Но каждый из них содержит большое число систем и элементов. Ротор - вращающийся компонент генератора и на него воздействуют динамические механические нагрузки, а также электромагнитные и термические. Статор - стационарный компонент турбогенератора, но он также подвержен воздействию существенных динамических нагрузок - вибрационных и крутящих, а также электромагнитных, термических и высоковольтных.

Возбуждение ротора генератора

Первоначальный (возбуждающий) постоянный ток ротора генератора подается на него с возбудителя генератора. Обычно возбудитель соосно соединён упругой муфтой с валом генератора и является продолжением системы турбина-генератор-возбудитель. Хотя на крупных электрических станциях предусмотрено и резервное возбуждение ротора генератора. Такое возбуждение происходит от отдельно стоящего возбудителя. Такие возбудители постоянного тока приводятся в действие своим электродвигателем переменного трехфазного тока и включены как резерв в схему сразу нескольких турбоустановок. С возбудителя постоянный ток подается в ротор генератора посредством скользящего контакта через щётки и контактные кольца. Современные турбогенераторы используют тиристорные системы самовозбуждения.

Турбогенераторы представляют собой генераторы синхронного типа, которые напрямую подсоединены к ТЭС. Турбины их работают на органическом топливе и поэтому обладают самыми высокими показателями экономичности. Особенно это касается большой частоты их вращения.

Это генерирующее оборудование обеспечивает около 80 процентов суммарного мирового объема вырабатываемой электрической энергии.

Основной задачей турбогенератора является трансформация механической энергии паровой либо газовой турбины в электрическую. Осуществляется это при большой скорости вращения ротора (от 3000 до 15000 оборотов в минуту).

Турбогенераторы – это довольно непростой тип электрических агрегатов, в котором сочетаются:

• проблемы с мощностью;
• электромагнитные характеристики;
• размеры;
• охлаждение и нагрев;
• статическая и динамическая прочность.

Исполняются данные устройства горизонтально и имеют возбуждающую обмотку с неявно выраженными полюсами, которая находится на самом роторе. А на статоре располагается трехфазная обмотка.

Принцип работы турбогенератора

Механическая энергия самой турбины превращается в электрическую. Это возможно благодаря вращающемуся магнитному полю, создаваемого с помощью непрерывного тока, протекающему в обмотке самого ротора. Это способствует и формированию трехфазного переменного тока, а также напряжению в статоре (его обмотках). Крутящий момент от двигателя передается на ротор генератора.

Данная характеристика турбогенератора позволяет при обращении ротора образовывать магнитный момент, который и создает электрический ток в его обмотках. Благодаря системе возбуждения в агрегате обеспечивается поддержка постоянного напряжения на всех режимах функционирования данного устройства.

Циркуляция воды в теплообменниках и газоохладителях происходит при помощи насосов, которые располагаются вне самого турбогенератора.

Паровой турбогенератор

Паровой турбогенератор обладает повышенной надежностью своей работы, при этом развивая проектную мощность постоянно на протяжении многих часов работы. Такие современные устройства могут обладать мощностью до 1300 МВт. Зачастую, паровые турбогенераторы могут работать параллельно. Передача мощности при этом может осуществляться в одну электрическую цепь.

Тепловая экономичность электростанции, в которой установлен паровой турбогенератор, напрямую зависит от видов и параметров теплового цикла использования тепла образовавшегося пара, а также от самого оборудования и его характеристик.

Зачастую, паровая турбина турбогенератора, обладающая небольшой мощностью, монтируется в промышленных котельных, там где используется мазута или твердое топливо. Турбины тут функционируют в качестве дросселирующих устройств редукционно-охладительных установок, на разнице величины давления от котла до промышленного отбора, либо же теплообменника. /p>

Мощность турбогенератора, работающего в данной отрасли, находится в пределах от 250 киловатт до 5 Мегаватт. Такая установка позволяет получить очень дешевую электрическую энергию. Она получается в восемь раз дешевле покупной. А все оборудование, при работе больше чем 5000 часов в год, сможет быстро окупить себя, уже за три года.

Паровая турбина турбогенератора маленькой нагрузки может применяться не только лишь в качестве привода электрогенератора, но также и для приведения в действия устройств, необходимых для работы котельных любого назначения.

Статор турбогенератора

Он изготавливается из корпуса, в котором имеется сердечник с углублениями для установки в них обмотки. В основу сердечника входят слои, которые набираются из нескольких листов стали (электротехнической), дополнительно имеющих лаковое покрытие. Между этими слоями имеются специальные каналы для вентиляции (порядка 5 – 10 сантиметров).

В месте, где находятся углубления, обмотка закрепляется при помощи клиньев, а ее передняя часть укреплена на специальных кольцах. Располагается она с конца статора. Сам сердечник помещен в прочный сварной корпус, изготовленный из стали.

Ротор турбогенератора

Чтобы сформировалась высокая прочность, ротор турбогенератора выпускают в виде толстого цилиндра из сплошной стальной заготовки. В таком случае используют углеродистую сталь, как правило, марки «35» (в случаи малой нагрузки данного агрегата).

Ротор турбогенератора оснащен двумя рядами отверстий, расположенных вдоль первых обмоточных отверстий. Необходимо это, чтобы закрепить там специальные балансировочные грузы. Длина ротора турбогенератора существенно меньше его активных размеров.

При частоте вращения порядка 3000 оборотов в минуту, ротор изготавливают диаметром в 1,2 метра. Обмотку делают из специальной полосовой меди с дополнительной присадкой серебра. Она удерживается в пазах благодаря дюралевым клиньям.

Для того, чтобы повысить тепловую стойкость ротора от воздействия на него обратных токов, сверху изоляции обмотки укладываются короткозамкнутые кольца, которые изготавливают в виде двухслойного медного гребенка.

Для повышения единичной мощности охлаждение турбогенератора делают более интенсивным, без существенного увеличения габаритов. Если нагрузка таких устройств превышает 50 Вт, то используют жидкое либо водородное охлаждение его обмоток.

Охлаждение турбогенераторов

Турбогенераторы с воздушным охлаждением

Изготавливаются такие агрегаты нагрузкой в 2,5; 4; 6; 12 и 20 МВт. Конструкция таких устройств осуществляется закрытым типом. Самовентиляция обеспечивается по закрытому циклу. Вращение воздуха в турбогенераторе происходит благодаря вентиляторам, которые закрепляются с обеих сторон внутри ротора.

Для того, чтобы избежать проникновения пыли вовнутрь, на валу имеются специальные воздушные уплотнители. А утечка воздуха компенсируется благодаря его засосу из внешней среды.

Устройства с водородным охлаждением

Это устройства, мощность которых составляет 60 и 100 Мегаватт.

Охлаждение турбогенератора, а именно роторных обмоток, исполняется напрямую водородом. Статор охлаждается косвенно и обдает сварную оболочку, которая газонепроницаема и неразъемная.

Агрегаты, охлаждаемые водой

Обмотки ротора и статора устройств такого типа охлаждаются при помощи непосредственной подачи воды. Сталь сердечника статора отстужается при помощи специально предназначенных охладителей, изготовленных из силумина. Воздух, который заполняет сам генератор, охлаждается водой.

