Обычно турбогенераторы с воздушным охлаждением ассоциируются с мощностями меньше 6Q МВт, тем не менее существуют возможности создания конкурентоспособных машин и на большие мощности. Фирма Дженерал Электрик-Альстом, использовав традиционные конструкции, сконцентрировала внимание на минимизации потерь. Это удалось за счет повышения КПД вентилятора и снижения потерь на обдув узлов генератора, позволило спроектировать серию турбогенераторов в модульном исполнении на мощности в пределах 75-209 МВт. Максимальная мощность такого генератора, находящегося в эксплуатации, -135 МВт.
Основной проблемой при проектировании этих машин было снижение перегревов в статоре, обмотка которого охлаждается косвенно (через изоляцию стержней). Применение такой конструкции для получения мощностей более 200 МВт приводит к тяжелым, неэкономичным машинам с потерей 0,3-0,5 % КПД по сравнению с машинами, охлаждаемыми водородом.
Для унифицированной серии турбогенераторов мощностью 100- 200 МВт выбрано непосредственное охлаждение воздухом ротора, косвенное охлаждение воздухом - обмотки статора.
В генераторах использована обращенная схема воздушного охлаждения, когда ротор и сердечник статора охлаждаются холодным воздухом, поступающим непосредственно после охладителей, тогда как нагретый воздух отбирается из воздушного зазора с помощью вентилятора, лопатки которого находятся на бандажных кольцах ротора.
Обмотку ротора составляют шесть параллельно лежащих катушек на полюс, выполненных в виде двойных Е-образных медных проводников. Сечение паза обмотки ротора охлаждается входящим воздухом, поступающим из подпазового канала через радиальные каналы, из них - в аксиальные каналы, образованные Е-образным сечением проводников, оттуда через радиальные отверстия - в воздушный зазор. Такой метод охлаждения по сравнению с чисто радиальным требует потока воздуха через ротор на 40 % меньше.
Стержни обмотки статора лежат в 48 пазах, обмотка двухслойная. Стрежни транспонированные, изолированные предварительно пропитанной слюдяной основой на эпоксидном связующем. Пазовая изоляция имеет высокую электрическую прочность и хорошую теплопроводность, что снижает перепад температуры между сердечником статора и обмоткой.
Сердечник статора собран из стали с низкими удельными потерями, радиальные вентиляционные каналы относительно узкие.
Для новых генераторов предложены осевые вентиляторы с лопатками из алюминиевого сплава, смонтированные на наружной части бандажных колец с углом наклона лопаток вентилятора, обеспечивающие максимальный КПД.
Система возбуждения выполняется как с консольным бесщеточным возбудителем, так и с контактными кольцами. Водяные охладители могут быть приспособлены для замкнутой и для разомкнутой системы циркуляции, соответственно с фильтрами и отстойниками. Вводы могут монтироваться сверху для газотурбинной установки, снизу - для паротурбинной.
Турбогенератор мощностью 135 МВт в разрезе показан на рис. 1.32.
Следующим стал проект турбогенератора с непосредственным воздушным охлаждением обмотки статора, мощность таких машин находится в пределах 220-250 МВт, снижение КПД по сравнению с водородными машинами составляет 0,2 %. Первая машина мощностью 230 МВт испытывалась в 1992 г.
Рис. 1.32. Турбогенератор с воздушным охлаждением мощность 135 МВт (косвенное охлаждение обмотки статора)
Обмотка статора имеет осевые охлаждающие каналы внутри стержня, состоящие из набора квадратных трубок из немагнитной стали (по девять вдоль каждой стенки паза в каждом стержне). Охлаждающие трубки разделены на четыре секции но длине, на разделе каждой секции трубка имеет разрывы, соответствующие входным и выходным отверстиям для охлаждающего воздуха в пазовой изоляции. Зона раздела секции имеет изоляционную конструкцию, рассчитанную на рабочие и испытательные напряжения. Два отверстия на концах стержня и одно в середине длины стержня - входные для холодного воздуха, два оставшиеся в каждом стержне - выходные.
Сердечник статора жестко подвешен к корпусу. На прямоугольном корпусе размещены два охладителя, корпус не рассчитан на высокие давления изнутри, как у водородных машин.
Схема охлаждения предусматривает пропускание воздуха через охладители непосредственно после сжатия его вентилятором. Благодаря этому подогрев газа в вентиляторе не прибавляется к нагреву активных частей. Два одноступенчатых осевых вентилятора обеспечивают работу системы и монтируются на валу обычным способом.
Ротор - обычной конструкции, прямая часть витков охлаждается воздухом через отверстия из подпазового канала.
Серия турбогенераторов с косвенным воздушным охлаждением предлагается фирмой Дженерал Электрик-Альстом как высоконадежные, высокоэффективные машины мощностью до 200 МВт, предназначенные для газотурбинных установок и установок комбинированного цикла.
Доклады на сессии СИГРЭ, посвященные проблемам эксплуатации и ремонта турбогенераторов, показывают, что основное внимание за рубежом уделяется решению следующих вопросов:
обеспечения приемлемого уровня надежности при переводе турбогенераторов в двухсменный режим и режим с циклическим изменением нагрузки;
обеспечения надежности работы турбогенераторов в режимах с повышенным потреблением и отдачей реактивной мощности;
отработки приемов эксплуатации новых турбогенераторов с воздушным охлаждением мощностью 100-200 МВт, все шире Применяющихся для газотурбинных и парогазовых установок;
продления срока службы турбогенераторов, выработавших свой ресурс за счет эффективного контроля состояния, профилактических мероприятий и модернизации их узлов;
повышения достоверности оценки состояния генераторов (разработка и внедрение методов непрерывного контроля состояния генераторов, выявляющих дефекты на ранней стадии);
применения специальной аппаратуры, позволяющей оценивать состояние большинства узлов без выемки-ротора; использования для постановки диагноза и выработки решения о дальнейшей эксплуатации машины экспертных систем;
удлинения периодов между ревизиями и капремонтами с выемкой ротора за счет более точного обследования при малых ревизиях;
постепенного перехода к проведению ремонтов не по расписанию, а по состоянию оборудования;
повышения ремонтопригодности турбогенераторов, усовершенствования технологии ремонтов.
