Для предупреждения чрезмерных перегревов отдельных частей генератора из-за превращения в теплоту магнитных, электрических и механических потерь его необходимо искусственно охлаждать.
Развитие турбогенераторостроения тесно связано с системами охлаждения. В зависимости от применяемой охлаждающей среды различают ТГ с газовым (воздушным или водородным), с жидкостным (водяным или масляным) и смешанным охлаждением.
По принципу охлаждения различают ТГ с непосредственным охлаждением проводников обмотки, с косвенным (поверхностным), когда теплота отводится через основную изоляцию, и со смешанным, когда обмотка возбуждения имеет непосредственное охлаждение проводников, а обмотка статора - косвенное.
В настоящее время применяются:
косвенное воздушное охлаждение обмоток статора и ротора (серия Т, Т - турбогенератор);
косвенное водородное охлаждение обмоток статора и ротора (серия ТВ, В - водородное);
непосредственное охлаждение обмотки возбуждения и косвенное охлаждение обмотки статора водородом (серия ТВФ, Ф - форсированное охлаждение ротора);
непосредственное охлаждение обмотки возбуждения и обмотки статора водородом (серия ТГВ);
непосредственное охлаждение обмотки возбуждения водородом, а обмотки статора - водой (серия ТВВ, ВВ - водородно-водяное);
непосредственное охлаждение обмоток водой (серия ТЗВ, 3В - трижды водяное).
Турбогенераторы всегда имеют замкнутую систему охлаждения, т.е. охлаждающий агент циркулирует в замкнутой системе, отводя потери от тех или иных частей машины (обмоток, сердечника, подшипников и др.), при этом сама охлаждающая среда нагревается. Необходимость в замкнутой системе обусловлена требованиями к состоянию окружающих сред. В замкнутой системе охлаждения
устанавливаются теплообменники, в которых потери турбогенератора отводятся с помощью технической воды.
По числу камер горячего воздуха различают двух-, трех- и четырехструйную схемы вентиляции (рис. 1.31).
Простейшей является система одноструйной вентиляции. При многоструйной системе вентиляции пространство между обшивкой и сердечником разделяется сплошными поперечными перегородками на несколько камер холодного и горячего газа, однако соответствующие камеры между собой сообщаются,
Для наиболее крупных ТГ применяется радиально-тангенциальная система (рис. 1.31, г). При этом между корпусом и сердечником приваривают четыре радиальные перегородки, разделяющие пространство на два холодных и горячих чередующихся отсека.
Турбогенераторы с воздушным охлаждением серии Т выпускаются мощностью 2,5-12 МВт. По направлению движения холодного воздуха вентиляция является нагнетательной, т.е. в машине поддерживается избыток давления над окружающей атмосферой и в генератор не может попасть нефильтрованный воздух через неплотности в обшивке. Однако при нагнетательной схеме холодный воздух уже в самом вентиляторе подогревается на 5-7°, что приводит к необходимости повышать на 10 -15 % количество продуваемого воздуха. Генератор имеет две камеры горячего воздуха и соответственно двухструйную вентиляцию. Из камеры холодный воздух проходит в радиальном направлении между пакетами сердечника статора в зазор, затем через каналы между другими пакетами, двигаясь в обратном направлении, уже нагретым поступает в камеру горячего воздуха, откуда направляется к воздухоохладителям. Часть холодного воздуха используется для охлаждения лобовых частей обмоток статора и ротора.
В ТГ с воздушным охлаждением потери на трение вращающегося ротора о воздух и вентиляционные потери составляют 25-35 % общих потерь. Быстрое увеличение потерь на трение с увеличением размеров бочки ротора является одним из факторов, ограничивающих рост единичной мощности ТГ этой серии.
Использование в качестве охлаждающей среды водорода позволяет снизить потери почта в 10 раз и повысить КПД генератора на 0,6-1,2 %.
