Виды и конструкция генераторов электростанций

Синхронные генераторы всех электростанций вращаются с одинако­вой установившейся (синхронной) частотой ω_Г = 100π рад/с, соответ­ствующей номинальной частоте промышленного синусоидального тока f_ном = 50Гц. Их ЭДС сдвинуты по фазе лишь на углы φ_н, определяемые передава­емой активной мощностью и сопротивлениями ЛЭП и обу­словливаемые сопровождающими выработку и передачу электроэнергии электромагнитными процессами (реактивной мощностью). Угол сдви­га фаз и частота вращения изменяются лишь при электромеханиче­ских переходных процессах в пределах, не наруша­ющих динамической устойчивости электроэнергетической системы.

Синхронные генераторы составляют основу электротехнического оборудования электростанций, т.е. практически вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Единичная мощность современных синхронных генераторов достигает миллиона киловатт и более. В энергетических установках по производству переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины, либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора. Различают турбогенераторы (первичный двигатель – паровая или газовая турбина) и гидрогенераторы (первичный двигатель – гидротурбина). Особенности условий работы гидрогенераторов и турбогенераторов влияют на конструкцию этих машин.

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение турбогенератор, является быстроходной синхронной машиной. Роторы таких генераторов выполняют в основном двухполюсными (3000 об/мин), так как при этом турбогенераторы имеют наилучшие технико-экономические показатели. Четырехполюсные турбогенераторы изготавливаются для АЭС, где при имеющихся параметрах пара иногда не удается получить частоту вращения турбин более 1500 об/мин. В России освоен серийный выпуск турбогенераторов мощностью до 800 МВт.

Быстроходность турбогенератора определяет особенности его конструкции (рисунок 5.1). Эти генераторы выполняются с горизонтальным валом. Ротор турбогенератора, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготавливается из цельной поковки специальной стали (хромоникелевой или хромоникельмолибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами. В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механической прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор. Вследствие значительной частоты вращения диаметр ротора ограничивается по соображениям механической прочности 1,2 – 1,25 м при 3000 об/мин. Длина бочки ротора также имеет предельное значение, равное 6,5 м, определяемое из условий допустимого статического прогиба вала и получения приемлемых вибрационных характеристик.

Гидравлические турбины обычно развивает небольшую частоту вращения (50 – 500, иногда 1000 об/мин), которая тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше мощность турбины. Гидрогенераторы поэтому являются тихоходными машинами и имеют большие размеры и массы, а также большое число полюсов, для получения частоты 50 Гц.

Гидрогенераторы выполнят с явнополюсным ротором и преимущественно с вертикальным расположением вала (рисунок 5.2). Турбина располагается под генератором, и ее вал, несущий рабочее колесо, сопрягается с валом генератора с помощью фланцевого соединения. Т.к. частота вращения мала, а число пар полюсов велико, ротор генератора выполняется с большим диаметром и сравнительно малой активной длины. Диаметры роторов достигают 14 – 16 м, а диаметры статоров – 20 – 22 м. Поэтому статор гидрогенераторов выполняется разъемным. Он делится по окружности на две – шесть равных частей, что значительно облегчает его транспортировку и монтаж.

Рисунок 5.1 – Турбогенератор:

1 – возбудитель; 2 – корпус; 3 – сердечник статора; 4 – секции водородного охлаждения; 5 – ротор.

Рисунок 5.2 – Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8 кВ, 125 об/мин):

1 – корпус статора; 2 – сердечник статора; 3 – полюс ротора; 4 – обод ротора; 5 – грузонесущая крестовина.

Активные части у гидрогенераторов занимают сравнительно малую долю ее общего объема. Большую часть объема занимают конструктивные части: опорный подшипник – подпятник, воспринимающий массу вращающихся частей генератора и турбины; направляющие подшипники, придающие оси ротора определенное положение в пространстве; верхняя и нижние крестовины, несущие на себе подпятник и подшипники, корпус статора, воздухоохладители, маслоохладители и др.

Также применяются так называемые капсульные гидрогенераторы, имеющие горизонтальный вал. Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку (капсулу), которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Капсульные генераторы изготавливают на мощность несколько десятков МВ^.А. Это сравнительно тихоходные генераторы (n = 60 – 150 об/мин) с явнополюсным ротором.

Гидроагрегаты, объединяющие турбину и генератор, являются крупнейшими из используемых в промышленности машин. Их мощность достигает 200 – 600 МВ^.А, высота 20 – 30 м. Гидрогенераторы, изготовленные для Саяно-Шушенской ГЭС, являются самыми мощными в мире. Они имеют мощность 715 МВ^.А при частоте вращения 142,8 об/мин. Внешний диаметр генератора около 15 м, диаметр его ротора около 12 м, длина магнитопровода статора 2,75 м.

Во многих странах получает развитие строительство мощных ГАЭС, предназначенных для покрытия пиковых нагрузок. Для ГАЭС применяются обратимые гидрогенераторы-двигатели. В России построена крупная Загорская ГАЭС, на которой установлены обратимые гидрогенераторы-двигатели ВГДС 1025/245-40 мощностью 200 МВт, 150 об/мин.

Среди других синхронных генераторов, применяемых на электростанциях, надо отметить так называемые дизель-генераторы, (рисунок 5.3) соединяемые с дизельным двигателем внутреннего сгорания. Это явнополюсные машины с горизонтальным валом. Дизель как поршневая машина имеет неравномерный крутящий момент, поэтому дизель-генератор снабжается маховиком или его ротор выполняется с повышенным маховым моментом. Дизель-генераторы рассчитывают на частоту вращения 600 – 1500 об/мин.

Рисунок 5.3 – Синхронный дизель-генератор: 1 – контактные кольца;

2 – щеткодержатели; 3 – полюсная катушка ротора; 4 – полюсный наконечник; 5 – сердечник статора; 6 – вентилятор; 7 – вал.