Файл: Стеклов, М. Л. Горизонтальные гидравлические турбины. Конструкция и расчет.pdf

С целью успокоения колебаний при переходных режимах й улучшения условий входа в синхронном режиме все современные гидрогенераторы снабжаются демпферными обмотками.

Присоединение вращающихся обмоток ротора к внешней цепи осуществляется через контактные кольца и находящиеся с ними

вконтакте электротехнические щетки.

Вгидрогенераторах часть мощности (до 2—5% от номинальной) теряется внутри генератора и превращается в тепло, которое на­ гревает генератор. Для того чтобы температура нагретых актив­ ных частей генератора не достигала опасных для изоляции зна­ чений, требуется охлаждение генератора. Обычно генератор охла­ ждается потоком воздуха, омывающим нагретые части машины при ее вращении. Некоторые крупные гидрогенераторы нужда­ ются в интенсивном принудительном охлаждении, осуществляе­ мом встроенным (совмещенным с ротором) или независимым вентилятором, имеющим свой привод.

Принудительное охлаждение может выполняться по разомкну­

той или замкнутой схеме. В крупных гидрогенераторах приме­ няют замкнутую схему, при которой в генераторе циркулирует один и тот же постоянный объем воздуха, нагреваемый в машине и охлаждаемый в воздухоохладителях.

Различают два вида охлаждения: поверхностное и непосред­

ственное.

При необходимости уменьшить габариты генератора приме­ няют форсированное охлаждение. Форсировка заключается в уве­ личении теплоотдачи от активных частей повышением плотности охлаждающей среды (увеличение давления воздуха, применение воды для охлаждения и др.) и значительным увеличением пло­

щади охлаждаемой поверхности.

При переходе к форсированному охлаждению вес генератора при той же мощности может быть снижен в 1,5— 1,8 раза, что дает большую экономию активных и конструкционных материалов.

Размеры генератора определяются электромагнитным расчетом. Определяющими размерами генератора являются диаметр рас­ точки статора и длина активной стали; при заданной мощности они зависят от принятого способа охлаждения и качества изоли­ рующих материалов. Уменьшение диаметра расточки статора может быть достигнуто увеличением длины активной стали.

Конструкция и размеры гидрогенератора в значительной мере определяются характеристикой его привода — гидротурбины.

Синхронные генераторы используются как источники пере­ менного тока постоянной частоты, что возможно только при неиз­ менной скорости вращения ротора. Постоянство скорости враще­ ния агрегата поддерживается регулятором скорости. При этом маховой момент ротора гидрогенератора определяется при расчете

гарантий регулирования.

Гидрогенераторы с горизонтальным валом широко применя­ лись в СССР и за рубежом, и только с ростом единичной мощности

5i

гидроагрегатов они все реже и реже находят себе применение. Ранее к горизонтальным гидрогенераторам предъявлялись те же требования, что и к вертикальным. Например, активные части прямоточного агрегата Ортачальской ГЭС и полупрямоточного Камской ГЭС проектировались по принципу вертикальных. Лишь с созданием капсульных агрегатов изменились требования к их гидрогенераторам.

Гидрогенератор прямоточного агрегата

Конструкция и компоновка горизонтального гидрогенератора прямоточного агрегата значительно отличаются не только от вер­ тикальных, но и от других типов горизонтальных генераторов.

Рис. III. 1. Установка гидрогенератора прямоточного гидроагрегата:

У — статор; 2 — ротор; 3 — наружный воздухоразделяющий щит; 4 — воздухоохлади­ тель; 5 — фундаментная плита; 6 — внутренний воздухоразделяющий щиг

Основной его особенностью является расположение ротора гене­ ратора на лопастях рабочего колеса турбины с помощью соеди­ ненного с ними специального обода.

Насадка ротора генератора на обод рабочего колеса осуще­ ствляется с натягом, величина которого выбирается с учетом влия-

52

Ния нагрева и центробежных сил ротора генератора. Самый круп­ ный в мире прямоточный гидрогенератор был выполнен в 1953 г. в Советском Союзе заводом Уралэлектроаппарат (ныне Уралэлектротяжмаш) для Ортачальской ГЭС (рис. III. 1 и II 1.2).

Генератор состоит из статора, ротора, двух щитов и четырех воздухоохладителей.

