Проектирование генератора ТВ 40

Введение

 

Турбогенераторами  называют  синхронные  генераторы трёхфазного тока, приводимые во вращение паровой или газовой турбиной. В нашей  стране  турбогенераторами  вырабатывается около 84% всей электрической энергии.

Турбогенераторы изготавливаются  мощностью от нескольких МВт до 1200 МВт, при этом создание крупных турбоагрегатов даёт значительную экономию стоимости оборудования и сооружения электростанций. Технически  наиболее совершенными, экономичными и надёжными считаются турбогенераторы мощностью 200 – 300 МВт.

Турбогенераторы  мощностью  до 120 МВт, а  в  последнее  время  и до  300  МВТ включительно,  устанавливают   на   теплофикационных   электростанциях   ( ТЭЦ ).  Турбогенераторы большой  мощности (200–1200) МВт устанавливают на тепловых конденсационных электростанциях ( КЭС ).

В системе охлаждения  турбогенераторов наибольшим преимуществом обладает водородное охлаждение  по  сравнению с воздушным, не смотря на сложность и дороговизну оборудования,  процесса  эксплуатации  и  необходимости  вспомогательного  оборудования. В связи с этим водородное охлаждение применяется в турбогенераторах  мощностью 30 МВт и выше, на мощности меньше 30 МВт водородное охлаждение применять нецелесообразно.

В данном  курсовом  проекте  производится  проектирование турбогенератора ТВ – 40, с номинальной частотой  вращения 3000 об/мин при частоте сети 50 Гц с косвенным водородным охлаждением обмоток статора и ротора.

 

1. Описание конструкции турбогенератора

В турбогенераторе, как и в любой другой электрической машине, различают активные и конструктивные части. К активным частям, непосредственно участвующим в процессе преобразования механической энергии в электрическую, относятся сердечник статора с трехфазной обмоткой и ротор с обмоткой возбуждения. К конструктивным частям, обеспечивающим надежную работу активных частей, относят корпус статора, наружные и внутренние щиты с уплотнениями, бандажный узел ротора, вентиляторы, газоохладители.

Главным фактором, определяющим особенности конструкции турбогенераторов, является высокая частота вращения, вызывающая большие механические напряжения в роторе. Поэтому ротор выполняется цельнокованым из высоколегированной стали, обладающей большой механической прочностью. Из – за отсутствия на роторе явновыраженных полюсов турбогенераторы относят к неявнополюсным машинам.

Турбогенераторы представляют собой  вытянутую в длину электрическую  машину с отношением длины бочки ротора к ее диаметру, составляющим от 2 до 6. Обмотка возбуждения расположена в радиальных пазах ротора. Лобовые части обмотки возбуждения удерживаются от перемещения под действием центробежных сил бандажным кольцам из высокопрочной стали.

Корпус статора с сердечником  и обмоткой – наиболее громоздкая часть турбогенератора, масса которой в крупных машинах может превышать 300 тонн. Корпуса машин мощностью более 200 МВт выполняются составными.

В качестве охлаждающих агентов  широкое распространение получили воздух,  водород, дистиллированная вода и трансформаторное масло.

По принципу охлаждения все турбогенераторы  делятся на генераторы с косвенным (поверхностным) охлаждением, непосредственным охлаждением проводников обмоток статора и ротора и со смешанным охлаждением.

В турбогенераторах с воздушным  охлаждением потери на трение вращающегося ротора о воздух и вентиляционные потери составляют 25—35 % общих потерь. Быстрое увеличение потерь на трение с увеличением размеров бочки ротора (пропорционально диаметру ротора в четвертой степени) является одним из основным факторов, ограничивающих рост единичной мощности турбогенераторов с воздушным охлаждением. Использование в качестве охлаждающей среды водорода позволяет снизить указанные выше потери почти в 10 раз и повысить КПД генератора на 0,6—1,2%. Мощность машины при переводе ее с воздушного на водородное охлаждение можно увеличить примерно на 20 % при сохранении главных размеров. Косвенное водородное охлаждение целесообразно применять для турбогенераторов мощностью 30—100 МВт. Наибольшая реализованная мощность генератора с косвенным водородным охлаждением составляет 150 МВт. Для машин мощностью ниже 30 МВт затраты на специальное оборудование не оправдываются преимуществами водородного охлаждения.