Объединенное охлаждение

Такие устройства с водородно-водяным охлаждением бывают мощностью 160 – 1200 Мегаватт. А количество оборотов в минуту составляет 3000. Такие агрегаты имеют прямое охлаждение обмотки статора при помощи дистиллированной воды, а ротора – водородом. Наружная их поверхность охлаждается при помощи только лишь водорода.

Корпус таких агрегатов изготавливается цельным, сварным, газонепроницаемым, неразъемным, а также, его внутренняя поверхность обладает дополнительными поперечными кольцами жесткости, которая способствует закреплению сердечника. С двух сторон статор закрывается наружными пластинами.

Это касается таких агрегатов, нагрузка которых составляет 160 – 220 МВт. Если же мощность турбогенератора составляет 300 – 800 Мегаватт, то каркас таких устройств выполняется разъемным из трех секций. Заполняется он водородом, который потом обращается с помощью двух осевых вентиляторов, закрепленных на самом роторе. Остужается он в газоохладители турбогенератора.

Возбуждающий режим

В виде основного такого метода служит бесщеточная система. Возбудитель закрытого типа обладает изолированной вентиляцией. Для турбогенераторов, производительность которых составляет 160 – 800 Мегаватт, используется тиристорная система, с самостоятельной активизацией. Сам возбудитель представляет собой синхронный трехфазный генератор переменного тока.

При помощи термопреобразователей осуществляется проверка теплового режима главных узлов, а также охлаждающей системы. Подсоединяются они к установке центрального управления.

Благодаря специальной аппаратуре можно осуществлять контроль давления, расход охлаждающей воды, дистиллята, следить за давлением масла и т.п. С ее помощью происходит непрерывное отслеживание всех изменений заданных параметров от нормы.

На данных агрегатах устанавливают и специальные системы защиты. Такая характеристика турбогенератора сообщает о снижении уровня воды, расходуемой в газоохладителе.

Эксплуатация турбогенераторов

Самой большой проблемой при работе устройств с водородным охлаждением является борьба с утечкой воды. Перед вводом в эксплуатацию таких машин или после их капитального ремонта в обязательном порядке должна быть осуществлена проверка генератора, а также самой системы водородного охлаждения на ее газовую плотность.

Расход водорода в сутки не должен превышать более 10 процентов от общего его количества в данном агрегате. А стоячая его утечка – не превышать 5%. Также, следует помнить и знать, что при увеличении температуры уплотняющего масла растет и количество водорода, растворяемого в нем. Это может привести к утечке водорода.

Вибрационное состояние турбогенератора является одним из основных параметров, который отвечает за безопасность и надежность во время эксплуатации. Она может быть вызвана в ряду механических причин, обусловленных неуравновешенностью вращающихся узлов турбогенератора, нарушением конструкции подшипников, несимметричностью воздушных зазоров, замыканием витков в обмотках роторе, нарушением изоляции обмоток и т.п.

Допускается длительная работа турбогенератора при несимметричной мощности, когда обратный ток не больше восьми процентов от номинальной величины тока самого статора. При этом токи в фазах обязаны быть больше номинальных величин.

Продолжительная эксплуатация турбогенераторов обеспечивается и в том случае, если в этом случае они включаются при помощи метода «точной синхронизации».

При аварийном режиме устройство включать можно, но ток статора обязан быть не больше тройного номинального значения. Допустимая температура охлаждающего водорода составляет 40°С. Снижать ее менее 20 градусов нельзя. Если его температура растет, то следует снизить номинальную нагрузку генератора. Все значения уменьшения мощности имеются в инструкции по работе таких устройств.

Возможна работа данного устройства и при входном напряжении, не превышающего 110 процентов от номинального значения.

Для нормальной и бесперебойной работы турбогенератора, температура охлаждающей жидкости, находящейся в газоохладителе, должна быть 33 градуса. Минимальное ее значение составляет 15°С.

Турбогенераторы на выставке

Международная выставка «Электро» является крупнейшим мероприятием, на котором будет представлено электрооборудование для энергетики, электротехнике, автоматизации, а также промышленной световой техники.

Вы сможете увидеть множество сегментов и современных тенденций отрасли, начиная от генерации электрической энергии и завершая конечным ее потреблением; узнать, что такое турбогенератор, принцип его работы, виды, характеристики.

В данной выставке ежегодно участвуют предприятия их разных стран мира: Китая, Германии, Словении, Испании, Индии, Чехии и многих других.

На мероприятии «Электро» вы увидите:

• турбогенераторы, компрессоры, газотурбинные установки, различное вспомогательное оборудование;
• электрическое оборудование для электростанций, сетей передачи, а также распределения энергии;
• проектирование всевозможных объектов электроэнергетики и систем снабжения электричеством;
• интеллектуальные сети;
• электрическая безопасность;
• средства, отвечающие за охрану труда;
• спецодежда.

Также, вы сможете пройти специальную программу обучения и подготовки персонала.

В отделе промышленной светотехники вы сможете ознакомиться с:

• проектированием систем освещения;
• освещением в аварийных ситуациях;
• офисными системами освещения, а также промышленными и складскими;
• освещением улиц и многим другим.

Придя на выставку «Электро», вы сможете узнать очень много интересных и современных технологий и оборудования. Это, несомненно, сможет помочь в развитии вашего бизнеса. А приобретение необходимого оборудования позволит вам эффективно модернизировать и ускорить ваше производство.

Организаторы данной выставки предоставляют возможность любой компании продемонстрировать свои новейшие разработки, что позволит занять особое место в презентационной программе.

Целью такого проекта является обращение внимания потенциальных покупателей на самые новые разработки и продвижение их на российском рынке. С его помощью вы сможете завлечь посетителей к своему проекту, который только вышел на рынок, рассказать о его преимуществах и новых технологических решениях.

Лекция 9

Электрическая часть электростанций

Электрическая станция представляет собой промышленное предприятие, на котором производится электрическая, а в некоторых случаях и тепловая энергия на основе преобразования первичных энергоресурсов.
В зависимости от вида природных источников энергии (твердое топливо, жидкое, газообразное, ядерное, водяная энергия) станции подразделяются на тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС), атомные (АЭС). Станции, на которых одновременно с электрической вырабатывается и тепловая энергия, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Независимо от типа электростанции ее электрическую часть составляют электрогенераторы – устройства для преобразования первичной энергии (чаще всего механической) в электрическую, а также другие аппараты для преобразования и управления потоком электрической энергии: трансформаторы, выключатели, разъединители.

Электрогенераторы

Для выработки электроэнергии на современных электрических станциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Различают турбогенераторы (ТГ) (первичный двигатель – паровая или газовая турбина) и гидрогенераторы (первичный двигатель - гидротурбина).

Турбогенераторы предназначены для непосредственного соединения с паровыми или газовыми турбинами и, так как особенностью этих турбин является их быстроходность, имеют высокую частоту вращения. Чем выше частота вращения турбины, тем меньше ее габариты и больше к. п.д., поэтому естественно стремление повысить быстроходность турбогенераторов. Однако эта быстроходность имеет предел, ограниченный номинальной частотой сети f = 50 Гц и минимальным числом пар полюсов генератора р = 1.

Для синхронных генераторов в установившемся режиме существует строгое соответствие между частотой вращения агрегата n , об/мин, и частотой сети f , Гц

где – число пар полюсов обмотки статора генератора.

Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000 и 1500 об/мин), так как при этом турбогенераторы имеют наилучшие технико-экономические показатели. На ТЭС, сжигающих обычное топливо, частота вращения агрегатов составляет, как правило, 3000 об/мин, а синхронные генераторы имеют два полюса.

