Поиск по сайту:
Главная

Публикации

МосЭнергоСбыт ЕИРЦ МОЭК МОЭСК МТК МОСГАЗ

Особенности конструкции современных турбогенераторов.

  В журнале «Наука и жизнь» в 1978 г. была опубликована статья, посвещенная созданию сверхмощного турбогенератора для Костромской ГРЭС. Статья большая и в стиле тогдашней трескучей пропоганды много фраз о победах советской науки и техники и пр.
  Однако, поскольку в ее написании участвовали специалисты высокого класса, фрагмены посвященные техническим аспектам представляют существенный интерес для людей интересующихся данной проблемой.
  Здесь приведен фрагмент, посвященный объяснению принципов конструироования современных турбогенераторов. Подробно разбирается одна их важнейших проблем турбостроения — охлаждение.

  Прославленный ленинградский завод Электросила имени С. М. Кирова отгружает в адрес Костромской ГРЭС турбогенератор мощностью 1,2 млн. кВт. Создание такой исполинской электрической машины — замечательная победа советской науки и техники.
  Наш корреспондент побывал в Ленинграде, где проектировался и строился этот уникальный турбогенератор.



Вот что ему рассказали о создании сверхмощных турбогенераторов:
  директор Всесоюзного научно-исследовательского института электромашиностроения академик И. ГЛЕБОВ,
  начальник отделения института доктор технических наук Я. ДАНИЛЕВИЧ,
  главный конструктор турбогенераторов объединения «Электросила» доктор технических наук Г. ХУТОРЕЦКИЙ.


  «ПРОКРУСТОВО ЛОЖЕ»
  В результате научно-технического прогресса в энегомашиностроении, металлургии, благодаря созданию новых материалов, успехам технологии единичную мощность отечественных турбогенераторов удалось повысить с 0.5 тысю кВт (1924 г.) до 1200 кВт (1975 г.), т.е. за 50 лет она выросла в 2400 раз.
  Это большое достижение нашей науки и техники, особенно если учесть, что чем мощнее была создаваемая машина, тем сложнее оказывался узел проблем, встававших перед учеными, конструкторами, инженерами.
  Чтобы получить хотя бы общее представление о том, как достигалось повышение мощности, какие основные задачи приходилось решать при этом, рассмотрим некоторые особенности конструкции современных турбогенераторов.

  Ротор турбогенератора, который сидит на одном валу с паровой турбиной, выполняется из массивной поковки магнитной стали. В его обмотку от постороннего источника подается постоянный ток, и таким образом ротор превращается в электромагнит. При вращении ротора создаваемое им магнитное поле пересекает проводники статора, которые уложены в пазах сердечника (он выполняет роль магнитопровода). В результате в проводниках статора индуктируется переменная электродвижущая сила (э. д. с). От статора переменный ток поступает на повышающий трансформатор, а затем по линии электропередачи направляется к потребителям.
  Даже это описание работы турбогенератора позволяет установить пути увеличения его мощности.
  Ясно, что сделать это можно, повышая частоту вращения ротора: чем она будет больше, тем чаще магнитное поле будет пересекать обмотку статора. Казалось бы, такое решение весьма желательно, так как и паровая турбина имеет наилучшие технико-экономические показатели при больших частотах вращения. Но в действительности возможности в этом направлении строго ограничены. В Советском Союзе стандартная частота тока—50 Гц. Следовательно, чтобы при двух полюсах вырабатывать ток такой частоты, ротор должен делать за секунду 50 оборотов, или 3000 оборотов в минуту.
  Очевидно, мощность турбогенератора можно повышать, увеличивая его габариты. Конечно. Ведь чем больше внутренний диаметр и длина статора (соответственно и ротора), тем больше размеры магнитной системы машины, а значит, величина магнитного потока, который и наводит э.д.с. в обмотке статора. И действительно, было время, когда конструкторы добивались роста мощности турбогенератора в значительной степени за счет увеличения его габаритов. Однако и эта возможность довольно скоро была практически исчерпана. Чем же это объясняется?
  Длина той части ротора, на которой располагается обмотка (активная длина), не может быть существенно больше 8 м, иначе возникнут недопустимые прогибы. Ограничен и диаметр ротора величиной 1,2—1,3 м, так как по условиям прочности линейная скорость точек его поверхности не должна превышать 170—190 м в секунду (а это уже скорость реактивного самолета), при этом возникают усилия в сотни тонн, стремящиеся вытолкнуть обмотку из пазов. Если сделать ротор диаметром свыше 1,3 м, то даже лучшая легированная сталь не выдержит — центробежные силы разрушат конструкцию. Внешний диаметр статора также имеет свой предел— 4,3 м иначе, чтобы перевезти турбогенератор по железной дороге, придется расширять мосты и тоннели, останавливать встречное движение поездов по маршрутам следования. Может быть, сделать статор разъемным, чтобы облегчить перевозку? Но тогда на электростанции надо создавать филиал завода — сборочный цех и испытательную станцию.
  Несмотря на значительные успехи металлургической промышленности, активный объем ротора за период с 1937 по 1974 год вырос менее чем в 2 раза (длина — с 6,5 до 8 м, диаметр — с 1 до 1,25 м), в то время как мощность турбогенераторов увеличивалась в 12 раз (со 100 до 1200 тыс. кВт). «Предельные габариты» были фактически достигнуты уже при создании машины в 300 тыс. кВт. Конечно, некоторые, правда, незначительные изменения размеров с увеличением мощности турбогенераторов происходили и в дальнейшем. Надо заметить, что, хотя и наблюдается прогресс в улучшении магнитных характеристик сталей, имеющиеся пределы по их насыщению не позволяют сколь-нибудь существенно повысить магнитную индукцию (для увеличения мощности генератора).