Рис. 1.31. Схема вентиляции турбогенератора: а - одноструйная, б - двухструйная; в - четырехструйная; г - радиально-тангенциальная
В атмосфере водорода благодаря его высокой теплопроводности практически исчезают температурные перепады в пазовых включениях в изоляции и пазах машины; снижается превышение температуры меди обмоток по отношению к водороду, что позволяет увеличить токовые нагрузки при неизменных размерах активных частей; более надежно работает изоляция обмотки статора, т.к. озон, разрушающий изоляцию, не образуется.
При водородном охлаждении отсутствует загрязнение машины, возможно применение обмоток возбуждения с неизолированными лобовыми частями, практически исчезает вентиляционный шум.
Наряду с преимуществами системы с водородным охлаждением обладают и существенными недостатками, прежде всего из-за взрывоопасности смеси водорода и воздуха. Поэтому внутри корпуса необходимо поддерживать давление водорода, превышающее атмосферное для предотвращения попадания воздуха в машину; корпус статора рассчитывается на испытательное давление до 1 МПа, чтобы взрыв не повредил машину. Это приводит к почти двойному увеличению массы корпуса и наружных щитов ТГ с водородным охлаждением по сравнению с ТГ, охлаждаемым воздухом.
Турбогенераторы серии ТВ имели продольно-горизонтальное расположение газоохладителей в корпусе статора и вентиляторы центробежного типа, установленные на валу ротора. Основные элементы конструкции генератора серии ТВ такие же, как в машинах с воздушным охлаждением; схема охлаждения также многоструйная Достоинством схемы с продольным расположением газоохладителей является ее высокая надежность.
Турбогенераторы серии ТВ2 имеют вертикально расположенные газоохладители, что существенно облегчает их монтаж и демонтаж. Число секций и их размеры выбираются так, чтобы отключение одной секции не требовало снижения мощности генератора. В машинах мощностью 100 и 150 МВт установлено по восемь секций, а также вентиляторы пропеллерного (осевого) типа.
Основной особенностью ТГ серии ТВФ является непосредственное (форсированное) охлаждение обмотки ротора. Интенсификация охлаждения обмотки возбуждения позволила существенно увеличить мощность генераторов и повысить использование активных материалов.
Обмотка ротора имеет непосредственное охлаждение водородом по принципу самовентиляции, для этого на боковых стенках катушек обмотки сделаны каналы.
Система охлаждения сердечника и обмотки статора - косвенная, радиальная многоструйная. Циркуляция водорода обеспечивается двумя осевыми вентиляторами, расположенными по обоим концам ротора. Газ охлаждается в газоохладителях, встроенных в корпус статора; генераторы ТВФ-100-2 и ТВФ-120-2 (2-двухполюсный) имеют по шесть горизонтальных охладителей, в генераторе ТВФ-200-2 шесть вертикальных охладителей.
Схема охлаждения ротора - многострунная. Зоны захвата и выброса газа по длине ротора чередуются в соответствии с расположением отсеков (струй) горячего и холодного водорода в статоре.
Турбогенераторы серии ТГВ имеют встроенные в торцевые щиты подшипники. Корпус статора двойной. Внутренний корпус е расположенным в нем сердечником связан с наружным корпусом плоскими пружинами. С торцов статор закрыт щитами с разъемом в горизонтальной плоскости. Сердечник статора имеет аксиально расположенные каналы, поэтому пакеты сердечника разделены сплошными текстолитовыми прокладками. Для циркуляции газа внутри обмотки статора между двумя рядами стержней установлены тонкостенные вентиляционные трубки из немагнитной стали. Циркуляция водорода создается мощным центробежным компрессором, расположенным на роторе со стороны контактных колец.
В генераторе ТГВ-300 водород из отсека высокого давления распределяется следующим образом; одна часть его проходит а отверстия вентиляционных трубок, заложенных в стержни статора, охлаждает их и выходит в отсек нагретого газа; другая часть попадает в аксиальные каналы в сердечнике статора; третья используется для охлаждения обмотки ротора, причем лобовые и пазовые части охлаждаются раздельными потоками. Водород охлаждается тремя газоохладителями, расположенными в камере нижней части корпуса генератора.
