ГЛАВА ШЕСТАЯ
ОБЩАЯ КОМПОНОВКА И ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИИ
1. ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИИ
Как уже указывалось во введении, конструктивные части электрической машины, обеспечивающие поддержку, взаимное расположение и перемещение активных частей, определяются не столько принципом преобразования энергии и родом тока, а в основном размерами (мощностью), скоростью вращения, технологией производства и условиями эксплуатации.
Рис. 6-1. Гомологичные исполнения электрических машин переменного тока близкой мощности и скорости вращения
На рис. 6-1 показаны примеры конструкции синхронных и асинхронных машин близкой мощности и скорости вращения, предназначенных для работы в сходных условиях эксплуатации. Здесь а и б — крупные синхронная и асинхронная машины открытого исполнения со стояковыми подшипниками скольжения, с шихтованными остовами роторов, насаженными на ребристый вал, со сварными корпусами статоров и с радиальной системой циркуляции воздуха: в и г — синхронная и асинхронная машины средней мощности защищенного исполнения, со щитовыми подшипниками качения, шихтованными остовами роторов, насаженными на вал, литыми корпусами и щитами статора, с радиально-осевой системой циркуляции воздуха: д и е — синхронная и асинхронная машины малой мощности с близким исполнением конструктивных элементов. Легко заметить, что в этих примерах конструкции корпуса, опорных элементов (подшипников и щитов), а также система вентиляции идентичны, что оба типа машин могут быть выполнены в едином типе корпуса с одинаковыми подшипниковыми узлами, валом и т. п.
Поскольку размеры, вес и скорость вращения определяют при существующей технологии конструкцию несущих элементов, а условия эксплуатации — конструкцию защищающих элементов, возникают показанные на рис. 6-1 гомологичные исполнения — ряды с подобными конструктивными формами, незначительные различия в которых вызваны спецификой технологического процесса и подчас традициями отдельных заводов-изготовителей.
В каждой общепромышленной серии электрических машин существуют стандартные формы исполнений, отличающиеся по способу крепления и по степени защиты от внешних воздействий (табл. 6-1 и 6-2).
В начале разработки конструкции условия ее эксплуатации, а также расположение вала и способ крепления известны, остальные условия выясняются по мере разработки электрической, конструктивной и технологической части проекта.
Если в процессе разработки выясняется, что принятые размеры активных частей вызывают резкое усложнение конструкции, а следовательно, и технологии производства (например, переход на разъемную конструкцию герметичной машины или на увеличенные по сравнению с освоенными промышленностью размеры поковок), то в ряде случаев становится экономически оправданным принципиальное изменение конструкции, например переход на новую систему охлаждения или применение более теплостойкой изоляции, позволяющее путем изменения технологии расширить пределы применения различных освоенных конструкций. После освоения новой конструкции на «предельных» машинах ее, как правило, применяют и на других типоразмерах, если это дает экономические преимущества.
Примером такого освоения принципиально новых конструкций является развитие турбогенераторостроения и компенсаторостроения. Особенностью генераторов и синхронных компенсаторов, как уже отмечалось во введении, является монотонный рост единичной мощности, связанный с укрупнением энергосистем и диктуемый экономическими соображениями. Пропорциональный мощности рост объема вызвал бы увеличение габаритов в степени 1/3— 1/4, т. е. при увеличении единичной мощности в 10 раз, с 50 до 500 Мвт диаметр и длина сердечника должны были бы возрасти в 1,8 раза, что потребовало бы либо перехода на менее надежную и более сложную конструкцию разъемного ротора, либо значительного увеличения размеров и улучшения механических качеств роторов, а также перехода к разъемной в горизонтальной плоскости конструкции герметического статора (для возможности перевозки по железной дороге).