Таким образом, при частоте сети 50 Гц, принятой в нашей стране и в странах Западной Европы, максимальная частота вращения турбогенераторов равна 3000 об/м, а в США и Японии, где частота сети 60 Гц, наибольшая частота вращения двухполюсных турбогенераторов равна 3600 об/мин.

На АЭС применяют также генераторы с двумя парами полюсов. К турбине они подключаются через редуктор, снижающий частоту вращения до 1500 об/мин.

Высокая частота вращения ТГ определяет и особенности его конструкции. Эти генераторы выполняются с горизонтальным расположением ротора. Ротор ТГ работает при больших механических и тепловых нагрузках. Поэтому он изготовляется из цельной поковки специальной высококачественной стали (хромоникелевой или хромоникельмолибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами.

У турбогенераторов ротор , как правило, выполняется неявнополюсным . Вследствие значительной частоты вращения размеры его ограничены: по длине (во избежание прогибов, приводящий к вибрациям) – 6-6,5 м и по диаметру (для снижения окружных усилий при вращении) – 1,1-1,2 м.

В активной части ротора, по которой проходит основной магнитный поток, фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения. В пазовой части обмотки закрепляются немагнитными легкими, но прочными клиньями из дюралюминия. Лобовая часть обмотки, не лежащая в пазах, предохраняется от смещения под действием центробежных сил с помощью бандажа. Бандажи являются наиболее напряженными в механическом отношении частями ротора и обычно выполняются из немагнитной высокопрочной стали.

Турбогенераторы – применение в энергетике

Турбогенераторы с комбинированным водородно-водяным охлаждением предназначены для работы на атомных электростанциях (АЭС). Асинхронные турбогенераторы используются в составе мощных ТЭЦ и в энергосистемах со значительными колебаниями нагрузки. Асинхронные турбогенераторы также имеют комбинированное водородно-водяное охлаждение. Турбогенераторы с воздушным и масляным охлаждением применяются на тепловых электростанциях (ТЭС) с различной мощностью.

Гидравлические турбины имеют обычно относительно малую частоту вращения (60 – 600 об/мин). Частота вращения тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше мощность турбины. Гидрогенераторы поэтому являются тихоходными машинами и имеют большие размеры и массы, а также большое число пар полюсов.

Частота вращения гидрогенератора принимается равной наиболее выгодной частоте вращения турбины, отвечающей при данных напоре (Н) и расходе воды наилучшим гидравлическим характеристикам турбины и её наибольшей экономичности

,

где К б - коэффициент быстроходности, зависящий от типа турбины, об/мин;

Н - напор, м;

Р - мощность турбины, МВт.

Так как напоры и расходы воды на различных гидроэлектростанциях отличаются большим разнообразием, частота вращения гидрогенераторов лежит в широком диапазоне, от 50 до 750 об/мин. Частота вращения тем меньше, чем ниже напор воды и выше мощность гидроагрегата.

Гидроагрегаты поэтому являются тихоходными машинами, имеют большие размеры и массы, а также большое число полюсов.

К б составляет 20-40 об/мин для ковшевых турбин, 50-450 об/мин для радиально осевых турбин и 400-1200 об/мин (чаще 600-800 об/мин) для поворотно-лопастных турбин.
Как видно из формулы (1-2), частота вращения тем меньше, чем выше мощность гидроагрегата и ниже напор. Большая часть исполненных машин имеет частоту вращения в пределах от 50 до 125 об/мин, т. е. относится к тихоходным машинам. Число полюсов всегда выражается целым числом, поэтому частота вращения гидрогенераторов иногда оказывается дробной, например гидрогенераторы Иркутской ГЭС имеют частоту вращения 83,3 об/мин (р = 36), Саратовской ГЭС - 51,5 об/мин (р = 58), Краноярской ГЭС - 93,8 об/мин (р = 32).

Гидрогенераторы выполняют с явнополюсными роторами и преимущественно с вертикальным расположением вала. Диаметры роторов мощных гидрогенераторов достигают 14 – 16 метров, а диаметры статоров – 20 – 22 м (рис. 6.2).

В машинах с большим диаметром ротора сердечником служит обод, собираемый на спицах, которые крепятся на втулках ротора. Полюсы, как и обод, делают наборными из стальных листов и монтируют на ободе ротора с помощью Т-образных выступов. На полюсах помимо обмотки возбуждения размещается еще так называемая демпферная обмотка, которая образуется из медных стержней, закладываемых в пазы на полюсных наконечниках и замыкаемых с торцов ротора кольцами. Эта обмотка предназначена для успокоения колебаний ротора агрегата, которые возникают при всяком возмущении, связанном с резкими изменениями нагрузки генератора.

Конструкция данного агрегата описывается еще в учебниках 8 класса по физике. Об устройстве паровой турбины рассказывается в книгах следующим образом. Данный вид турбины - это вид двигателя, в котором пар или же нагретый воздух способен вращать вал двигателя без взаимодействия с поршнем, шатуном или коленчатым валом.

Краткое описание устройства

Кратко устройство паровой турбины можно описать следующим образом. На основной элемент, то есть вал, закрепляется диск, к которому крепятся лопатки. Около данных элементов также располагаются такие части, как трубы-сопла. Через них и происходит подача пара из котла. При прохождении пара сквозь сопло он оказывает определенное давление на лопатки, а также диск всей установки. Именно это воздействие приводит во вращение диск турбины вместе с лопатками.

В настоящее время в таких агрегатах чаще всего используется несколько дисков, которые насаживаются на один вал. При таком устройстве паровой турбины происходит следующее. Энергия пара, проходя через каждую лопатку каждого диска, будет отдавать часть своей энергии этим элементам. Основное применение паровые турбины нашли на атомных, а также где они соединяются с валом электрического тока. Скорость вращения вала паровой турбины достигает 3000 оборотов в минуту. Данного значения хватает для приемлемой работы генераторов электрического тока.

Если говорить о применении данных агрегатов, то стоит упомянуть, что они успешно эксплуатируются на кораблях и суднах. Однако из-за устройства паровой турбины, в частности, по причине того, что необходимо большое количество воды для работы турбины, ее эксплуатация на сухопутных и воздушных средствах передвижения невозможна.

Устройство сопла турбины. На что оно влияет

Одним из важнейших элементов для работы устройства стало сопло, сквозь которое и осуществляется прохождение пара.

В наиболее раннем устройстве паровой турбины, когда еще до конца не были изучены такие вещи, как расширение пара, построить рационально функционирующий агрегат с высоким КПД было проблематично. Причина заключалась в том, что сопло, которое использовалось вначале, имело одинаковый диаметр по всей своей длине. А это влекло за собой то, что пар, проходя через трубу и попадая в пространство с меньшим давлением, чем внутри, терял давление и увеличивал свою скорость, но только до определенного значения. Если говорить о насыщении сухого пара, то его давление на выходе из трубки не может быть меньше, чем 0,58 от начального давления. Данный параметр называют Основываясь на этом значении, можно получить и предельную скорость движения пара, которую называют также критической скоростью, а ее значение для перегретого пара равно 0,546 от начального давления.

