ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ И СИНХРОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ

Гидрогенераторы средней (25—125 МВт) и большой (150 МВт и более) мощности выполняются с вертикальным расположением вала, а гидрогенераторы небольшой мощности (менее 25 МВт) — с горизонтальным.

В зависимости от напора воды, определяемого высотой плотины, гидрогенераторы имеют различные частоты вращения: до 100 об/мин (тихоходные), 100—200 об/мин (среднеходные) и свыше 200 об/мин (быстроходные). Из-за сравнительно небольшой частоты вращения размеры и масса гидрогенераторов в несколько раз больше, чем у таких же по мощности турбогенераторов. Наивыгоднейшая номинальная мощность гидротурбин зависит от напора и расхода воды в створе реки. Поэтому гидрогенераторы для каждой ГЭС выполняются по индивидуальному заказу.

Вал ротора вертикального гидрогенератора вращается в направляющих подшипниках и, кроме того, опирается на упорный подшипник,

называемый подпятником. Подпятник воспринимает осевую нагрузку, достигающую в мощных машинах нескольких тысяч тонн, от массы роторов генератора и гидротурбины, а также от реакции воды, проходящей через рабочее колесо турбины. Если подпятник установлен на верхней крестовине генератора, то исполнение гидрогенератора называется подвесным (рис. 3.4, о), а если на нижней крестовине, то зонтичным (рис. 3.4, б). Для мощных гидрогенераторов применяется зонтичное исполнение, позволяющее снизить массу и высоту агрегата и высоту ГЭС.

Рис. 3.4. Исполнение гидрогенераторов:

а — подвесное; б — зонтичное; / — возбудитель; 2 — верхний направляющий подшипник; 3 — подпятник; 4—верхняя крестовина; 5 — ротор; 6 — нижний направляющий подшипник; 7 — нижняя крестовина

Статор гидрогенератора. При наружном диаметре гидрогенератора более 4 м его корпус и сердечник статора по условию перевозки выполняют разъемными (из отдельных сегментов). Обмотка статора крупных гидрогенераторов — двухслойная, стержневая, а у небольших — катушечная. При водяном охлаждении целесообразно применение однослойной обмотки статора. При этом за счет исключения изоляции между верхним и нижним стержнями уменьшается на 20 % высота паза, повышается стойкость обмотки к воздействию токов КЗ и сокращается число выводов для подачи и отвода воды. Сердечник и изоляция статорной обмотки для гидрогенераторов и турбогенераторов одинаковы.

Ротор гидрогенератора в отличие от ротора турбогенератора явно-полюсный (рис. 3.5). Он состоит из пустотелого вала 1, дискового или спицевого остова 2 и сборного обода 3 с укрепленными на нем полюсами и катушками обмотки возбуждения 4. Остовы при диаметрах ротора до 4 м — дисковые неразъемные, 4—8 м — дисковые разъемные

и свыше 8м — спицевые разборные. Обод, являющийся частью сердечника, набран из стальных пластин, скрепленных большим числом стяжных шпилек. Для обеспечения жесткости обод насаживается на остов в нагретом состоянии и расклинивается шпонками.

Сердечники полюсов набраны из стальных пластин, уложенных между двумя коваными башмаками и опрессованных стяжными шпиль-

Рис. 3.5. Ротор гидрогене ратора со спицевым осто вом

Рис. 3.6. Ротор синхронного компенсатора КСВ:

а — внешний вид ротора; б — разрез полюса ротора; / — сердечник; 2 — катушка обмотки возбуждения; 3 — пусковая об* мотка

ками, или выполнены массивными из стальных поковок. К ободу они крепятся при помощи Т-образных хвостов с дополнительной раскли-новкой стальными клиньями. Катушки обмотки возбуждения выполняются из полосовой меди. Витковая изоляция катушек обмотки возбуждения выполняется из миканита (изоляция класса В), а главная (корпусная) — из асбеста и микафолия. В крупных гидрогенераторах витки катушек изолируются термореактивной изоляцией, а корпусная изоляция выполняется из асботекстолита.