В турбогенераторах с водородным охлаждением  стандартом предусматривается обязательное избыточное давление в корпусе не менее 0,5×10⁵ Па. Чистота водорода у турбогенераторов с косвенным охлаждением должна быть не ниже 97%, у турбогенераторов с непосредственным охлаждением – не ниже 98%. Утечка водорода за сутки из корпуса при номинальном давлении в нем должна быть не более 7–12 м³ для турбогенераторов мощностью 30 – 800 МВт и 18 м³ для турбогенераторов мощностью свыше 800 МВт. Так же при водородном охлаждении отсутствуют загрязнения машины, и становится возможным применение роторных обмоток с неизолированными лобовыми частями, что недопустимо для турбогенераторов с воздушным охлаждением.

Наряду с перечисленными преимуществами система водородного охлаждения обладает и существенными недостатками, прежде всего из-за взрывоопасной смеси водорода и воздуха. Наибольшего значения (около 0,6 МПа) давление внутри корпуса генератора достигает при взрыве гремучей смеси, состоящей из 28 % водорода и 72 % воздуха. Взрывобезопасность турбогенератора с водородным охлаждением обеспечивается следующими мерами:

-внутри корпуса поддерживается давление водорода, превышающее атмосферное, что предотвращает попадание воздуха внутрь машины;

-корпус статора рассчитывают на испытательное давление до 1 МПа, чтобы взрыв при самых неблагоприятных условиях не повредил машины.

Это приводит к почти двойному увеличению массы корпуса и наружных щитов турбогенератора с водородным охлаждением по сравнению с турбогенератором, охлаждаемым воздухом. Образование гремучей смеси в генераторе может быть лишь в процессе заполнения его водородом. Чтобы это предотвратить, применяют промежуточное заполнение машины углекислым газом. Так как статор выполняют взрывостойким и газоплотным, то практически без конструктивных изменений можно применять водород с повышенным давлением. При этом его плотность увеличивается и, следовательно, возрастает объемная теплоемкость. Коэффициент теплоотдачи с поверхности также возрастает, но несколько слабее, чем по линейной зависимости. Избыточное давление водорода в турбогенераторах различных типов составляет 0,05—0,5 МПа. При больших давлениях потери от трения вращающегося ротора о газ возрастают быстрее, чем убывают потери на подачу водорода. В генераторах серий ТВ и ТВ2 избыточное давление составляет 0,005—0,1 МПа.

Первая серия турбогенераторов с водородным охлаждением (ТВ) была спроектирована на базе машин серии Т2 и включала в себя генераторы мощностью 25, 30, 50, 60 и 100 МВт. Затем был осуществлен выпуск турбогенераторов серии ТВ2 мощностью 30, 60, 100 и 150 МВт. Давление водорода в генераторах этой серии было повышено в дальнейшем до 0,1 МПа. Все генераторы с водородным охлаждением имеют газоохладители, встроенные в корпус машины. Установка газоохладителей вне машины неприемлема с конструктивной точки зрения, так как в этом случае пришлось бы выполнять взрывобезопасными и стенки всех газоподводящих каналов.

 

2. Электромагнитный расчет турбогенератора

2.1.  Выбор основных размеров

Полная номинальная мощность турбогенератора, МВ×А

 

 

S_Н=Р_Н/cosj_Н ,                                                                 (1)

 

 

где Р_Н – номинальная активная мощность генератора, МВт;

cosj_Н – номинальный коэффициент мощности;

 

 

S_Н=40/0,8=50 МВ×А.

 

 

Предварительно определяется внутренний диаметр статора 

 

 

D_1П = 1 м.