Статор генератора закреплен на двух плитах, установленных в бетоне пола шахты. Статор состоит из корпуса, сердечника с обмоткой и двух воздухоразделяющих щитов. Корпус — свар­ ной, выполнен из двух частей — верхней и нижней, соединенных между собой болтами. Сердечник выполнен из электротехнической стали, набранной из листов толщиной 0,5 мм. Обмотка сердеч­ ника — стержневая, однослойная. Сварные воздухоразделяющие щиты обеспечивают замкнутую циркуляцию воздуха, прогоняе­ мого внутри генератора вентиляционными крыльями, приварен­ ными с двух сторон к ободу ротора.

Ротор генератора насаживается с горячей посадкой на обод рабочего колеса гидротурбины. На ободе закреплены 48 полюсов с токопроводом, обмотками воздбуждения и контактными коль­ цами. Полюса, состоящие из сердечника с обмоткой, закрепляются на ободе при помощи клиньев, пружин и болтов. На каждом по­ люсе с двух сторон приварены вентиляционные крылья, обеспе­ чивающие воздушную вентиляцию для отвода образующегося в генераторе тепла.

На ободе ротора генератора на специальных кронштейнах установлены два контактных кольца, от которых щетками от­ водится вырабатываемый генератором электрический ток.

На выходной стороне генератора (по потоку), на водосборнике турбины, установлены восемь пневматических тормозов, с по­ мощью которых ротор генератора тормозится при остановках агре­ гата.

Установленные в статоре четыре охладителя служат для охлаждения нагретого в генераторе воздуха. Воздух охлаждается проточной водой, проходящей по трубам, расположенным внутри охладителя.

Для ревизии и ремонта обмоток генератора и демонтажа ро­ тора агрегата предусмотрена возможность смещения статора вдоль оси агрегата в сторону нижнего бьефа на 1050 мм (для ремонта обмоток) и в сторону верхнего бьефа на 2140 мм (для выема ротора агрегата). Сдвиг статора вдоль оси агрегата произ­

53

водится краном при зазоре между плитами и опорной плоскостью статора 4—6 мм. Перед сдвигом статора щиты с одной стороны должны быть сняты.

Возбуждение генератора Ортачальской ГЭС—машинное, кос­ венное — от возбудителя, смонтированного с электродвигателем на общей раме.

Нби

Генератор маятника, питающий двигатель регулятора скорости, расположен в генераторном помещении на специальном крон­ штейне. Он приводится во вращение вертикальным валиком, соединенным с опорной цапфой рабочего колеса турбины при помощи конического редуктора. Этот вертикальный валик рас­ положен в колонне заднего статора (см. рис. 1.5).

54

Гидрогенератор полупрямоточного агрегата

Гидрогенератор полупрямоточного агрегата располагается в шахте внутри бычка обтекаемой формы. При такой компоновке агрегата диаметр расточки статора не зависит от размеров тур­ бины, однако для спрямления проточного тракта турбины и умень­ шения расстояния между осями агрегатов диаметр расточки ста­ тора стараются уменьшить, увеличивая длину активной стали. При уменьшении диаметра расточки статора необходимо учиты­ вать величину требуемого по условиям регулирования махового момента генератора.

Наиболее мощный генератор такого типа выполнен ленинград­ ским заводом «Электросила» для горизонтального полупрямо­ точного агрегата Камской ГЭС (рис. Ш.З).

Генератор состоит из статора, ротора, двух подшипников, подпятника, возбудителя, генератора маятника, двух воздухо­ разделяющих щитов и двенадцати воздухоохладителей.

Статор крепится на двух фундаментных плитах, залитых в бетон. Он включает в себя корпус и сердечник с обмоткой. Кор­ пус — сварной, выполнен из двух частей — верхней и нижней,

сердечника стержневая, однослойная.

Ротор генератора расположен внутри статора с зазором 16 мм. Он опирается на два подшипника, вкладыши которых снабжены баббитовой заливкой.

Ротор состоит из остова, 48 полюсов и токопровода. Остов ротора представляет собой ступицу, насаженную на вал, к кото­ рой приварены радиальные ребра и обод. Полюса, состоящие из сердечника и обмотки возбуждения, закрепляются на ободе ротора болтами. Обмотки возбуждения полюсов при помощи токопроводов соединены с контактными кольцами, установленными на валу генератора между ротором и подшипником. Передний подшипник со стороны верхнего бьефа изолирован от вихревых токов. Между подшипником, расположенным у фланца вала, и ротором установлен подпятник двустороннего действия. Диск подпятника закреплен на валу генератора, а корпус опирается на две верти­ кальные бетонные опоры.

