Проектирование турбогенератора

ГЛАВА ПЕРВАЯ

Выбор основных размеров

и обмоточных данных турбогенератора

1.1. Основные размеры и электромагнитные  нагрузки

В задании на проектирование турбогенератора задаются номинальная активная мощность P_н, номинальное линейное напряжение U_нл, номинальный коэффициент мощности cosj_н, частота вращения n₁ (об/мин), частота f, перегрузочная способность S, способ охлаждения и давление охлаждающего газа. Последнее следует принимать для водородного охлаждения равным 2 атм., если иное не оговорено в задании.

Как правило, в турбогенераторах применяется соединение трехфазной обмотки статора по схеме “звезда”. При расчете синхронных машин удобнее пользоваться фазными величинами напряжений и токов.

Номинальное фазное напряжение для схемы соединения “звезда”, кВ,

Номинальный ток, А,

где P_н, в кВт.

Рассчитывается также полная номинальная  мощность, кВА

и число пар полюсов турбогенератора

Угловая частота вращения, рад/с,

Основными размерами турбогенератора  являются диаметр расточки статора D₁ , м и длина статора l₁, м (рис.1.1).

Основные размеры турбогенератора  зависят от его полной мощности, угловой частоты вращения и электромагнитных нагрузок. Под электромагнитными нагрузками понимают максимальную индукцию магнитного поля в зазоре B_δ, Тл, и линейную нагрузку статора A₁, А/м.

Выбор главных размеров целесообразно начать с выбора диаметра расточки статора D₁, используя для этого кривые, приведенные на рис.1.2.

Кривые на рис.1.2 построены для  турбогенераторов, в которых на статоре  применяется стеклослюдинитовая изоляция с термореактивным связующими. При использовании микалентной компаундированной изоляции и косвенном охлаждении обмотки статора диаметр необходимо увеличить на 8-9 %. При непосредственном водяном охлаждении этого делать не следует, так как в этом случае главные размеры слабо зависят от применяемой изоляции.

После выбора D₁ формулу (1.6) можно представить в виде

Рис. 1.1. Главные размеры  турбогенератора

Для определения l₁  необходимо на стадии выбора главных размеров определить или задать все остальные величины, входящие в первую часть выражения (1.7).

Электромагнитная (расчетная) мощность турбогенератора, кВт

где E_δ - э.д.с. обмотки якоря от результирующего поля в зазоре при номинальном режиме работы (фазное значение), кВ;  U_н, I_н, Р_н – номинальные напряжение, ток (фазные величины) и мощность.

Предварительное значение коэффициента k_E определяется из таблицы 1.1.

Табл. 1.1 Зависимость коэффициента э.д.с. k_E от номинальной мощности и cosφ.

Коэффициент полюсного перекрытия α_δ и коэффициент формы поля k_B при чисто синусоидальном распределении поля возбуждения, что обычно выполняется с достаточной точностью в турбогенераторах, имеют значения:

Если число пазов  на полюс и фазу q₁ достаточно велико, обмоточный коэффициент обмотки статора k_об зависит в основном от шага обмотки. Относительный шаг обмотки синхронных генераторов нужно стремиться выбирать равным 0,83. Для стержневых обмоток можно принять

которому соответствует  предварительное значение обмоточного  коэффициента

Исключение составляют катушечные обмотки, иногда применяемые в маломощных турбогенераторах, в которых

Сильное укорочение шага обусловлено здесь необходимостью вводить целую секцию в расточку статора. В этом случае

Рис. 1.4. Зависимоть линейной индукции от внутреннего диаметра статора  и системы охлаждения турбогенератора  для микалентной компаундированной изоляции (обозначения соответствуют рис. 1.2.)

Наиболее ответственным  моментом при определении главных  размеров является выбор электромагнитных нагрузок A₁ и B_δ. Для уменьшения объема активного ядра машины естественно стремление увеличить электромагнитные нагрузки, тем более, что все остальные величины, входящие в выражения (1.6) и (1.7), или однозначно определяются заданием, или изменяются в узких пределах. Необходимо, однако, учитывать, что как линейная нагрузка, так и максимальная магнитная индукция в зазоре всегда ограничены сверху тепловым фактором. При одной и той же системе охлаждения линейная нагрузка растет с увеличением диаметра расточки. Для выбора величины A₁ можно воспользоваться семейством кривых на рис.1.4, которые построены на основе опыта проектирования оптимально использованных и хорошо работающих турбогенераторов с микалентной компаундированной изоляцией. При использовании современных типов изоляции типа “Слюдотерм” или “Монолит-2” (класс нагревостойкости F) линейные нагрузки при косвенном охлаждении обмотки статора могут быть увеличены примерно в 1,3 раза.