Таблица 6-1
Формы исполнении электрических машин по ГОСТ 2479—65
Условное обозначение * | Виды машин |
М 1 | Машина на лапах, с двумя или одним подшипниковыми щитами; с пристроенным редуктором, на опорно-осевой подвеске; с качающейся опорой (рис. 6-1. г, д. г) |
М2 | Машина на лапах, с двумя подшипниковыми щитами и фланцем на подшипниковом щите. Центрирующая заточка фланца со стороны вала (рис. 6-2) |
М3 | Машина без лап, с фланцем на подшипниковом щите, на рамной подставке (рис. 6-2) |
М4 | Машина без лап, с фланцем на станине, с торцевым креплением станины (рис. 6-2) |
М 5 | Машины встраиваемые (пристраиваемые) (рис. 6-2, 6-3) |
М 6 | Машины на лапах, с подшипниковыми щитами и со стояковыми подшипниками: балансирные (рис. 6-1, 6-2) |
М 7 | Машины на лапах, со стояковыми подшипниками (рис. 6-1) |
М 8 | Машины вертикальные большой мощности (рис. 6-2) |
• Каждая из групп в свою очередь разбивается на подгруппы по исполнениям, охватывающие все возможные пилы машин
Рис. 6-2. Примеры исполнения машины (к табл. 6-1 и 6-2). Ml: а — каплебрызгозащищенное, б — закрытое обдуваемое; М2 — каплебрызгозащищенное; М3: а — защищенное, б — закрытое обдуваемое, в — закрытое обдуваемое вертикальное; М4 — защищенное; М5: а — без своего вала и щита, б — без своего вала и корпуса; М6: а — на лапах со стояковыми и щитовыми подшипниками, б — балансирное; М7: а — открытое; б — закрытое с принудительной вентиляцией; М8: а — подвесное, б — зонтичное
Таблица 6-2
Основные модификации электрических машин по способу защиты
Название | Характеристика исполнения | Место установки, среда |
Открытое (рис. 6-1, а, б) | Без специальных приспособлений для предотвращения случайных прикосновений к вращающимся или токоведущим частям и без защиты от попадания внутрь машины посторонних предметов | В машинных залах |
Защищенное (рис. 6-2) | Со специальными приспособлениями для предотвращения прикосновений к вращающимся или токоведущим частям и защищенные от попадания внутрь машины посторонних предметов | В помещении |
Каплезащищенное (рис. 6-1, д, е) | Дополнительно защищенное от попадания капель влаги, падающих отвесно | В помещении |
Брызгозащищенное (рис. 6-2) | Дополнительно защищенное от попадания водяных брызг, падающих под углом 45° к вертикали | На открытом воздухе |
Закрытое (рис. 6-2) | Внутреннее пространство машины отделено от внешней среды, но не герметизировано | » |
Водозащищенное | Дополнительно защищенное с помощью уплотнений от попадания струн воды внутрь корпуса | На судах |
Взрывозащищенное (рис. 8-32) | Дополнительно защищенное с помощью уплотнений от проникновения наружу пламени и искр при взрыве внутри машины, с корпусом, рассчитанным на давление при взрыве | Во взрывоопасных помещениях |
Герметическое (рис. 8-33) | Закрытое, с уплотнениями, препятствующими какому-либо обмену между внутренним пространством машины и наружной средой | При наполнении корпуса водородом, при работе в агрессивной среде и т. п. |
Поскольку резкое увеличение предельных размеров поковок роторов требует больших капитальных затрат в металлургию и известного времени для накопления опыта, конструкторы и технологи нашли выход в применении систем охлаждения со все более и более интенсивным теплосъемом (поверхностное и непосредственное газовое охлаждение и непосредственное жидкостное охлаждение). Диалогичная картина наблюдается в компенсаторостроении: при росте единичной мощности с 50 до 150 Мв а применяется водородное охлаждение, а свыше этого — жидкостное охлаждение обмоток. Такая же тенденция наблюдается и в гидрогенераторостроении, где ограничения транспортных габаритов при возрастании общих размеров могут в конце концов привести к полной сборке гидрогенератора на ГЭС.
Итак, конструкция машины определяется внешними условиями: номинальными данными, заданным исполнением и степенью защиты, типом первичного двигателя или привода и т. п., а также внутренними условиями: результатами самого процесса проектирования, размерами в нагрузками активных и конструктивных частей.
Общая компоновка, т. е. взаимное расположение активных и конструктивных элементов, определяется в большой степени «внешними» условиями, иногда они диктуют однозначное решение компоновки (в главном). Так, например, наличие третьего подшипника (исполнение M6) диктуется ременной передачей и относительно большими радиальными нагрузками на шкив; аналогично определяется встроенное исполнение машины (на рис. 6-3, а приведен пример приводного двигателя к врубовой машине, форма статора которого повторяет форму корпуса врубовой машины, и пример компрессорного двигателя — на рис. 6-3, б).