В наконечниках полюсов большинства гидрогенераторов укладывается успокоительная обмотка из латунных стержней, соединенных между собой накоротко медными или латунными шинами.

Синхронные компенсаторыизготовляются сявнополюсными роторами на 1000 и 750 об/мин сноминальными мощностями 10—160 MB-А. Компенсаторы снеявнополюсными роторами из-за большей стоимости и больших потерь не получили распространения. Расположение роторов у всех синхронных компенсаторов горизонтальное.

Синхронные компенсаторы имеют пусковую обмотку из стержней, уложенных в полузакрытые пазы на полюсах ротора (рис. 3.6) и замкнутых по торцам полюсов накоротко латунными или медными сегментами. Сегменты соседних полюсов соединяются шинами иобразуют общее короткозамыкающее кольцо.

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Системы охлаждения, применяемые в электрических машинах для поддержания температуры меди обмоток и активной стали в допустимых пределах, подразделяются на косвенные (или поверхностные) и непосредственные (или внутрипроводниковые). Некоторые машины имеют смешанную систему охлаждения.

По конструктивному исполнению системы охлаждения подразделяются в свою очередь на радиально-многоструй-ные, радиально-вытяжные (одноструйные), аксиальные и аксиально-радиальные.

При любой системе охлаждения температура активных частей машины превышает температуру охлаждающей среды. Но чем эффективнее система охлаждения, тем это превышение меньше и тем большую нагрузку может допустить машина при тех же размерах без превышения предельно допустимой температуры активных частей.

При косвенной системе охлаждения теплота от меди обмоток отдается охлаждающей среде не непосредственно, а через изоляцию обмоток и активную сталь. Косвенная система охлаждения характеризуется сравнительно высокими значениями превышения температуры меди над температурой охлаждающей среды, так как теплопередача происходит последовательно от меди к изоляции, от изоляции к активной стали, от стали к охлаждающей среде. В косвенных системах в качестве охлаждающей среды используется воздух или водород.

Косвенные воздушные системы охлаждения делятся на проточные и замкнутые. В проточной системе охлаждающий

воздух, забираемый в машину из помещения или извне, проходит через машину и выбрасывается наружу.

В турбогенераторах мощностью более 2,5 МВт и в гидрогенераторах мощностью более 10—12 МВт воздушное охлаждение выполняется по замкнутой системе. При этой системе воздух, отобравший теплоту от обмоток и других элементов, поступает в воздухоохладитель, где отдает теплоту воде, проходящей по трубкам, и затем, охлажденный, вновь направляется в машину. С воздушным охлаждением изготовляются, как правило, турбогенераторы мощностью до 12 МВт, а синхронные компенсаторы — до 15 MB-А включительно.

Начиная с мощности 30 МВт для турбогенераторов и 37,5 MB-А для синхронных компенсаторов применяется косвенная водородная система охлаждения. В гидрогенераторах ввиду сложности создания надежного уплотнения машины из-за больших радиальных размеров водород для охлаждения не применяется. Водородное охлаждение по сравнению с воздушным имеет ряд преимуществ. Допустимая мощность при тех же размерах турбогенератора и давлении водорода в корпусе 0,005 МПа (здесь и далее — избыточном) повышается на 15—20%, а при давлении 0,2 МПа даже на 35 % и для синхронных компенсаторов на 30 %, так как коэффициент теплоотдачи от поверхности к газу выше, чем для воздуха: для водорода в 1,51 раза, а для его смеси с 3% воздуха — в 1,35 раза. Теплопроводность водорода в 7 раз превышает теплопроводность воздуха. При сохранении мощности на прежнем уровне экономится 15—30 % активных материалов, необходимых для изготовления машины. Потери в машине на вентиляцию и трение ротора о газ уменьшаются в 10 раз, так как плотность чистого водорода в 14,3 раза, а в смеси с 3 % воздуха (при давлении 0,005 МПа) —в 10 раз меньше плотности воздуха. Это позволяет повысить КПД машины примерно на 0,7—1 %. Кроме того, в среде водорода изоляция обмоток работает более надежно и долговечно. Уменьшается опасность развития пожара в машине при ее повреждении, так как водород не поддерживает горения.