Таких параметров оказалось мало для нормального функционирования турбины. К тому же при выходе из сопла такой формы пар начинал клубиться из-за расширения в атмосфере. Все эти недостатки удалось устранить, когда устройство паровой турбины, ее сопла, было изменено. В начале отбора труба была узкой, постепенно расширяясь к концу. Основная отличительная особенность, которая стала решающим фактором, - это то, что с такой формой стало возможно привести давление у конца сопла к давлению окружающей среды после трубы. Это решило проблему с клубами пара, которые сильно снижали скорость, а также удалось добиться сверхкритических значений для этого параметра, а также давления.

Устройство паровой турбины и принцип работы

Здесь важно сказать о том, что паровая турбина использует два различных принципа работы, которые зависят от ее устройства.

Первый принцип называют активными турбинами. В этом случае, имеются в виду устройства, у которых расширения пара осуществляется только в неподвижных соплах, а также до поступления его на рабочие лопатки.

Устройство паровой турбины и принцип работы второго типа называют реактивным. К таким агрегатам относят те, у которых расширение пара происходит не только до вступления его на рабочие лопатки, но и во время прохождения между таковыми. Еще такие устройства называют работающими на реакции. Если падения тепла в соплах составляет примерно половину от общего теплопадения, то турбину называют также реактивной.

Если рассматривать устройство паровой турбины и ее основных элементов, то нужно обратить внимание на следующее. Внутри турбины происходит такой процесс: струя жидкости, которая направляется на лопатку, будет оказывать на нее давление, которое будет зависеть от таких параметров, как расход, скорость при входе, а также при выходе на поверхность, форма поверхности лопатки, угол направления струи по отношению к данной поверхности. Здесь важно отметить, что при такой работе вовсе не нужно делать так, чтобы поток воды бил о лопатку. Напротив, в устройствах паровых агрегатов этого принято избегать, и чаще всего делают так, чтобы струя плавно обтекала лопатку.

Активная работа

Каково устройство паровой турбины, работающей на таком принципе. Здесь за основу взят закон о том, что любое тело, обладающее даже малой скоростью, может иметь высокую кинетическую энергию, если движется с большой скоростью. Однако здесь сразу же надо учитывать, что эта энергия очень быстро пропадает, если скорость тела начнет падать. В таком случае, имеется два варианта развития событий, если струя пара ударится о плоскую поверхность, которая будет перпендикулярна ее движению.

Первый вариант - удар происходит о неподвижную поверхность. В таком случае вся кинетическая энергия, которой обладало тело, частично превратится в тепловую энергию, а остальная часть израсходуется на то, чтобы отбросить частицы жидкости в обратном направлении, а также назад. Естественно, что никакой полезной работы выполнено при этом не будет.

Второй вариант - поверхность может перемещаться. В таком случае некоторая часть энергии уйдет на то, чтобы сдвинуть платформу с места, а остальная все так же будет затрачена впустую.

В устройстве паровой турбины и принципе действия, который называется активным, используется именно второй вариант. Естественно, нужно понимать, что при работе агрегата необходимо добиться того, чтобы расход энергии на бесполезную работу был минимальным. Еще одно важное условие заключается в том, что необходимо направить струю пара таким образом, чтобы она не повреждала лопатки при ударе. Достичь выполнения этого условия можно лишь при определенной форме поверхности.

Путем испытаний и расчетов было установлено, что наилучшей поверхностью для работы со струями пара является та, которая сможет обеспечить плавный поворот, после которого движение рабочего вещества будет перенаправлено в противоположную сторону от изначальной. Другими словами, необходимо придать лопаткам форму полукруга. В таком случае, сталкиваясь с препятствием, максимальная часть кинетической энергии будет передаваться механическом устройству, заставляя его вращаться. Потери же сведутся к минимуму.

Как работает активная турбина

Устройство и принцип действия паровой турбины активного типа заключается в следующем.

Свежий пар с определенными значениями давления и скорости передается в сопло, где происходит его расширение также до определенного показателя давления. Естественно, что вместе с этим параметром, будет увеличиваться и скорость струи. С увеличенным значением скорости, поток пара доходит до механических частей - лопаток. Воздействуя на эти элементы, струя рабочего вещества заставляет вращаться диск, а также вал, на котором он закреплен.

Далее, при выходе из лопаток, поток пара обладает уже другим значением скорости, которое обязательно будет ниже, чем перед этими элементами. Это происходит из-за того, что часть кинетической энергии преобразовалась в механическую. Здесь также важно отметить, что во время прохождения по лопаткам значение давления меняется. Однако важно то, что на входе и на выходе из этих элементов данный параметр имеет одинаковое значение. Это обусловлено тем, что каналы между лопатками обладают одинаковым сечением по всей своей длине, а также внутри этих деталей не происходит добавочного расширения пара. Для того чтобы выпустить пар, который уже отработал, имеется специальный патрубок.

Механическое устройство турбины

Устройство и работа паровой турбины с точки зрения механики выглядят так.

Агрегат состоит из трех цилиндров, каждый из которых представляет собой статор, имеющий неподвижный корпус, а также вращающийся ротор. Отдельно расположенные роторы соединяются муфтами. Цепочка, которая собирается из отдельных роторов цилиндров, а также из генератора и возбудителя, называется валопроводом. Длина данного устройства при максимальном значении составляющих компонентов (в настоящее время - это не больше 5 генераторов) - 80 метров.

Далее, устройство и работа паровой турбины выглядят так. Валопровод выполняет вращательное движение в таких элементах, как опорные подшипники скольжения вкладышей. Вращение происходит на тонкой масляной пленке, металлической же части этих вкладышей вал во время вращения не касается. На сегодняшний день все роторы конструкции размещаются на двух опорных подшипниках.

В некоторых случаях между роторами, принадлежащими к ЦВД и ЦСД, имеется лишь один общий опорный подшипник. Весь пар, который расширяется в турбине, заставляет каждый из роторов выполнять вращательное движение. Вся мощность, которая вырабатывается каждым из роторов, складывается на полумуфте в общее значение и там достигает своего максимального показателя.

Кроме того, каждый элемент находится под воздействием осевого усилия. Эти усилия суммируются, а их максимальное значение, то есть общая осевая нагрузка, передается с гребня на упорные сегменты. Эти детали устанавливаются в корпусе упорного подшипника.

Устройство ротора турбины

Каждый ротор помещается в корпус цилиндра. Показатели давления на сегодняшний день они могут достигать 300 МПа, так что корпус данных устройств выполняется двустенным. Это помогает уменьшить разность давления на каждый из них, что позволяет уменьшать толщину каждой из них. Кроме того, это помогает упростить процесс затяжки фланцевых соединений, а также дает возможность турбине при необходимости быстро изменить показатель своей мощности.

Обязательным является наличие горизонтального разъема, который предназначен для легкого процесса монтажа внутрь корпуса, а также должен обеспечивать быстрый доступ к уже установленному ротору, во время проведения ревизии или ремонта. Когда осуществляется непосредственный то все плоскости разъемов нижних корпусов монтируются специальным образом. Чтобы упростить данную операцию, принято считать, что все горизонтальные плоскости соединены в одну общую.