Генератор ТГВ-200 имеет радиально-аксиальную систему вентиляции. Газоохладители расположены вертикально и встроены в корпус статора со стороны турбины. Пакеты сердечника статора разделены распорками, образующими радиальные вентиляционные каналы. Циркуляция газа создается мощным компрессором и осевым вентилятором, установленными соответственно со стороны контактных колец и турбины. После газоохладителей холодный водород поступает в пространство между внутренним и наружным корпусами машины. Отсюда часть водорода через круглые отверстия во внутреннем корпусе направляется в радиальные каналы сердечника, охлаждает его и выходит в зазор. Другая часть водорода проходит последовательно и лобовую, и пазовую часть четверти витка обмотки ротора; третья часть водорода охлаждает статорную обмотку (аналогично ТГВ-300).
Генераторы серии ТВВ с непосредственным охлаждением водой обмотки етатора и водородом обмотки ротора являются одними из наиболее совершенных электрических машин, вырабатывающих электроэнергию. Вода обладает теплоемкостью, теплопроводностью и теплоотводящей способностью, намного превосходящей аналогичные свойства воздуха и водорода. Это позволяет интенсивно отводить теплоту при более высоких плотностях тока в обмотках, следовательно, выполнять генераторы большей мощности без существенных изменений их габаритов.
В генераторах ТВВ мощностью 165-1200 МВт водой охлаждается только обмотка статора; сердечник статора и обмотка ротора охлаждаются водородом, как и в генераторах серии ТВФ.
Для непосредственного охлаждения обмотки статора часть элементарных проводников стержней выполняется больших размеров с внутренними каналами для циркуляции воды. Остальные проводники выполняются сплошными. Генераторы ТВВ-200, ТВВ-320 и ТВВ-500-2 имеют в стержнях обмотки один полый проводник на два сплошных.
Вода, используемая для охлаждения обмотки статора, находящейся под высоким напряжением, должна обладать хорошими диэлектрическими свойствами, поэтому применяют обессоленную воду - дистиллят. Выводы обмотки статора и соединительные шины также охлаждаются водой. Нагретая вода из коллектора подается в теплообменники для охлаждения. Вода в системе охлаждения непрерывно механически и химически обрабатывается. Убыль воды пополняется конденсатом из паротурбинной установки.
Генераторы серии ТВВ имеют различные схемы газового охлаждения сердечника статора. В генераторе TВB-200-2 применена одноструйная вытяжная вентиляция. Четыре газоохладителя расположены в статоре горизонтально. Осевые вентиляторы, установленные с двух сторон ротора, отсасывают нагретый газ из зазора и подают его через газоохладители в радиальные каналы сердечника. Часть холодного водорода направляется в лобовую зону ротора и в концевую зону статора для охлаждения.
Недостатком радиальной схемы является неравномерное распределение газа в каналах по длине сердечника и связанное с этим повышение температуры газа в зазоре, что ухудшает условия охлаждения самовентилирующего ротора. Поэтому для генераторов ТВВ-165, ТВВ-320, ТВВ-500 была применена одноструйная
радиально-тангенциальная схема вентиляции (рис. 1.31, г). Холодный газ из входных отсеков проходит в радиальные каналы сердечника, охлаждает его и поступает в зазор. Здесь газ перемещается в тангенциальном направлении и опять через радиальные каналы сердечника поступает в выходные отсеки нагретого газа. Радиальный поток водорода охлаждает также массивный медный кольцевой экран, расположенный непосредственно под нажимной плитой.
Турбогенераторы серии Т3В с полностью водяным охлаждением, т.е., обмотки статора, ротора и сердечник охлаждаются дистиллированной водой. Применение водяного охлаждения вместо водородного позволяет уменьшить превышения температуры обмоток и понизить потери в каналах охлаждения на 15-20 %. Уменьшение этих потерь, а также объема машины с водяным охлаждением позволяет обеспечить высокие эксплуатационные показатели: КПД (98,86 %), устойчивость, маневренность, расширение диапазона допустимых нагрузок, запас мощности по нагреву.