Тип первичного двигателя или приводимого во вращение механизма определяет также общую компоновку. Так, например, вертикальное или горизонтальное расположение вала определяется типом первичного двигателя, если по размерам и нагрузкам горизонтальное расположение пала возможно и выгодно. В относительно быстроходных насосах и гидротурбинах горизонтальное расположение вала, насоса и двигателя или турбины и генератора в ряде случаев позволяет обеспечить большее удобство монтажа, обслуживания и экономию на строительной части машинного зала. В крупных агрегатах с большими осевыми нагрузками вертикальное расположение позволяет обеспечить большую прочность и жесткость статоров как турбины, так и генератора и обычно оказывается предпочтительным (при горизонтальном расположении радиальные нагрузки на статор от собственного веса резко возрастают с увеличением диаметра, что требует увеличения жесткости корпуса, а значит утяжеления). Здесь, следовательно, уже имеет место влияние как «внешних», так и «внутренних» условий. К такому же типу условий, определяющих компоновку вертикальной машины, можно отнести осевую нагрузку, частично определяемую типом сопряженного с машиной насоса или турбины (внешнее условие), частично—весом ротора и размерами самой машины (внутреннее условие).
Рис. 6-3. Примеры встроенной и пристроенной электрических машин: а — двигатель врубовой машины; б — двигатель компрессора без собственного вала
Если осевая нагрузка велика и диаметр статора машины значительно больше диаметра турбины или насоса, выгоднее становится зонтичное исполнение с подпятником, расположенным ниже ротора, позволяющее опереть его на крестовину с меньшим пролетом и, следовательно, более легкую, нежели при подвесном исполнении, когда подпятник расположен выше ротора, а также выполнить верхний направляющий подшипник меньшего диаметра (иногда роликовый или шариковый). Если диаметры машины и шахты насоса (турбины) одинаковы, зонтичное исполнение не имеет больших преимуществ перед подвесным и выбор одной из двух компоновок диктуется менее существенными обстоятельствами, причем подвесное часто удобнее в эксплуатации (опорный подшипник доступнее). На рис. 8-24 приведены примеры совершенно аналогичных вертикальных двигателей в зонтичном и подвесном исполнении.
Общекомпоновочное решение диктуется также системой охлаждения, выбор которой определяется комбинацией «внешних» и «внутренних» условий: заданная степень защиты определяет схему вентиляции, в то же время необходимая интенсивность охлаждения, определяемая в процессе проектирования, также влияет на выбор системы и, следовательно на компоновку.
Компоновка всей машины и отдельных узлов в сильной степени определяется технологией сборки и монтажа, а для крупных машин — еще и удобством обслуживания и ремонта. При разработке чертежа общего вида машины конструктор должен мысленно представить все этапы сборки и регулировки как машины в целом, так и отдельных узлов, с тем чтобы обеспечить заданную точность и простоту технологии, доступность и т. п.
Аналогичные требования по технологии изготовления необходимо предъявлять к конструкции детален и узлов машины. Здесь в большой степени сказывается серийность,производства продукции. Например, конструкции корпусов, щитов и тому подобных узлов машин массового производства целесообразно проектировать в расчете на высокопроизводительные методы механизированного литья, для применения которых требуется дорогое и занимающее большую площадь оборудование, или изготовлять из полуфабрикатов, являющихся стандартными (например, цилиндрические корпуса или кольца — из труб), на станках с автоматическим управлением. Если размеры этих деталей превышают возможности литейного производства, желательно проектировать их в сварном исполнении из стандартного проката в расчете на высокопроизводительную автоматическую сварку. При средне- и мелкосерийном производстве может оказаться более выгодным изготовлять эти узлы путем сварки и при меньших размерах.
Как при массовом, так и при серийном производстве важным условием является унификация конструкции, примеры которой показаны на рис. 6-1, особенно в конструкции отдельных узлов и деталей. Возможность унификации закладывается в первую очередь при разработке общекомпоновочных решений машин различного типа, но близких по размерам и скорости вращения и при ориентации проектирования на ограниченное число типоразмеров активных частей во всем диапазоне мощностей и скоростей вращения, которая возможна при правильном выборе конструктивного ряда. Здесь требование унификации часто вступает в противоречие с требованием экономичности, однако тщательная разработка проекта позволяет, как правило, удовлетворить оба эти требования.