Когда в дальнейшем наступает момент монтажа валоповоротного устройства паровой турбины, то его помещают в уже имеющийся горизонтальный разъем, что обеспечивает его центровку. Это необходимо для того, чтобы избежать ударения ротора о статор во время вращения. Такой дефект может привести к довольно серьезной аварии на объекте. Из-за того, что пар внутри турбины характеризуется очень высокой температурой, а вращение ротора происходит на масляных пленках, температура масла должна быть не более чем 100 градусов по Цельсию. Это значение подходит как по требованиям пожаробезопасности, так и соответствует наличию определенных смазочных свойств у материала. Для того чтобы добиться таких показателей, вкладыши подшипников выносятся за корпус цилиндра. Их размещают в специальных точках - опорах.

Паровые установки на атомных станциях

Устройство паровой турбины на АЭС можно рассматривать на примере установок насыщенного пара, которые имеются лишь на тех объектах, где используется водяной теплоноситель. Здесь стоит отметить, что начальные характеристики паровых турбин на атомных станциях, характеризуются низкими показателями. Это вынуждает пропускать большее количество рабочего вещества, чтобы добиться нужного результата. Кроме того, из-за этого образуется повышенная влажность, которая быстро нарастает по ступеням турбины. Это привело к тому, что на таких объектах приходится использовать внутритурбинные и внешние влагоулавливающие устройства.

Из-за высокой влажности используемого пара снижается коэффициент полезного действия, а также довольно быстро развивается эрозийный износ проточных частей. Для того чтобы избежать данной проблемы, приходится использовать различные методы укрепления поверхности. К таким способам относятся хромирование, закаливание, электроискровая обработка и т. д. Если на других объектах удается использовать простейшее устройство паровых турбин, то на АЭС нужно не только думать о защите от коррозии, но и об отводе влаги.

Наиболее эффективным способом отвода лишней влаги из турбины стал отбор пара. Отбор вещества осуществляется на регенеративные подогреватели. Тут важно отметить, что если такие отборы установлены после каждой ступени расширения, то необходимость в разработке дополнительных внутритурбинных влагоулавливателей отпадает. Также можно добавить, что допустимые пределы влажности пара основываются на диаметре лопатки, а также на скорости вращения.

Каково устройство паровых и газовых турбин

Наилучшим качеством, которое стало важнейшим преимуществом паровой турбины, является то, что она не требует какого-либо соединения с валом электрического генератора. Также это устройство отлично справлялось с перегрузками, и его легко можно было регулировать по частоте вращения. у таких агрегатов также довольно высок, что в сочетании с другими преимуществами и вывело их на передний план, если возникала необходимость соединения с электрическими генераторами. Таким же является и устройство паровой турбины AEG.

Схожими объектами стали и газовые турбины. Если рассматривать эти приспособления с точки зрения конструкции, то они практически ничем не отличаются. Как и паровая турбина, газовая является машиной лопаточного типа. Кроме этого, в обоих агрегатах вращение ротора достигается за счет того, что происходит трансформация кинетической энергии потока рабочего вещества.

Существенное отличие между этими установками заключается как раз в типе рабочего вещества. Естественно, что в паровой турбине таким веществом является водяной пар, а в газовой установке - это газ, который чаще всего получен при сжигании каких-либо продуктов, либо является смесью пара и воздуха. Еще одно отличие заключается в том, что для образования этих рабочих веществ необходимо иметь разное дополнительное оборудование. Таким образом, получается, что сами по себе турбины очень похожи, но установки, образующиеся на объектах вокруг них, довольно сильно отличаются.

Паровая турбина с конденсатом

Конденсационные устройства и паровые турбины Лосев С. М. описывал в своей книге, выпущенной в 1964 году. Издание содержало теорию, конструкцию и эксплуатацию паровых установок, а также конденсационных агрегатов.

Турбинная установка, которая находится в котле, имеет три среды - вода, пар и конденсат. Эти три вещества образуют между собой некий замкнутый цикл. Тут важно отметить, что в такой среде во время преобразования теряется достаточно малое количество пара и жидкости. Чтобы компенсировать небольшие потери, в установку добавляют сырую воду, которая перед этим проходит водоочистительное устройство. В этом агрегате жидкость подвергается воздействию различных химикатов, основное предназначение которых в удалении ненужных примесей из воды.

Принцип работы в таких установках следующий:

• Пар, который уже отработал и обладает пониженным давлением и температурой, попадает из турбины в конденсатор.
• При прохождении этого участка пути имеется большое количество трубок, по которым непрерывно качается охлаждающая вода при помощи насоса. Чаще всего эта жидкость берется из рек, озер или прудов.
• В момент соприкосновения с холодной поверхностью трубки отработавший пар начинает образовывать конденсат, так как его температура все еще выше, чем в трубах.
• Весь скопившийся конденсат постоянно поступает в конденсатор, откуда он непрерывно откачивается насосом. После этого жидкость передается в деаэратор.
• Из этого элемента вода снова поступает в паровой котел, где превращается в пар, и процесс начинается сначала.

Кроме основных элементов и простого принципа работы, имеется пара дополнительных агрегатов, таких как турбонаддув и подогреватель.

Турбогенераторы являются основной в мире машиной, вырабатывающей электроэнергию пе­ременного тока. Впервые турбогенераторы трех­фазного тока с цилиндрическим ротором появи­лись в 1900-1901 гг. После этого шло их бы­строе развитие как по конструкции, так и по рос­ту единичных мощностей. Крупнейшие турбоге­нераторы в период 1900-1920 п. изготавлива­лись шестиполюсными из-за ограниченных воз­можностей металлургии по изготовлению поко­вок для роторов. В 1920 г. в США был изготовлен самый мощный для того времени

Рис. 6.2. Макет турбогенератора мощностью 1200 МВт с частотой вращения 3000 об/мин Костромской ГРЭС

турбогенератор мощностью 62.5 МВт, частотой вращения 1200 об/мин. Двухполюсные турбогенераторы выполнялись мощностью лишь до 5,0 МВт.

После 1920 г. основное развитие получили двух- и четырехполюсные турбогенераторы. Еди­ничные мощности этих машин быстро росли. Ве­дущими странами в области турбогенераторостроения были и остаются Англия, Германия, Россия, США, Франция, Швейцария, Япония.

Первый турбогенератор в нашей стране мощ­ностью 500 кВт был изготовлен в 1924 г. заводом «Электросила». В том же году были изготовлены еще два турбогенератора мощностью по 1500 кВт. Эти первые машины послужили основой для соз­дания в последующие годы серии турбогенерато­ров в диапазоне мощностей от 0,5 до 24 МВт при частоте вращения 3000 об/мин. За 1926 и 1927 гг. было сделано 29 таких турбогенераторов. Эти машины создавались под руководством выдаю­щегося инженера-организатора производства А.С. Шварца.

В начале 30-х годов на заводе «Электросила» была создана новая серия турбогенераторов с мощностями от 0,75 до 50 МВт. Существенное значение имело то, что при создании этой серии был широко использован опыт Западной Европы и США в турбогенераторостроении. По сравне­нию с предшествующей серией удалось снизить массу меди в обмотке статора на 30 %, а электро­технической стали на 10-15 %. При этом была уменьшена трудоемкость изготовления машин. Все электромагнитные, тепловые, вентиляцион­ные и механические расчеты были выполнены по новым расчетным методикам. Машины изго­товлялись из отечественных материалов. Уже к 1 января 1935 г. на отечественных тепловых электростанциях было смонтировано 12 таких турбогенераторов мощностью по 50 МВт.

На основе турбогенераторов последней се­рии были проведены разработки и началось изготовление быстроходных турбодвигателей мощностью от 1 до 12 МВт с частотой вращения 3000 об/мин для турбовоздуходувок и турбоком­прессоров.