Генераторы Т3В имеют высокую монолитность сердечника статора, так как вместо вентиляционных каналов для охлаждения активной стали применяются плоские силуминовые охладители в виде сегментов с залитыми в них змеевиками из нержавеющей стальной трубки.
Такая конструкция кроме эффективности охлаждения статора позволяет устранить в его сердечнике концентраторы механических напряжений и выравнять давление по площади пакетов. Тем самым исключается местное передав Ливан и е изоляционного покрытия листов активной стали и обеспечиваются высокая плотность и стабильность сердечника. Повышение монолитности статора снижает высокочастотные вибрации, характерные для ТГ с газовым охлаждением.
Генераторы Т3В имеют стержневую обмотку статора, выполненную из транспонированных полых и сплошных проводников, и непосредственную систему охлаждения. Стяжные ребра, нажимные кольца и медные экраны торцов сердечника, крайние перегородки, концевые части, торцевые щиты и выводные шины статора также охлаждаются водой.
Внутренний объем генератора Т3В заполнен воздухом при небольшом избыточном давлении.
Для охлаждения обмотки возбуждения применена самонапорная система с подачей и сливом воды помимо вала.
С целью компенсации высокочастотных полей и поля обратной последовательности в синхронном режиме ротор снабжен демпферной обмоткой, состоящей из медных проводников, уложенных в пазы под пазовые клинья, и короткозамыкающих колец, расположенных под бандажными кольцами. Полые проводники демпферной обмотки также охлаждаются водой, которая является активным охладителем стали ротора, бандажных колец и воздуха в зазоре. Таким образом, исключается необходимость в вентиляторах, газоохладителях, устройствах для направления потока охлаждающего газа.
Конструкция ротора обеспечивает повышенную усталостную прочность за счет уменьшения количества мест с высокими механическими напряжениями. Низкая температура обмотки возбуждения снижает вероятность появления теплового небаланса, что обеспечивает низкий уровень колебаний ротора и подшипников, а также хорошую отстройку от критических скоростей.
В генераторах Т3В максимально учтен мировой опыт турбогенераторостроения. Конструкция многих важнейших узлов не имеет аналогов в мировой практике и решает основные проблемы использования полного жидкостного охлаждения. В генераторах Т3В применяются только негорючие материалы (водород и масляные уплотнения отсутствуют). Для смазки подшипников разработано специальное огнестойкое масло. В связи с этим такие машины полностью взрыво- и пожаробезопасны.
Основные технические характеристики турбогенераторов Т3В и их зарубежных аналогов приведены в табл. 1.2.
Турбогенераторы серии ТВМ мощностью 300 и 500 МВт. Обмотка статоров этих генераторов имеет корпусную (пазовую) изоляцию, выполненную по типу изоляции трансформаторов. На стержни обмотки статора наложена ленточная изоляция из кабельной бумаги, пропитанной маслом.
Технические Характеристики турбогенераторов T3R
Таблица 1.2
Продолжение таблицы 1.2
Так как трансформаторное масло является хорошей изолирующей и охлаждающей средой, то в генераторах ТВМ оно одновременно используется для охлаждения обмотки статора и его сердечника. С этой целью элементарные проводники выполняют полыми, как при непосредственном водяном охлаждении, а сердечник статора имеет аксиальные каналы для циркуляции охлаждающего масла.
Обмотка ротора охлаждается водой. Водой охлаждаются и зубцы ротора, для чего в зубцы встроены трубчатые охладители. Контактные кольца турбогенераторов имеют непосредственное водяное охлаждение.
Поверхность ротора генератора ТВМ-300 охлаждается воздухом.
В настоящее время масло в генераторах серии ТВМ заменяют негорючим жидким диэлектриком.