 

 

Для заданного типа охлаждения обмоток  и номинальной полной мощности выбираются ориентировочные значения линейной нагрузки А и магнитной индукции при холостом ходе В_d

 

 

А= 7,2×10⁴ А/м;

В_d = 0,78 Тл.

 

 

Предварительно вычисляется отношение  короткого замыкания

 

 

ОКЗ=k_НО/х_d*,                                                          (2)

 

 

где k_НО – коэффициент насыщения магнитной цепи от потока холостого хода, k_НО=1,15;

     х_d* – синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси;

 

 

ОКЗ=1,15/1,9 = 0,605.

 

 

Вычисляется немагнитный зазор  между статором и ротором (предварительно), м

 

,                                               (3)

м.

 

 

Предварительный  диаметр бочки  ротора D_2П, м

 

 

D_2П=D_1П – 2×d,                                                          (4)

D_2П=1 – 2×0,039 = 0,920 м.

 

 

Окончательный диаметр бочки ротора D₂ выбирается из нормализованного ряда и принимается

 

 

D₂=0,93 м.

 

 

Окончательное значение внутреннего  диаметра статора D₁, м

 

 

D₁=D₂ + 2×d,                                                             (5)

D₁= 0,93 + 2×0,039 = 1,01 м.

 

 

Длина магнитопровода (сердечника) статора (предварительно), м

 

 

,                                                  (6)

 

где k₀₁ – обмоточный коэффициент (принимается k₀₁=0,92, т.к. применяются стержневые обмотки);

      W – угловая скорость, рад/с,

 

 

W=2×p×п_Н /60,                                                         (7)

W = 2×3,14×3000/60 = 314,159 рад/с;

 

 

п_Н – номинальная частота вращения, об/мин;

 

 

 м.

 

 

Длина бочки принимается на 150 мм больше длины сердечника статора. Это  делается для уменьшения магнитного насыщения ротора.

Длина бочки ротора (предварительно) l_2П, м

 

 

l_2П=l_1П+ 0,15,                                                           (8)

l_2П = 2,72 + 0,15 = 2,87 м.

 

 

На экономические показатели машины и её параметры влияет выбранное  отношение длины к диаметру как статора, так и ротора

 

 

l₁=l_1П/D₁

l₁=2,72/1,01=2,69

l₂=l_2П/D_2,                                                                                      (9)

l₂=2,87/0,93 =3,09.

 

 

Вычисленное отношение  l находится в допустимых пределах.

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Выбор размеров статора

Статор состоит из сердечника и  обмотки. Обмотка статора в турбогенераторах обычно трехфазная и соединена в звезду.

Номинальное фазное напряжение,  В,  при соединении обмотки в звезду

 

 

,                                                         (10)

 

 

где U_1Н – номинальное линейное напряжение, В;

 

 

 В.

 

 

Номинальный фазный ток, А

 

 

,                                                    (11)

 

 

где  m – число фаз обмотки статора турбогенератора (равно трем);

 

 

А.

 

 

Число параллельных ветвей a принимается a=1.

В проектируемом турбогенераторе мощностью 40 МВт применяется стержневая петлевая двухслойная обмотка. В стержневой петлевой двухслойной обмотке число эффективных проводников в пазу u_П1=2.

 

Объем тока в пазу статора, А

 

 

,                                                 (12)

А.

 

 

Предварительно пазовое деление статора, м

 

,                                                              (13)

м.

 

 

Предварительное число пазов (зубцов) статора

 

 

,                                                            (14)

 

 

Число пазов в симметричной обмотке принимается Z₁=42. Тогда число пазов на полюс и фазу

 

q₁=Z₁/(2×р×m),                                                        (15)

q₁=42/(2×1×3)=7.

 

 

После этого уточняется пазовое деление статора, м

 

 

,                                                             (16)

м.

 

 

Отношение немагнитного зазора к пазовому делению

 

 

d/t₁ = 0,039/0,076=0,51 > 0,5.                                            (17)

 

 

Число последовательно соединенных  витков фазы статора

 

 

w₁=р×q₁× u_П1/а,                                                        (18)

w₁ =1×7×2/1=14.