Особое значение имеет цикл исследований и разработок, завершившихся изготовлением в 1937 г. самого мощного в мире турбогенерато­ра на 100 МВт с частотой вращения 3000 об/мин и косвенным воздушным охлаждением. Основ­ные трудности были связаны с ротором. Метал­лурги справились с созданием поковки больших размеров из высококачественной стали, а электромашиностроители -с ее механической обра­боткой- потребовавшей исключительно высокой точности.

Под руководством Р.А. Лютера и А.Е. Алек­сеева были выполнены расчеты и разработаны конструкции предвоенных серий турбогенераторов и отдельных машин.

В последующие годы возникла необходи­мость в освоении турбогенераторов большей мощности - 200 и 300, а в последующие годы 500, 800, 1000 и даже 1200 МВт при частоте вра­щения 3000 об/мин (рис. 6.2). Основные пробле­мы при создании турбогенераторов таких мощ­ностей создает ограничение диаметра ротора и расстояния между его опорами. В первом случае ограничение обусловлено механической проч­ностью, а во втором случае - вибрациями. В этих условиях увеличение мощностей достигает­ся за счет применения более интенсивных спо­собов охлаждения, позволяющих повысить плотность тока в обмотках. Сложность при этом состоит в необходимости не только сохранения, но и некоторого повышения КПД, а также умень­шения вибраций. Все это потребовало очень большого объема теоретических и эксперимен­тальных исследований, создания опытных ма­шин и строительства уникальных испыта­тельных стендов.

Исследования, разработки и производство мощных турбогенераторов проводились в СССР на трех заводах: «Электросила» (г. Ленинград), «Электротяжмаш» (г. Харьков) и «Сибэлектромаш» (г. Новосибирск). На каждом заводе созда­вались свои конструкции и технологические процессы.

На заводе «Электросила» впервые в мировой практике было предложено и освоено водород­ное охлаждение роторов с заборниками и де­флекторами, а также водяное охлаждение обмот­ки статора. Все работы проходили вначале под руководством главного инженера завода Д.В. Ефремова, главных конструкторов Е.Г. Ко­мара и Н.П. Иванова, а затем главного инженера Ю.В. Арошидзе, главного конструктора турбоге­нераторов Г.М. Хуторецкого и руководителя на­учно-технических и опытно-конструкторских работ завода Л.В. Куриловича. Водород является лучшим хладагентом по сравнению с воздухом. Использование водорода началось с турбогене­ратора мощностью 100 МВт и частотой враще­ния 3000 об/мин, который был изготовлен в 1946 г. Он имел косвенное водородное охлажде­ние для роторной и статорной обмоток. Вполне естественно, что система охлаждения сердечни­ка статора была в принципе такой же, как и при воздушном охлаждении. Потребовался переход от косвенного охлаждения обмоток к непосредственному. В катушках ротора выполнялись диа­гональные каналы, подача водорода в которые осуществлялась заборниками, а отвод - дефлек­торами. Заборники и дефлекторы - клинья для крепления обмотки с профильными отверстиями для прохождения газа. При увеличении мощно­стей требовалось повышение давления водоро­да. Таким образом, газ непосредственно сопри­касался с медью ротора. Стержни обмотки статора выполнялись из полых медных провод­ников, между которыми укладывались сплош­ные проводники. Вода, протекая по полым про­водникам, обеспечивала непосредственное охла­ждение статорной обмотки.

Для радикального снижения вибраций кор­пусов машин применялась эластичная связь между сердечником и корпусом. Это достига­лось с помощью продольных прорезей в ребрах прямоугольного сечения, на которых собирается сердечник.

Особые трудности возникли при создании турбогенератора мощностью 800 МВт. В связи е очень большими электродинамическими сила­ми и условиями работы, близкими к резонанс­ным, оказались неприемлемыми обычные спосо­бы крепления лобовых частей обмоток. Моно­литное крепление было достигнуто с помощью новых крепящих материалов: мягкого материа­ла, формирующегося при комнатной температу­ре, т.е. в процессе изготовления машины, и твер­деющего при повышенной температуре, а также самоусаживающихся лавсановых шнуров.

Под руководством А.Б. Шапиро и И.А. КадиОглы были разработаны оригинальные турбоге­нераторы с еще более интенсивным водяным ох­лаждением обмоток ротора и статора, сердечни­ка статора и некоторых конструктивных элемен­тов. Первый турбогенератор с полностью водя­ным охлаждением мощностью 63 МВт и часто­той вращения 3000 об/мин был введен в эксплуа­тацию в 1969 г. В дальнейшем были сделаны еще три таких машины. В 1980 г, был включен турбо­генератор мощностью 800 МВт и частотой вра­щения 3000 об/мин. В дальнейшем начали рабо­тать еще четыре машины. В их конструкции по­дача и слив воды осуществлялись помимо вала. Вода из неподвижной трубы поступает в зону фасонного кольца на роторе и удерживается в нем центробежными силами. Далее вода идет в нижние выводы катушек из прямоугольных проводов с отверстиями и под действием центро­бежных сил попадает в верхние выводы и слив­ное кольцо. Такая система называется самона­порной. Следует заметить, что во всем мире по­дача воды в обмотку ротора и ее отвод про­исходят через отверстия в валу, что делает кон­струкцию очень сложной и менее надежной. Преимуществом этого класса турбогенераторов является исключение водорода и заполнение корпуса воздухом при атмосферном давлении.

На заводе «Электротяжмаш» (г. Харьков) разработки и изготовление турбогенераторов мощностью 200, 300 и 500 МВт и частотой вра­щения 3000 об/мин проводились главным конст­руктором завода Л.Я. Станиславским, замести­телем главного конструктора В.С. Кильдишевым, главным инженером Н.Ф. Озерным и на­чальником производства И.Г. Гринченко. Мето­ды расчета турбогенераторов, особенно торце­вой зоны, были развиты заведующим отделом Института электродинамики Академии наук УССР И.М. Постниковым.

В машине мощностью 200 МВт ротор с водо­родным, а статор - с водяным охлаждением. В турбогенераторе мощностью 300 МВт исполь­зуется непосредственное водородное охлажде­ние как для роторной, так и для статорной обмо­ток. В роторе используется аксиально-радиаль­ная вентиляция. В стержне статорной обмотки прокладываются тонкостенные стальные труб­ки, по которым проходит газ- В турбогенерато­рах мощностью 500 МВт обмотки статора и ро­тора образованы из полых и сплошных провод­ников. Вода подается в обмотку ротора и отво­дится из нее через отверстия в валопроводе.

На заводе «Сибэлектротяжмаш» (г. Новоси­бирск) был освоен турбогенератор мощностью 500 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с мас­ляным охлаждением обмотки статора и сердеч­ника и водяным охлаждением обмотки ротора. Внутрь расточки статора вводится и герметично закрепляется в щитах цилиндр из стеклоленты. Масло с одной стороны статора проходит в дру­гую через каналы в стержнях обмотки и через ак­сиальные отверстия в сердечнике. Вода к обмот­ке ротора поступает через валопровод. Напряже­ние статорной обмотки равно 35 кВ, что сущест­венно облегчает токоподводы от генератора к повышающему трансформатору.