Максимальная индукция магнитного поля в зазоре B_δ ограничена сверху допустимым насыщением магнитной цепи. Попытка чрезмерно увеличить B_δ  с целью уменьшения l₁ и удешевления турбогенератора приводит к насыщению зубцов статора и ротора, увеличению Н.С. возбуждения, возрастанию потерь на возбуждение и магнитных потерь. Предварительный выбор B_δ на стадии определения главных размеров турбогенератора при любых марках активной стали можно осуществить на основании рис.1.5.

Рис. 1.5. Зависимость максимальной индукции магнитного

 поля в зазоре  от внутреннего диаметра статора

После расчета l₁ следует определить число и размеры пакетов стали статора и радиальных вентиляционных каналов, а также действительную длину статора l_δ , которая может несколько отличаться от расчетной длины l₁ .

Ширина пакетов и  каналов зависит от системы охлаждения обмотки статора. При косвенном охлаждении через боковые поверхности пакетов отводятся на только магнитные потери статора, но и часть электрических потерь в обмотке. Поэтому ширину пакетов  b_п в этом случае выбирать  меньшую, а число – большим. Ширина пакетов при косвенном охлаждении может выбираться в пределах 0,03 – 0,05 м (большие величины для водородного охлаждения). Ширина вентиляционных каналов b_к = 0,01 м.

При непосредственном охлаждении потери в обмотке и частично магнитные  потери статора отводятся водой, поэтому ширина пакета может выбираться в пределах 0,05 – 0.075 м, а ширина вентиляционных каналов 0,005 м.

Число вентиляционных каналов  статора (округляется до ближайшего целого числа)

Число пакетов статора

Действительная длина  статора

1.2. Проектирование обмотки  статора

Спроектировать обмотку  статора – это значит определить:

• число пазов Z₁;
• число пазов на полюс и фазу  q₁;
• число параллельных ветвей a₁;
• шаг обмотки по пазам y₁;
• число последовательно соединенных витков фазы w₁;

• число  элементарных (параллельных) проводников в одном эффективном, n_эл ;

• размеры и изоляцию элементарных проводников;
• форму и размеры пазов.

Чаще всего в турбогенераторах применяются двухслойные стержневые обмотки с числом катушечных групп на фазу, равным числу полюсов, с двумя эффективными проводниками на паз u_п1 = 2 , с пазами прямоугольной формы и лобовыми частями корзиночного типа. Однако, приводимые ниже расчетные формулы и таблицы применимы также для однослойных стержневых обмоток, иногда используемых в маломощных турбогенераторах для увеличения числа пазов.

Предварительное значение магнитного потока в воздушном зазоре, Вб,

где – полюсное деление статора, м.

Число последовательно  соединенных витков фазы обмотки  статора

необходимо округлить  до ближайшего целого числа.

Число последовательных витков стержневой обмотки с одновитковыми катушками должно удовлетворять равенству

Вариант обмотки может  быть выбран по величине w₁ из таблицы 1.2.

Табл. 1.2 Варианты статорных обмоток турбогенераторов

Примечания:

1. Таблица составлена для обмоток с одновитковыми катушками; 2р = 2; m₁ = 3.
2. Цифры в скобках соответствуют однослойным обмоткам.

Выбранный вариант должен удовлетворять ограничениям по зубцовому шагу статора t₁ и полному току паза I_п1. Эти ограничения назначаются из условия ограничения перепада температуры в пазовой изоляции (при косвенном охлаждении) и по технологическим факторам.

Зубцовый шаг статора, м

рекомендуется в пределах

– при косвенном охлаждении,

– при непосредственном охлаждении.

Полный пазовый ток, А

рекомендуется в пределах

– при косвенном охлаждении,

- при непосредственном охлаждении.

Рис. 1.6. Магнитная система турбогенератора

Если условия (1.15) или (1.16) не выполняются, то нужно выбирать обмотку с большим числом параллельных ветвей, изменяя при необходимости число витков в фазе в большую сторону. После этого необходимо уточнить величины магнитного потока и индукции в зазоре, выразив их из формул (1.13) и (1.12).