 

 

Полюсное деление, выраженное в пазовых делениях

 

t =Z₁/(2×р),                                                          (19)

t =42/(2×1)=21.

 

 

Шаг обмотки (расстояние между началом  и концом одной секции) выполняется  укороченный, т.е. y< t. Укорочение шага позволяет уменьшить в кривой ЭДС амплитуды пятой и седьмой гармоник. Принимается укорочение шага b = 0,83,  тогда шаг обмотки по пазам

 

y =b×t =0,83×21 = 17,43.                                                 (20)

 

 

Полученное значение шага y округляется до ближайшего целого числа y=17 и определяется действительное значение укорочения шага

 

 

b = y/t ,                                                           (21)

b = 17/21=0,81.

 

 

Обмотка статора изображена на рисунке 1.

Коэффициент укорочения обмотки

 

 

,                                                   (22)

.

 

 

Коэффициент распределения обмотки

 

 

,                                                    (23)

.

 

 

Обмоточный коэффициент статора

 

 

k₀₁=k_y1×k_р1,                                                         (24)

k₀₁=0,956×0,956=0,914. 

 

 

Рисунок 1 – Схема обмотки статора

 

 

 

Уточняется линейная нагрузка генератора, А/м

 

 

,                                                   (25)

А/м.

 

 

Полученное значение линейной нагрузки близко к ранее выбранному (п. 2.1).

Магнитный поток основной гармонической при холостом ходе, Вб

 

 

,                                                    (26)

Вб.

 

 

Уточняется предварительная длина сердечника статора l_1П,  м

 

 

l_1П=Ф/(D₁×В_d),                                                            (27)

l_1П=2,13/(1,01×0,78)=2,704 м.

 

 

Принимаем l_1П =2,7 м ,что близко к полученному ранее.

 

Сердечник статора по длине разбивается  на отдельные пакеты, разделенные между собой вентиляционными каналами. Длина вентиляционных каналов и пакетов стали принимается l_ПАК = 40 мм, а радиальные вентиляционные каналы между ними – длиной b_К  =10 мм.

Число пакетов в сердечнике статора

 

 

n_П  =l_1П / (l_ПАК+b_К),                                                   (28)

n_П  =2,7/(0,04+0,01)=54.

 

 

Число n_П  округляется до ближайшего целого, т.е.  n_П  =54.

 

 

l_C =(n_П –2)× l_ПАК+2× l_ПАК.КР,                                            (29)

 

 

где длина крайних пакетов l_ПАК.КР=25 мм;

 

l_C=(54 –2)×0,04+2× 0,025=2,13 м.

 

 

Полная длина сердечника статора  с учетом вентиляционных каналов, м

 

 

l₁=l_С+b_К×(n_П –1),                                                    (30)

l₁=2,13+0,01×(54 –1)=2,66 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Зубцовая зона статора

Для сердечника статора применяется  горячекатаная сталь марки 1513. Сердечник  статора изготавливают из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм.

Магнитная индукция в коронке зубца статора при холостом ходе, Тл

 

 

B_Z1=1,7 Тл.

 

 

Предварительное значение ширины коронки зубца,  м

 

 

,                                               (31)

 

 

где k_С – коэффициент заполнения сердечника сталью, k_С =0,93;

 

 

м.

 

 

Предварительная ширина паза статора, м

 

 

b¢_П1=t₁ –b¢_Z1,                                                        (32)

b¢_П1=0,076 – 0,047 = 0,029 м.

 

 

Общий размер толщины изоляции в  пазу по ширине паза с учетом прокладок  и зазора на укладку для напряжения 10,5кВ

 

 

d_Ш=10,2 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4. Определение размеров паза обмотки статора

Стержень обмотки состоит из отдельных элементарных проводников, образующих по условиям транспозиции два одинаковых вертикальных ряда или столбца.

Предварительная ширина изолированного элементарного проводника, м

 

 

b¢_И=(b¢_П1 –d_Ш)/2,                                                      (33)

b¢_И=(0,029 –0,0102)/2 = 9,4×10^-3 м.