В организацию производства, методы расче­та, технологические процессы и конструкции рассмотренных уникальных турбогенераторов решающий вклад внесли П.Е. Базунов, К.Ф. Потехин и К.И. Масленников.

Существенные работы были проведены на Лысьвенском турбогенераторном заводе (г. Лысьва, Пермской обл.) в области турбогенераторов средней мощности. Особенно высокую оценку получили синхронные двухполюсные двигатели мощностью 630-12 500 кВт, напря­жением 6 и 10 кВ. Они применяются в приводах нефтяных насосов магистральных нефтепрово­дов, нагнетателей магистральных газопроводов, воздуходувок доменных печей, газовых ком­прессоров химических производств и др. Их ос­воение было закончено в 1980 г.

По сравнению с предыдущей серией масса двигателей новой серии снижена в 1,5-2 раза, повышен КПД на 0,5-2 %, снижена трудоем­кость изготовления в 1,5 раза и увеличен объем выпуска в 3 раза без увеличения производствен­ных площадей. По своему техническому уровню двигатели превысили показатели лучших миро­вых образцов. Наиболее существенный вклад в расчеты и конструкции двигателей внесли Э.Ю. Флейман и В.П. Глазков, а в системы воз­буждения - С.И. Логинов.

Подводя итоги исторического развития тур­богенераторов в послевоенные годы, следует от­метить успехи научно-технической деятельно­сти коллективов нескольких заводов, в результа­те чего были созданы и освоены в производстве турбогенераторы различных конструкций. Одна­ко наличие различных конструкций усложняет проектирование и строительство электростан­ций, монтажные, наладочные и ремонтные рабо­ты, а также обеспечение запасными частями. По­этому в рамках одной страны становится жела­тельным выпуск машин единой конструкции, В зарубежной практике (Франция, Англия, Шве­ция, Швейцария) эта проблема решается путем объединения электротехнических фирм и спе­циализации производства. В нашей стране с це­лью создания единой унифицированной серии турбогенераторов для всех заводов была разра­ботана и выполнена обстоятельная программа исследований и разработок машин единой серии (научный руководитель И.А. Глебов, зам. науч­ного руководителя Я.Б. Данилевич, главный конструктор ГМ. Хуторецкий, главный технолог Ю.В. Петров). Требования к новой серии форму­лировались с участием специалистов стран-членов Совета экономической взаимопомощи. В основу серии были положены турбогенераторы с водоводородным охлаждением производства объединения «Электросила», поскольку их чис­ло было наибольшим и имелся положительный опыт их эксплуатации во всем диапазоне мощно­стей от 63 до 800 МВт при частоте вращения 3000 об/мин. Освоение турбогенераторов еди­ной унифицированной серии началось в 1990 г.

К наиболее крупным достижениям зарубеж­ных фирм в области турбогенераторов относят­ся следующие. Фирма «Альстом-атлантик» вы­пустила серию четырехполюсных турбогенера­торов мощностью 1600 МВ∙А для атомных электростанций; предельная мощность четы­рехполюсных турбогенераторов для атомных электростанций фирмы «Сименс» составляет около 1300 МВ ∙А. Фирма АВВ освоила выпуск турбогенераторов мощностью 1500 МВ ∙А, 1800 об/мин, 60 Гц и турбогенераторов мощно­стью 1230 МВ∙А, 3000 об/мин, 50 Гц. Амери­канские и японские фирмы выпускают турбо­генераторы наибольшей мощностью около 1100 МВ А- Все фирмы, за исключением «Си­менс», используют водородно-водяное охлаж­дение- Фирма «Сименс» применяет водяное ох­лаждение для обмоток не только статоров, но и роторов.

Необходимо обратить внимание на все уве­личивающийся выпуск турбогенераторов

Рис. 6.3. Общий вид ударного турбогенератора (инерционного накопителя энергии)

1,1,3 - подшипник, статор и вал ротора турбогенератора 200 МВт соответственно; 4,5.6 - подшипник, вал, кожух маховика соответственно ; 7 - асинхронный двигатель; 8 - фундаментные плоты

средних мощностей - до 250 МВт для тепловых электростанций с комбинированным циклом (две газовые турбины и одна паровая).

В последние годы началось использование парогазовых установок. Поскольку предельная мощность газовых турбин в настоящее время со­ставляет 150-200 МВт, то парогазовая система мощностью 450-600 МВт состоит из трех бло­ков: два с газовыми турбинами и один с паровой. Поскольку для таких блоков нужны турбогенера­торы сравнительно небольших мощностей (150-200 МВт), для упрощения их конструкции вернулись к воздушному охлаждению. Первый турбогенератор мощностью 150 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с воздушным охлаждени­ем изготовлен для Северо-Западной ТЭЦ в 1996 г. в АО «Электросила».

К особому классу относятся ударные турбо­генераторы кратковременного действия. Они применяются для испытания выключателей, для экспериментальных установок термоядерного синтеза на базе токамаков, крупных плазмотронов, установок ускорения масс и др. Для экспериментального токамака со сверхсильным полем были разработаны и выполнены четыре двух­полюсных турбогенератора мощностью по 200 МВт (242 МВ А). Такие турбогенерато­ры созданы впервые в мировой практике (рис. 6.3). В них применяется косвенное воздуш­ное охлаждение. С целью снижения габаритов генераторы выполнены с повышенным насыще­нием магнитной цепи. На общем валу с генерато­ром находится инерционный накопитель, сде­ланный на основе ротора турбогенератора мощ­ностью 800 МВт. Запасенная энергия в генерато­ре равна 100, а в маховике - 800 МДж. Удельная энергоемкость ротора генератора составляет 5, а маховика - 10 Дж/г Длительность импульса равна 5 с. Во время выдачи накопленной энергии частота вращения уменьшается до 70 %. Таким образом, используется 50 % энергии. Удельная стоимость накопленной энергии получается наи­меньшей по сравнению со стоимостью энергии других видов накопителей. Количество энергии может быть доведено до 2500 МДж за счет ис­пользования более прочной стали и увеличения диаметра маховика. Пуск установки осуществ­ляется асинхронным двигателем с фазным рото­ром на валу агрегата или преобразователем час­тоты с питанием от сети. И.А. Глебовым, Э.Г. Кашарским и Ф.Г. Рутбергом разработаны методы расчета, выполнены технические прора­ботки различных вариантов и их сопоставление, обоснование турбогенераторного исполнения в отличие от гидрогенераторного, применяемого в зарубежной практике . Проект был выпол­нен Г.М. Хуторецким, а металлургические про­блемы решены А.М. Шкатовой.

Следует заметить, что в начале 20-х годов XX в. русские ученые М.П. Костенко и П.Л. Ка­пица сделали проект и осуществили первый ударный генератор для создания сильных маг­нитных полей.

В Томском политехническом институте под руководством и при непосредственном участии Г.А. Сипайлова была создана научная школа в области электромашинного генерирования им­пульсных мощностей в автономных режимах . Были проведены многочисленные исследования, разработаны методы расчета и создан ряд импульсных генераторов. К числу оригинальных решений относятся электрома­шинные генераторы с неявнополюсным шихто­ванным ротором и импульсной форсировкой возбуждения за счет намагничивания в несим­метричных режимах при последовательных ком­мутациях обмоток статора и ротора.

Принципиально новым направлением явля­ются сверхпроводниковые турбогенераторы, имеющие в 2 раза меньшую массу и потери. Вполне естественно, что вначале создавались опытные сверхпроводниковые машины неболь­шой мощности (синхронные, униполярные, по­стоянного тока) .

