В быстроходных агрегатах центробежные силы, пропорциональные квадрату угловой скорости, достигают такого значения, что выполнить ротор явнополюсным по условиям механической прочности, закрепить его полюса и обмотку возбуждения оказывается невозможно. Кроме того, в быстроходных машинах при выступающих полюсах значительно возрастают потери на трение ротора о частицы охлаждающей среды. Для быстроходных синхронных машин рациональным типом ротора является цилиндрический с пазами по внешней окружности цилиндра, в которые укладывается обмотка возбуждения (рис. 195, а). При обтекании обмотки возбуждения постоянным током ротор становится электромагнитом и называется неявнополюсным.
К неявнополюсным машинам относятся турбогенераторы; так называются синхронные генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами. Паровые турбины представляют собой высокоскоростные машины, технико-экономические показатели которых повышаются при возрастании их скорости вращения. Поэтому при непосредственном соединении с паровыми турбинами синхронные генераторы, как правило, выполняют двухполюсными, чтобы турбогенератор работал при скорости вращения 3000 об/мин — наибольшей возможной при 50-периодной частоте тока.
Развиваемые при такой скорости вращения центробежные силы таковы, что роторы турбогенераторов приходится выполнять массивными из цельных поковок высококачественной стали, например хромоникелевой или хромоникельмолибденовой.
В роторе фрезеруют пазы; примерно третья часть полюсного деления остается свободной от пазов, образуя так называемый большой зуб, через который проходит главная часть магнитного потока полюсов и наличие которого благоприятно влияет на пространственное распределение индукции поля полюсов в воздушном зазоре, приближая его к синусоидальному.
Рис. 195. Неявнополюсная синхронная машина (а) и неявнополюсный ротор (б).
Обмотку возбуждения, уложенную в виде концентрических катушек в пазы ротора, крепят при помощи клиньев, воспринимающих большие центробежные силы, действующие на обмотку возбуждения. Клинья выполняют из немагнитной стали или немагнитных сплавов для ослабления магнитного потока рассеяния паза. Лобовые части обмотки возбуждения закрывают бандажными кольцами (колпаками), выполненными также из прочной немагнитной стали. Бандажные кольца должны не только выдерживать действие центробежных сил, но и давление обмотки возбуждения, также подверженной действию центробежных сил. Внешний вид неявнополюсного ротора турбогенератора показан на рисунке 195, б.
Мощность (квт) синхронного генератора может быть выражена формулой
(240)
приходящийся па 1 см его окружности.
При определенных сложившихся в практике проектирования значениях А2 и В на первом этапе развития турбогенераторостроения увеличение единичной мощности достигалось главным образом путем увеличения объема активной части (бочки) ротора. Увеличение диаметра позволяет увеличить линейную нагрузку приблизительно пропорционально диаметру. Таким образом, мощность турбогенератора, согласно формуле (240), растет пропорционально кубу диаметра ротора. Нагрев ротора дошел до 100° С, причем следует иметь в виду, что нагрев по толщине ротора неравномерен, и, следовательно, ротор подвержен тепловым деформациям.
К настоящему времени диаметр поковок ротора достиг — 1,1 — 1,2 м, и пока нельзя рассчитывать на такое улучшение механических свойств стальных поковок, чтобы оказалось возможным значительно увеличить их диаметр. Увеличение длины активной части ротора также ограничено статическим прогибом и частотными характеристиками роторной системы турбоагрегата. Необходимо, чтобы частоты свободных колебаний ротора отличались от частот вблизи номинальной скорости вращения. Отсюда следует, что при увеличении диаметра D2 надо уменьшать отношение
. Таким образом, длина ротора также достигла предельной.
Увеличение единичной мощности генераторов остается основным направлением развития современной техники генерирования электрической энергии; при этом обеспечивается высокий к. п. д., упрощаются конструкции электрических станций, достигается общая экономия капиталовложений, сокращаются затраты труда и удельные расходы стали, меди, изоляции.