Вместе с тем водородное охлаждение в обслуживании сложнее, чем воздушное. При содержании водорода в смеси с воздухом от 4 до 75 % (по объему), а в присутствии масляных паров от 3,3 до 81,5 % образуется взрывоопасная смесь. Поэтому во избежание попадания воздуха в машину и образования взрывоопасной смеси давление водорода

в ней приходится постоянно поддерживать выше атмосферного. Следовательно, корпус машины должен быть газоплотным. Приходится устанавливать уплотнения для предотвращения утечки водорода в местах прохода вала ротора через торцевые щиты и маслосистему для них.

При косвенной системе охлаждения допустимая по нагреву мощность турбогенератора заметно увеличивается при повышении давления водорода до 0,2 МПа. Повышение давления водорода сверх 0,2 МПа при этом малоэффективно, так как 50—60 % перепада температуры между медью и газом приходится на изоляцию, а тепловое сопротивление ее при повышении давления водорода сверх 0,2 МПа практически не снижается.

При непосредственной системе охлаждения теплота от меди обмоток отбирается охлаждающей средой, непосредственно соприкасающейся с медью.

В качестве охлаждающей среды используется водород, вода или масло, а в некоторых случаях и воздух. Превышение температуры меди над температурой охлаждающей среды получается минимальным. В сравнении с воздушным охлаждением при одних и тех же габаритах генераторов их мощность увеличивается при непосредственном охлаждении: обмоток статора и ротора водородом — в 2,7 раза; обмотки статора маслом и обмотки ротора водой — в 3,6 раза, обмоток статора и ротора водой — в 4 раза.

Поскольку при непосредственном охлаждении превышение температуры меди обмоток состоит лишь из двух составляющих — превышения между поверхностью меди и охлаждающей средой и превышения в охлаждающей среде, а значение этих превышений с увеличением давления водорода понижается, то в машинах с непосредственным водородным охлаждением оказывается целесообразным иметь давление водорода равным 0,3—0,4 МПа.

Непосредственное водородное охлаждение обмотки ротора осуществляется по аксиальной или многоструйной радиальной системе, а охлаждение обмотки статора — только по аксиальной системе. Для охлаждения активной стали статора применяется радиально-вытяжная или аксиальная системы или сочетание той и другой.

Недостатком аксиальной водородной системы охлаждения является значительная неравномерность нагрева обмотки по длине стержней и необходимость иметь высоконапорный компрессор, усложняющий конструкцию и снижающий

КПД машины из-за повышенного расхода энергии на вентиляцию.

Для непосредственного масляного охлаждения применяется трансформаторное масло. Оно обладает высокими изолирующими свойствами и поэтому позволяет выполнить обмотку статора с дешевой бумажной изоляцией. Для получения необходимой скорости движения масла, при которой обеспечивается эффективная теплоотдача с поверхности, из-за сравнительно высокой вязкости масла приходится устанавливать насосы с большим давлением и с повышенным расходом энергии.

В генераторах серии ТВМ сердечник и обмотка статора, отделенные от ротора изоляционным цилиндром, находятся в масле. Холодное масло подается насосами в камеру лобовых соединений и затем в аксиальные каналы обмотки статора и сердечника. Охладив обмотку и сердечник, оно выходит из аксиальных каналов на другой стороне машины и направляется в маслоохладители, после которых насосами вновь нагнетается в машину.

Основные серии турбогенераторов с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Турбогенераторы с непосредственным охлаждением обмоток

* Обмотка статора генераторов серии ТВФ имеет косвенное охлаждение.

Непосредственное охлаждение обмоток статора и ротора водой с успехом применяется также и в крупных гидрогенераторах.