Обмотка ротора. Модификации пазов ротора с косвенным охлаждением показаны на рис. 7-20. На рис. 7-20, а обмотка имеет охлаждение с наружной поверхности бочки ротора. На других рисунках показаны подпазовые вентиляционные каналы и вентиляционные каналы в зубцах ротора.
Обмотки роторов с косвенным охлаждением применяются в настоящее время только для машин малой и — некоторыми фирмами — средней мощности.
Модификации пазов ротора с непосредственным водородным охлаждением показаны на рис. 7-21, 7-22 и 7-23.
Рис. 7-20. Пазы роторов турбогенераторов с косвенным охлаждением: а —охлаждение с поверхности ротора; б — подпазовый канал; в — каналы в зубцах ротора
Рис. 7-21. Трапецеидальный паз ротора с непосредственным аксиальным водородным охлаждением (боковые каналы).
Рис. 7-22. Трапецеидальный паз ротора с непосредственным аксиальным водородным охлаждением (внутренние каналы).
Обмотка на рис. 7-23,г имеет подачу газа в распределительный подпазовый канал, из которого охлаждающий газ попадает в радиальные шлицы, прорубленные в меди обмотки, и выбрасывается в воздушный зазор между ротором и статором.
Наличие подпазового канала не дает возможности достаточно эффективно использовать поперечное сечение ротора двухполюсной машины, поскольку ярмо ротора чрезвычайно использовано в магнитном и механическом отношении и свободного пространства здесь почти нет. Образование подпазовых каналов должно происходить частично за счет меди в пазах и частично за счет ярма, освобождая его от других нагрузок.
Все это приводит к тому, что обеспечить подпазовые каналы необходимого сечения бывает трудно, поэтому такие системы в основном применяются для двухполюсных турбогенераторов малой и средней мощности.
В четырехполюсных турбогенераторах ярмо ротора не несет, как известно, столь больших магнитных и механических нагрузок, и поэтому подпазовые каналы необходимого сечения здесь могут быть применены с гораздо большим успехом, чем у двухполюсных машин.
Рис. 7-23. Прямоугольные и ступенчатые пазы роторов с непосредственным водородным охлаждением: а — боковые каналы; б — фигурные каналы в зубцах; в — внутренние каналы, двухрядная катушка; г — подпазовые каналы и радиальные шлицы в меди; д — внутренние каналы в двухрядной катушке, паз ступенчатый
Варианты пазов, показанные на рис. 7-21—7-23, относятся к так называемым аксиальным системам охлаждения обмотки ротора. Эти системы характеризуются в основном течением водорода по полым проводникам вдоль оси машины. Полые проводники образуют внутри себя каналы различной конфигурации и расположения, причем такое разнообразие выполнения каналов диктуется как технологическими, так и патентными соображениями отдельных фирм.
Движение газа по каналам обмотки осуществляется под действием, в основном, компрессоров, установленных на валу ротора. Только у относительно небольших машин при этом удается обеспечить подачу газа по краям витка обмотки и выпуск его посередине бочки ротора. Для того чтобы обеспечить необходимый расход газа через обмотку для больших по мощности машин, витки разбивают на несколько параллельных по вентиляции участков. Например, лобовые части обмотки охлаждают отдельно, пазовая часть также может разбиваться на параллельные участки с применением подпазовых каналов для подпитки отдельных участков и т. д.
Основной сложностью при применении аксиальной системы охлаждения является обеспечение больших скоростей газа в длинных каналах ротора. Для очень больших и длинных роторов такая система практически не может быть применена даже при наличии многоступенчатых компрессоров на роторе. Однако для машин средней и большой мощности такие системы нашли достаточно широкое распространение.
На рис. 7-24 показаны пазы роторов с непосредственным водородным охлаждением, использующие принцип многоструйной самовентиляции с забором газа из зазора машины. Самовентиляция ротора характеризуется тем, что расход газа через обмотку зависит в основном от выполнения заборников и сопротивления вентиляционных каналов и в меньшей степени от внешних напорных элементов (вентиляторов или компрессоров).
Рис. 7-24. Паз ротора с непосредственным охлаждением обмотки водородом, использующим принцип многострунной самовентиляции
В многострунной системе охлаждения, построенной на принципе самовентиляции, для раздачи газа по длине ротора используется воздушный зазор машины, в результате чего число параллельных путей вентиляции внутри обмотки может быть выбрано без ущерба для общего использования ротора. Наличие большего числа параллельных путей обеспечивает относительно короткие участки охлаждения по сравнению с другими системами.
Помимо высокой эффективности охлаждения, короткие участки обусловливают ряд преимуществ такой системы. В частности, здесь эффективность охлаждения практически не зависит от длины ротора, так как схема составляется из ячеек определенных размеров, не связанных с длиной ротора. Это обстоятельство имеет большое значение, особенно для мощных турбогенераторов с длиной бочки ротора, превышающей 5—6 м. Равномерность нагрева по длине ротора также связана с относительно короткими участками охлаждения. На рис. 7-25 показано распределение температуры вдоль ротора для аксиальной и многострунной системы охлаждения. Если в первом случае отношение максимального превышения температуры к среднему превышению, определяемому по сопротивлению ротора, составляет около 2, то для многострунной самовентиляции такое отношение находится в пределах 1,2—1,3.
Это обстоятельство позволяет иметь для многострунной системы более высокую среднюю допустимую температуру, чем для аксиальных систем охлаждения, что и предусмотрено нормами ГОСТ 533—68.