 

 

Ширина голого элементарного проводника (предварительно), м

 

 

b¢_Э=b¢_И –d_Э,                                                             (34)

 

 

где d_Э –двусторонняя толщина изоляции проводника по ширине, d_Э = 0,27мм;

 

 

b¢_Э=0,0094 – 0,00027=0,00913 = 9,13×10^-3 м.

 

 

Определенное значение ширины элементарного проводника округляется  до ближайшего стандартного значения,  т.о. b_Э=0,009 м.

Затем уточняется ширина паза статора, м

 

 

b_П1=2× ( b_Э+d_Э)+d_Ш ,                                                 (35)

b_П1=2× ( 0,009+0,00033)+0,0102=0,029м ,

 

 

Ширина зубца статора, м

 

 

b_Z1=t₁ – b_П1,                                                        (36)

b_Z1=0,076 – 0,029 = 0,0465 м.

 

 

Уточняется индукция в зубце статора, Тл

 

 

,                                              (37)

Тл.

 

 

Полученное значение индукции находится  в рекомендуемых пределах.

Высота элементарного проводника, и его площадь сечения

 

 

а_Э = 2,24 мм;

s_Э=19,8мм².

 

 

Плотность тока в стержне обмотки  статора,  А/м²

 

 

  ,                                                 (38)

 

 

где q_И =45 °С – допустимый перепад температур в пазовой изоляции;

g_q=4,6×10⁷ 1/(Ом×м) – удельная электропроводность меди при расчетной температуре 75 °С;

l_И – удельная теплопроводность термореактивной изоляции l_И=0,2 Вт/(м×град);

k_Ф – коэффициент вытеснения тока (коэффициент Фильда) k_Ф =1,2;

b_М1 – суммарный размер элементарных проводников без изоляции по ширине паза, м,  т.к. стержень из двух столбцов, то

 

 

b_М1 =2×b_Э ,                                                          (39)

b_М1 =2×0,009 = 0,018 м;

 

А/м

 

 

Полученное значение плотности  тока входит в рекомендуемые пределы (3¸4,2)×10⁶ А/м².

Площадь сечения стержня (предварительно), м²

 

 

,                                                                (40)

м².

 

 

Число элементарных проводников в  стержне

 

 

m_Э =s¢₁/ s_Э,                                                         (41)

m_Э =8,795×10^-4/19,8×10^-6 = 44,44.

 

 

Полученное значение m_Э округляют до ближайшего целого четного числа,               т.е. m_Э =44.

После этого уточняются сечение стержня, м², плотность тока, А/м², и коэффициент k_ф

 

 

s₁ = s_Э×m _Э ,                                                          (42)

s₁ =19,8×10^-6×44 = 8,712×10^-4 м²,

D ₁=I_1НФ/( а×s₁),                                                        (43)

D ₁=2337/(1×8,712×10^-4)=3,16×10⁶ А/м²,

k_ф = 1 + 10,7(b_М1 ×m _Э / b_П1)²а_Э⁴×10⁶ ,                                    (44)

k_ф =1+10,7(0,018×44/0,029)²×(2,24×10^-3)⁴×10⁶ = 1,2.

 

 

Стержни в пазу крепятся с помощью клина. Высота клина h_КЛ1 выбирается в зависимости от ширины паза, м

 

 

h_КЛ1  = 0,7× b_П1 ,                                                      (45)

h_КЛ1  = 0,7×0,029 = 0,0203 м.

 

 

Высота всех изолированных элементарных проводников одного стержня, м

 

 

h_И = а_И ×( m_ЭВ+1) ,                                                  (46)

 

 

где m_ЭВ –число элементарных проводников по высоте одного стержня

 

 

m_ЭВ =m_Э/2,

m_ЭВ =44/2 = 22;

а_И =а_Э+d_Э

 

 

где d_Э =0,45 мм– двусторонняя толщина изоляции проводника по высоте,

 

 

а_И =2,24 + 0,45 = 2,69 мм,

h_И =2,69×10^-3 · (22+1) = 0,06187 м.