Во ВНИИэлектромаше были созданы сле­дующие сверхпроводниковые машины: коллек­торный двигатель постоянного тока мощностью 3 кВт, синхронный генератор мощностью

Рис. 6.4. Испытательный стенд со сверхпроводниковым турбогенератором мощностью 20 МВ∙А (в центре рисунка)

18 кВт, униполярный генератор с током 10 кА при напряжении 24 В и синхронный генератор мощностью 1200 кВт. Первые четыре машины были созданы под руководством и при непосред­ственном участии В.Г. Новицкого и В.Н, Шахтарина. В разработку и исполнение двигателя по­стоянного тока 3 кВт существенный вклад внес также Г.Г. Бортов. Синхронный генератор мощ­ностью 1200 кВт был разработан и выполнен под руководством В.В. Домбровского.

Первый генератор средней мощности (20 МП А) был создан во ВНИИэлектромаше в 1979г. (рис. 6.4) . Машина была подробно исследована и испытана на стенде института и при работе в Ленэнерго. Ротор име­ет обмотку из ниобий-титанового сплава. Она охлаждается жидким гелием (4,2 К), который по­ступает внутрь ротора через неподвижную труб­ку в центральном отверстии вала. Возврат гелия в газообразном состоянии происходит также через вал. Для защиты сверхпроводящей обмотки от теплопритока из внешней среды ротор имеет три цилиндра, пространство между которыми вакуумировано.

Научно-исследовательские и опытно-конст­рукторские работы во Всесоюзном научно-ис­следовательском институте электромеханики (ВНИИЭМ) завершились созданием ряда сверх­проводниковых машин. Первая машина имела мощность 600 Вт. Это был генератор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения на ста­торе и трехфазной обмоткой на роторе. Следую­щей машиной был коллекторный электродвига­тель мощностью 25 кВт, а далее генератор пере­менного тока мощностью 100 кВт со сверхпроводящим индуктором, криодвигатель переменного тока 200 кВт с неподвижным криостатом, мо­дельные синхронные генераторы с вращающим­ся криостатом, уникальный синхронно-асин­хронный двигатель с передачей вращающего мо­мента без механических сочленений машин. Руководителем, организатором производства и со­исполнителем исследований и разработок был Н.Н. Шереметьевский. Основным разработчи­ком сверхпроводящих индукторов являлся А.С. Веселовский, а якорей - А.М. Рубенраут.

Создателем синхронного сверхпроводнико­вого неявнополюсного генератора мощностью 200 кВт на харьковском заводе «Электротяжмаш» был В.Г. Данько.

В Физико-техническом институте низких температур (ФТИНТ, г. Харьков) инициатором, организатором и научным руководителем всех работ в области использования явления сверх­проводимости был Б.И. Веркин. Сущест­венное значение для исследований, разработок и исполнения машин имели труды Ю.А. Кири­ченко, А.В. Погорелова и Г.В. Гаврилова.

Во ФТИНТ были созданы: криотурбогенератор мощностью 200 кВт с неподвижной обмоткой возбуждения и теплым вращающимся якорем, турбогенератор мощностью 2 и 3 МВт со сверх­проводниковыми роторами (совместно с объеди­нением «Электросила»). Последние две машины создавались с участием специалистов объедине­ния «Электросила» И.Ф. Филиппова и И.С. Жи­томирского. Большая работа проведена в облас­ти униполярных сверхпроводниковых машин: двигатель с якорем дискового типа мощностью 100 кВт, машина мощностью 150 кВт с цилинд­рическим ротором, а затем двигатели мощнос­тью 325 и 850 кВт.

Существенный вклад в теорию и методы рас­чета электрических машин с использованием яв­ления сверхпроводимости внесли ученые Мос­ковского авиационного института А.И. Бертинов, Б.Л. Алиевский, Л.К. Ковалев и др.

В генераторе 20 МВ А внешний цилиндр ротора имеет комнатную температуру, внутрен­ний - температуру жидкого гелия, а средний - 70 К. Обмотка образована рейстрековыми ка­тушками разной ширины и находится при вра­щении в гелиевой ванне, образованной внутрен­ним цилиндром и торцевыми частями. В связи с очень большой МДС отпадает необходимость в использовании для ротора стали. В этих услови­ях статор можно делать беспазовым. что увели­чивает количество меди и мощность приблизи­тельно в 2 раза. Для малой внешней магнитной индукции в статоре применяется ферромагнит­ный экран. Исследования, разработка методов расчета и технологических процессов, изготов­ление и испытания проводились под руково­дством и при непосредственном участии И.А. Глебова, Я.Б. Данилевича, А.А. Карьшова, Л.И. Чубраевой и В.Н. Шахтарина.

И.А. Глебов был научным руководителем, Я.Б. Дакилевич - главным конструктором, А.А. Карымов - автором новых методов меха­нических расчетов, Л.И. Чубраева - специали­стом, ответственным за изготовление статора и испытания сверхпроводникового турбогенера­тора в энергосистеме. В.Н. Шахтарин - специа­листом, ответственным за разработку и изготов­ление ротора. Поскольку низкие температуры получаются с помощью криогенной техники, то творческое участие в разработках и испыта­ниях генератора мощностью 20 МВ А специа­листов НИИ «Гелиймаш» И.П. Вишнева, А.И. Краузе имело очень важное значение.

И.П. Вишнев осуществил разработку и руко­водство работами по созданию устройств крио­генной техники, А.И. Краузе провел наладочные работы и испытания криогенных устройств. Осо­бое значение имело их участие в работах по оп­ределению минимальной длительности захолаживания ротора, допустимой по условиям меха­нической прочности его элементов.

Под руководством И.Ф. Филиппова как раз­работчика методов расчета теплофизических процессов и руководителя работ по созданию уникального криогенного стенда и Г.М. Хуторецкого как главного конструктора в объедине­нии «Электросила» был создан сверхпроводни­ковый турбогенератор мощностью 300 МВт, и частотой вращения 3000 об/мин. Статор и ротор прошли успешные испытания при температуре жидкого азота. Однако недостаточная газоплот­ность наружного цилиндра не позволила иметь нужный вакуум и выйти на расчетный режим с жидким гелием.

Сверхпроводниковые турбогенераторы от­носятся к будущему поколению турбогене­раторов. Работы в этом направлении ведутся в ряде стран.

США, государства Западной Европы и Япо­ния имеют существенные успехи в области ис­следований и разработок сверхпроводниковых электрических машин. Наибольших успехов в области сверхпроводниковых турбогенераторов достигли Япония и США. В ФРГ были созданы основные элементы сверхпроводникового тур­богенератора мощностью 800 МВ А. В Японии имеется национальная программа с конечной за­дачей завоевания мирового рынка в области турбогенераторостроения на основе использования явления сверхпроводимости. В настоящее время в Японии в стадии изготовления находятся три сверхпроводниковых турбогенератора мощно­стью по 70 МВ А каждый. К наибольшим дос­тижениям в области униполярных сверхпровод­никовых машин относятся результаты работы английской фирмы IRD (униполярный двигатель мощностью 2,42 МВт).

Проведенный выше обзор в области сверх­проводниковых машин, и в первую очередь тур­богенераторов, показывает, что наша страна на­ходится на передовых позициях в мире.