Для повышения мощности, как видно из уравнения (240), следует увеличивать электромагнитные нагрузки А2 и В. Но повышение значения индукции В в зазоре выше 0,85 тл ограничено качественными характеристиками стали и прежде всего ее магнитной проницаемостью. Повышение линейной нагрузки А2 связано с увеличением плотности тока, что влечет пропорциональное квадрату плотности тока возрастание потерь и требует более интенсивного охлаждения.
К 1937 г. серия двухполюсных турбогенераторов была развита до мощности 100000 квт при воздушном охлаждении. Внедрение водорода в качестве охлаждающей среды благодаря его лучшим, чем у воздуха, физическим и термодинамическим свойствам (легче, выше теплопроводность) позволило повысить номинальную мощность генератора на 25—30% при той же затрате активных материалов. В 1946 г. в СССР был выпущен первый турбогенератор с водородным охлаждением мощностью 100 000 квт. При водородном охлаждении снизились потери на трение бочки ротора при его вращении. Отсутствие процесса окисления (нет озона) удлинило срок службы изоляции.
Рис. 196. Схема замкнутой системы вентиляции турбогенератора при воздушном охлаждении (поверхностном):
I — охладитель; 2 — фильтр; 3 — камера нагретого воздуха; 4 — камера холодного воздуха; А — область разрежения; Б — область давления; В — подвод воздуха на уплотнения.
Поскольку смесь водорода с воздухом взрывоопасна, конструкция генератора усложнилась; она должна была быть герметичной, исключающей возможность утечки водорода в окружающее пространство; первоначально поверхностное водородное охлаждение было осуществлено при избыточном давлении до 0,05 атм. Позднее давление водорода было повышено до 2—3 атм, поскольку повышение плотности газа увеличивает его теплоемкость и теплопередачу от поверхности к газу, и это открывает возможность дальнейшего повышения номинальной мощности (на—25%). Необходимость более тщательного изготовления корпуса статора и более совершенных уплотнений вала к этому времени технических затруднений не представляла. Некоторое увеличение потерь вентиляционных и на трение о бочку ротора мало влияло на к. п. д. и также препятствием не являлось.
Поскольку доля температурного перепада от меди к охлаждающей среде, не зависящая от давления водорода, составляет для роторных катушек ~ 50%, для статорных — 75%, дальнейшее повышение давления водорода при поверхностном охлаждении уже не дает сколь-либо заметного выигрыша в мощности.
Дальнейший рост единичной мощности турбогенератора требует применения непосредственного охлаждения обмоток. Охлаждающая среда — водород под давлением в несколько атмосфер или жидкость (вода или масло) —пропускается сквозь внутреннюю полость стержней. Непосредственное соприкосновение охлаждающей среды с материалом обмоток устраняет температурный перепад в изоляции обмоток.
Применение непосредственного газового охлаждения меди позволяет поднять мощность машин на 100% и более. Завод «Электросила» выпустил турбогенератор типа ТВФ-200-2 мощностью 200 000 квт в размерах машины 100 000 квт с поверхностной системой охлаждения. Обмотка ротора выполнена с непосредственным охлаждением меди с забором водорода из зазора генератора.
Весьма эффективным является непосредственное жидкостное охлаждение (водой или маслом). Сечение охлаждающих каналов в обмотке может быть меньше, чем при продувании газа. Применение такого охлаждения для ротора конструктивно сложнее, чем для статора. Специфическими вопросами здесь являются подвод воды из внешней системы во вращающиеся части при соблюдении минимальных утечек, влияние центробежных сил на гидродинамическое состояние и теплоотдачу воды, создание теплостойких и механически прочных шлангов. Совершенствование системы полного водяного охлаждения в турбогенераторах (статора и ротора) открывает возможность изготовления машин мощностью до 1 000 000 квт.
В СССР турбогенераторы выпускаются серийно, начиная с мощности 750 квт; созданы турбогенераторы мощностью 300 000 (к концу 1967 г. их число доходило до 27) и 500 000 квт; проведено эскизное проектирование турбогенератора мощностью 750000—1 000000 квт, диаметр ротора 1,25 м. На рисунке 196 дана схема замкнутой системы вентиляции турбогенератора при воздушном охлаждении (поверхностном).