  ЦЕНТРАЛЬНАЯ ПРОБЛЕМА
  Теперь становится ясно, что для продвижения вверх по шкале мощности остается фактически один путь — увеличение токовой нагрузки статора. Но чем больше ток, проходящий по обмоткам машины, тем сильнее они нагреваются. Увеличивается ток в два раза — в четыре раза увеличиваются тепловые потери, ток растет в три раза, выделение тепла — в девять и т. д. Таков неумолимый закон физики.
  Путь увеличения токовых нагрузок оказался довольно тернистым. Теперь главным врагом конструкторов стало тепло. И надо было найти эффективные способы отводить его от частей машины раньше, чем их температура успеет превысить допустимые значения.
  Итак, центральной стала проблема охлаждения турбогенератора. От успехов в ее решении и сегодня в основном зависит прогресс турбогенераторостроения.
  Вся история борьбы за.повышение единичной мощности турбогенератора есть, в сущности, история развития способов его охлаждения.
  Турбогенераторы, которые выпускались в довоенные годы, охлаждались воздухом. В машине 100 тыс. кВт устанавливались вентиляторы, которые ежесекундно прогоняли через нее 60 кубометров воздуха. Из-за малой его теплопроводности даже такой воздушный ураган оказался недостаточно эффективным для охлаждения машин большей мощности.
  Лучше, чем воздух, отбирает тепло водород, так как его теплопроводность почти в 7 раз выше. К тому же плотность водорода в 10 раз меньше: ротору легча вращаться а менее вязкой среде, снижаются потери на трение, коэффициент полезного действия турбогенератора увеличивается примерно на один процент; существенно и то что в среде водорода медленнее изнашивается («стареет») изоляция. Мощность турбогенератора при таком охлаждении удалось поднять до 150 тыс. кВт.
  Чтобы создать еще более крупную машину, надо было опять-таки улучшать отвод тепла.
  У машины в 150 тыс. кВт охлаждающий газ отнимал тепло, омывая наружную поверхность ротора и поверхность вентиляционных каналов в сердечнике статора. Такое косвенное охлаждение оказалось недостаточным для турбогенераторов следующей ступени мощности. У них впервые часть проводников в обмотках сделали полыми, и через них прогонялся водород. Непосредственное охлаждение вместо косвенного позволило создать машину в 200 тыс. кВт (1957 год).
  Конечно, заманчиво было использовать для охлаждения воду: ведь ее теплопроводность в 3 раза, а теплоемкость в 3500 раз больше, чем у водорода. Но реализовать эту идею трудно из-за «несовместимости» воды и электричества. При малейшем увлажнении изоляции возможны пробой, короткое замыкание и весьма серьезная авария.
  В турбогенераторе мощностью 300 тыс. кВт все же удалось осуществить непосредственное охлаждение водой обмоток статора. И хотя жидкость прогоняется под давлением по полым проводникам статора совсем близко от корпусной изоляции, водяной тракт настолько надежно спроектирован, так тщательно изготовлен, что прорыв воды практически исключен. (Для охлаждения применяют дистиллированную воду, так как обычная вода проводит электрический ток и оставляет осадки растворенных в ней солей на внутренних стенках проводников.)
  Схема охлаждения: водой — статорную обмотку, водородом — роторную обмотку и активное железо,—оказалась очень удачной. Она была использована и при создании турбогенераторов мощностью 500 и 800 тыс. кВт.
  Таким образом, мы видим, что появление более совершенных систем охлаждения связано с невозможностью развития предыдущих типов машин, с достижением ими предельных мощностей. Показательно, что в дальнейшем новые решения распространялись не только вверх, но и вниз по шкале мощностей (в настоящее время для всех современных турбогенераторов мощностью 150 тыс. кВт и выше применяется непосредственное водяное охлаждение обмотки статора) и границы между машинами с различными системами охлаждения устанавливались, по технико-экономическим соображениям.
Следует отметить, что новые принципы исполнения машин, которые появляются при повышении их единичной мощности, почти всегда оказываются и технически и экономически более целесообразными также для машин менее мощных.
  Одно из главных следствий создания все более интенсивных систем охлаждения — снижение удельных расходов материалов при одновременном росте мощности турбогенератора. Если для машины в 30 тыс. кВт он был равен 2,75 кг (на 1 кВА), то с увеличением мощности турбогенчратора до 800 тыс. кВт стал уже 0,58. Если бы удельный расход у него был бы таким же, как у машины в 30 тыс. кВт, то масса его была бы не 500 т, а 2000 т. А ведь на долю материалов приходится примерно 75 процентов себестоимости турбогенератора1
  Проблема отвода тепла действительно центральная, но далеко не единственная. Путь интенсификации, то есть увеличения мощности турбогенератора при почти неизменяющемся его объеме, приводит, естественно, к росту электромагнитной, тепловой и механической напряженности машины. Одновременно с этим снижается (если не принимать специальных мер) ев надежность.
  Рассказать в одной небольшой статье о всех проблемах, которые приходится решать при создании сверхмощных машин, конечно, невозможно, поэтому мы ограничились лишь главной — проблемой охлаждения машины.

  «НАУКА И ЖИЗНЬ» №6 1978 г. «Исполин энергетики».