 

 

Высота паза статора при двух одинаковых стержнях, размещенных в пазу, м

 

h_П1=2× h_И+d _h+2× 0,02×10^-3× m_ЭВ+ h_КЛ1,                                      (47)

 

 

где d _h – общий размер толщины изоляции в пазу по высоте паза с учетом прокладок и зазора на укладку  d _h =0,0291 м;

 

 

h_П1=2× 0,06187+0,0291+2× 0,02 10^-3×22+0,02 = 0,186 м.

 

 

Далее, проверяются отношения высоты паза к его ширине

 

 

h_П1/ b_П1,                                                           (48)

0,186/0,029=6,41

 

 

Отношение высоты паза к его диаметру

 

 

h_П1/D₁ ,                                                            (49)

0,186/1,01 = 0,18.

 

 

Данные отношения находятся  в допустимых пределах.

Сечение паза статора изображено на рисунке 2. Спецификация паза приведена  в таблице 1.

 

 

Таблица 1 – Спецификация паза статора

 

Поз.	Наименование	Размер, мм
		по ширине	по высоте
1	Прокладка на дно паза	--	1
2	Прокладка между полустержнями	0,5	--
3	Изоляция корпуса	8	8
4	Полупроводящее покрытие	1	1
5	Проводник изолированный	2´9,33	44´2,69
6	Прокладка между стержнями	--	5
7	Прокладка под клин	--	1
8	Клин	--	16

 

 

 

Рисунок 2 – Паз статора

2.5. Ярмо и внешний диаметр статора

По рекомендациям принимается  индукции в ярме статора при холостом ходе В_а1 ,  Тл

 

 

В_а1 = 1,4 Тл.

 

 

Высота ярма статора, м

 

 

,                                                   (50)

м.

 

 

Внешний диаметр сердечника статора, м

 

 

D_а=D₁+2×(h_а1+ h_П1)                                                  (51)

D_а=1,01+2×(0,371+ 0,186)=2,124 м.

 

 

Полученное значение внешнего диаметра необходимо округлить до второго  знака после запятой (т.е. до целых  сантиметров), т.о. D_а=2,12 м.

Уточняется высота ярма статора, м

 

 

,                                                (52)

м.

 

 

Проверяется отношение

 

 

D_а/D₁=2,12/1,01 = 2,099                                                (53)

 

 

Полученное значение отношения находится в допустимых пределах (D_а/D₁=2-2,1).

 

 

 

 

2.6. Параметры обмотки статора

Под параметрами обмотки статора  понимают активное и индуктивные  сопротивления фазы обмотки. Длина витка обмотки статора, м

 

 

l_В1=2× ( l₁+ l_1Л) ,                                                      (54)

 

 

где l_1Л »2,5×D₁ – длина лобовых частей обмотки статора

 

 

l_1Л » 2,5×1,01 = 2,525 м;

l_В1=2× ( 2,66+2,525) =10,37 м.

 

 

Активное сопротивление  фазы обмотки статора, Ом, при расчетной  температуре 75°С

 

 

,                                                (55)

 Ом,

 

 

в относительных единицах (о.е.)

 

 

,                                                 (56)

.

 

 

Индуктивное сопротивление пазового рассеяния в относительных единицах с учетом рассеяния по коронкам зубцов, (о.е.)

,         (57)

 

 

где l_s1=l₁–0,2×b_К×n_К – расчётная длина пазового рассеяния с учётом вентиляционных каналов (n_К=n_П –1  – число вентиляционных каналов сердечника статора);

 

h₁₁=2×h_и+d_ct.h+d_np

h₄ =h_кл1+d_ct.h/2+d_np.k

 

d_ct.h – двухсторонняя толщина изоляции стержня по высоте (d_np =10,8 мм);

d_np – толщина прокладки между стержнями (d_np =5 мм);

d_np.k – толщина прокладки под клин (d_np.k =1 мм);