Наконец немаловажную роль играет большая точность пересчета экспериментальных данных, полученных на одном образце, для других при условии сохранения размеров и геометрии вентиляционной ячейки.
Рис. 7-26. Паз ротора с многострунной системой вентиляции с забором водорода из зазора машины
Сохранение для этой системы напорных элементов в виде обычных центробежных или пропеллерных вентиляторов хорошо сочетает такую систему охлаждения ротора с обычной радиальной системой охлаждения сердечника статора и водяного непосредственного охлаждения обмотки статора.
Рис. 7-25. Распределение температуры вдоль обмотки ротора: а— аксиальная система охлаждения, б — многострунная система
Наиболее эффективным считается система с винтовыми каналами по рис. 7-24, обеспечивающая наименьшее внутреннее аэродинамическое сопротивление [7-8], которая с некоторыми модификациями повторена в конструкции по рис. 7-26.
В связи с указанными преимуществами система многопараллельной самовентиляции применяется как для роторов относительно малой мощности, так и для самых мощных турбогенераторов. В настоящее время разрабатываются дальнейшие мероприятия по повышению эффективности таких систем.
Одной из модификаций системы самовентиляции является система с поперечным но отношению к пазу течением водорода (рис. 7-27).
Следует отметить, что в настоящее время аксиальные системы для наиболее мощных машин приспосабливаются к системам многопараллельным с использованием воздушного· зазора в виде распределительной системы (рис. 7-28). Здесь напорными элементами являются компрессоры, установленные на роторе. Самовентиляция ротора не используется. Как следует из рисунка, воздушный зазор в аксиальном направлении перегораживается барьерами, устанавливаемыми на роторе и статоре.
Таким образом, идея многопараллельного охлаждения обмотки ротора с использованием воздушного зазора машины в качестве питающей системы оказалась при непосредственном водородном охлаждении наиболее перспективной.
В последнее время начали применяться, в основном в опытном порядке, роторы с непосредственным водяным охлаждением обмотки ротора. Сечение пазов роторов с непосредственным водяным охлаждением показано на рис. 7-29. Витки обмотки выполняются прямоугольными с круглым отверстием внутри для протекания охлаждающей воды. Для обеспечения отверстий достаточных размеров при водяном охлаждении сечение витков выбирается обычно большим, чем при водородном охлаждении. Витки также должны быть рассчитаны на давление воды, которое возникает при вращении ротора. Все это приводит к необходимости иметь в пазу относительно малое число витков и, следовательно, большой ток возбуждения.
Поскольку основная сложность в создании надежной конструкции ротора с водяным охлаждением заключается в обеспечении герметичности всего водяного тракта, то стремятся выполнить конструкцию, удовлетворяющую следующим требованиям: а) иметь минимальное количество подводящие воду к обмотке и отводящих от нее изоляционных шлангов; б) все соединения обмотки с водяными коллекторами должны быть хорошо доступны для осмотра и контроля.
Рис. 7-27. Паз ротора с поперечной системой охлаждения и забором водорода из зазора машины.
Рис. 7-28. Барьерная схема охлаждения ротора без использования самовентиляции ротора.
Рис. 7-29. Пазы роторов с непосредственным водяным охлаждением: а — прямоугольный паз с однородной катушкой; б — прямоугольный паз с двухрядной катушкой; в — ступенчатый паз с двухрядной катушкой.
Первое требование приводит к необходимости иметь по возможности малое число витков в катушке и, следовательно, большой ток возбуждения. Второе требование приводит к необходимости выносить все соединения по воде за бандажный узел ротора или даже изменять традиционную схему соединения обмотки ротора.
Для машин относительно малой и средней мощности удается соединить по воде две катушки последовательно при относительно невысоких токах возбуждения. Так, например, были выполнены первые в мире роторы с непосредственным водяным охлаждением обмоток мощностью 30 и 200 Мвт [7-12].
Для машин мощностью 300—500 Мвт может быть применена схема с охлаждением каждой катушки отдельно. Машины большей мощности требуют параллельного соединения по воде полукатушек отдельных витков или даже полувитков. Такое выполнение, конечно, усложняет конструкцию роторов с непосредственным водяным охлаждением.
В заключение отметим, что в пазах роторов иногда укладывается также демпферная обмотка, призванная защитить элементы конструкции ротора от протекания по ним вихревых потоков. Демпферная обмотка выполняется в виде медных полос, которые укладываются непосредственно под пазовым клином. Замыкание демпферных стержней между собой осуществляется с помощью специальных медных гребенок, устанавливаемых в торцевой зоне ротора непосредственно под бандажным кольцом. Зубцы гребенки заходят в пазы ротора, где соединяются обычно внахлест с демпферными полосами. Места соединений демпферной обмотки не пропаиваются, а только серебрятся, для того чтобы конструкция была легко разборной.
Часто на роторах устанавливается не полная демпферная система, а только замыкающие гребенки в торцевой части бочки. В этом случае в пазу остается несколько больше места для основной обмотки. Установка замыкающих гребенок тем не менее обеспечивает высокую термическую стойкость ротора при несимметричных режимах, поскольку наиболее повреждаемой зоной при таких режимах является торец бочки ротора.
Пазовые клинья ротора обычно выполняются из дюралюминия для уменьшения механической нагрузки на ротор. В особых случаях эти клинья могут изготовляться и из немагнитной стали или титанового сплава. Титановый сплав имеет преимущества, поскольку его плотность составляет 0,57 плотности стали, и, следовательно, он будет меньше нагружать ротор в механическом отношении, чем стальной клин.