После выбора обмотки  можно приступить к проектированию паза статора. В турбогенераторах, как крупных электрических машинах, применяются для статорных обмоток медные проводники прямоугольного сечения и, следовательно, пазы прямоугольной формы (рис.1.6).  Поскольку на данном этапе зубцовый шаг статора определен, то необходимо выбрать соотношение b_п1/t₁ . От этого соотношения зависят многие технико-экономические показатели турбогенератора. Вопрос об оптимальном соотношение b_п1/t₁  при различных номинальных напряжениях подробно рассмотрен в работе [8]. Здесь мы воспользуемся основными результатами проведенного анализа, в соответствии с которым (b_п1/t₁)_опт = 0,5 для любого способа охлаждения. Практически же рекомендуется принимать ширину паза, м

что обеспечивает высокое  использование и хорошие технологические показатели.

Ширина зубца в узком  месте, м

Полученная ширина зубца  в узком месте должна удовлетворять  ограничению

где – индукция магнитного поля в коронке зубца статора, Тл

– для большинства современных электротехнических сталей;

– длина чистой стали по оси статора, м;

 – коэффициент заполнения  сталью пакетов статора.

Второй основной величиной, выбираемой при проектировании паза, является плотность тока в обмотке статора j₁ , которая определяет сечение стержня обмотки, удельные электрические потери в меди статора и величину перегрева обмотки статора.

Плотность тока в обмотке  статора сильно зависит от типа и  толщины пазовой изоляции. Поэтому вначале необходимо выбрать изоляцию паза по рис.1.7.- 1.9. и таблицам 1.3., 1.4.

Таблица 1.3 Размеры изоляции на основе микаленты в пазовой части стержневых обмоток (рис.1.7, 1.8). Класс изоляции B. Провод марки ПСД или ПДА.

После выбора общей двухсторонней толщины изоляции по ширине паза 2 _из можно определить предварительную ширину проводника обмотки статора, учитывая, что по условию транспозиции по ширине паза всегда укладывается 2 элементарных проводника:

Плотность тока j₁ для изоляции на термореактивных связующих и при токе паза предварительно можно определить по семейству кривых рис.1.10, а для по рис.1.11.

Плотности тока при  следует считать минимальными. Для уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора, экономии меди и изоляции плотность тока может приниматься на 10-40% большей.

Длина витка обмотки  статора, м

где l_лоб – длина лобовой части полувитка, на данном этапе проектирования

Таблица 1.4Размеры  изоляции на основе стеклослюдината с термореактивным связующим (рис.1.9). Класс изоляции F.

Рис. 1.10. Плотность тока в обмотке статора турбогенератора  для изоляции на термореактивных  связующих

    После выбора плотности тока может быть определено предварительное сечение эффективного проводника обмотки статора

состоящего из n_эл элементарных проводников одинакового сечения S_c.

Эффективный проводник  подразделяется на отдельные изолированные проводники для уменьшения добавочных электрических потерь. Число n_эл может достигать 50 и более. В случае стержневой обмотки стержень, как правило, выполняется с транспозицией в пазовой части на 360 или 540°. В катушечных обмотках применяются другие виды транспозиции. В транспонированном стержне отсутствуют добавочные потери от неравномерного распределения тока между элементарными проводниками (то есть добавочные потери 1-го рода). Остаются только добавочные потери, обусловленные вихревыми токами в пределах одного элементарного проводника, которые сильно увеличиваются с ростом размера элементарного проводника a_м1 по высоте паза.

Рис. 1.11. Плотности тока обмотки статора турбогенератора  при больших объемах тока в  пазу

При выборе размеров элементарного  проводника обмотки статора следует  руководствоваться следующими соображениями:

• предварительная ширина неизолированного проводника рассчитывается по формуле (1.20), размеры голого проводника меньше на двухстороннюю толщину изоляции (таблица 1.5);
• высота элементарного проводника для ограничения добавочных потерь выбирается  в пределах a_м1 = 1,45 - 3,03 мм, сечение сплошного проводника S_c = 10-16 мм²;
• число элементарных проводников в одном эффективном

      должно быть четным.

Удовлетворяющий перечисленным  условиям стандартный проводник выбирают из таблицы 1.5.

Таблица 1.5 Размеры и  площади поперечного сечения  проводов прямоугольного сечения с изоляцией марки ПСД (двусторонняя толщина изоляции 0,3 мм)

При непосредственном водяном  охлаждении обмотки статора применяют  полные элементарные проводники в виде прямоугольных трубок с каналами прямоугольного сечения. Высота канала лежит в пределах  1,5 - 2 мм (уменьшение этой высоты привело бы к резкому увеличению их гидравлического сопротивления), поэтому полый элементарный проводник относительно высокий. С целью уменьшения добавочных потерь полыми, как правило, выполняются не все элементарные про водники – 1/3 или половина.

Номенклатура полых  проводников приведена в таблице 1.6.