Отвод образующегося в генераторе тепла осуществляется потоком воздуха, создаваемого вентиляторными крыльями, с двух

55

сторон обода ротора. Вентиляторные крылья и два установленных на статоре воздухоразделяющих щита образуют при вращении ротора замкнутую циркуляцию.

Рис. III.3. Гидрогенератор полупрямоточного агрегата:

1 — статор; 2 — воздухоразделяющие щиты; 3 — ротор; 4 — подшипники; 5 — возбуди* тель; 6 — генератор маятника; 7 — подпятник; 8 — воздухоохладители; 9 — фундамент­

ная плита

Возбуждение обмотки ротора — машинное, прямое. Ротор возбудителя закреплен на валу генератора. Статор возбудителя установлен на одной общей плите с подшипником генератора.

56

Рядом с возбудителем на валу генератора, у его торца, установлен генератор маятника. Статор генератора маятника выполнен как одно целое с крышкой корпуса возбудителя, на которой уста­ навливается маслоприемник турбины.

Воздухоразделяющие щиты выполнены сварными из 16 частей. В них предусмотрены окна, через которые осматривается состоя­ ние обмоток. При работе агрегата окна закрыты заглушками. Торможение агрегата в данном генераторе не предусмотрено, оно здесь производится разворотом лопастей рабочего колеса турбины на большие углы при неизменном положении лопаток направляющего аппарата.

Гидрогенератор капсульного агрегата

Характерной особенностью генератора этого типа является его расположение с турбиной в одной общей герметичной капсуле. Корпус статора генератора является частью капсулы, а его наруж­ ная поверхность — элементом проточного тракта турбины. Форма последнего зависит от наружного диаметра генератора, который должен быть минимально возможным.

Уменьшение диаметра капсульного генератора достигается применением форсированного охлаждения активных частей, высо­ кокачественных изолирующих материалов и увеличением длины активной стали.

Часть образовавшегося тепла (20—30%) в капсульных гене­ раторах с воздушным охлаждением отводится омывающим ге­ нератор потоком. Остальное тепло отводится принудительно форсированным охлаждением.

При форсированном воздушном охлаждении капсула гидро­ агрегата герметизируется и в ней поддерживается повышенное давление воздуха (в заграничной практике до трех атмосфер). Для этого в капсуле устанавливается мощный вентилятор, про­ гоняющий нагретый в генераторе воздух через воздухоохлади­ тели и далее опять в генератор.

При допустимом нагреве обмоток статора и ротора (соответ­ ственно 70 и 95° С) при поверхностном (воздушном) охлаждении можно допустить определенную плотность тока в этих обмотках, которая ограничивает электромагнитные нагрузки. Увеличение допустимой плотности токов можно получить при внутреннем охлаждении обмоток, когда охлаждающее вещество, например дистиллированная вода, проходит по специальным каналам в про­ водах обмоток и непосредственно с проводами соприкасается. Внутреннее охлаждение обмоток позволяет повысить важнейшие параметры генератора. Так, мощность гидрогенератора с полным водяным охлаждением (т. е. с водяным охлаждением ротора и статора) можно увеличить почти в два раза, не увеличивая его размеров и не снижая к. п. д. Удается также улучшить параметры гидрогенератора применением смешанного внутреннего охлажде-

57

Ния обмоток, когда обмотки статора охлаждаются водой, обмотки ротора (внутри) — воздухом и сердечники статора — воздухом через радиальные каналы.

В гидрогенераторах капсульных агрегатов для уменьшения габаритов применяется поверхностное воздушное и внутреннее водяное охлаждение. Диаметр гидрогенераторов, выполняемых отечественными заводами, колеблется между (0,9ч-1,1) (D1— диаметр рабочего колеса гидротурбины). При применении высоко­ качественных изолирующих материалов этот диаметр может еще быть несколько уменьшен. Некоторые иностранные фирмы, при­ меняющие высококачественную изоляцию, выполняет такие гене­ раторы диаметром 0,8Z> х. Тормозная система в генераторах не требуется, так как в связи с малым маховым моментом ротора для остановки агрегата достаточно торможения лопастями рабо­ чего колеса в потоке. Малый маховой момент капсульных гидро­ генераторов является их недостатком, который может затруднить поддержание постоянной частоты в сети.

Гидрогенератор с форсированным воздушным охлаждением.

На рис. III.4 представлена конструкция такого генератора, выполненная харьковским заводом «Электротяжмаш» для агре­ гатов Киевской ГЭС.

Статор генератора состоит из корпуса, сердечника и обмотки. Корпус представляет собой кольцо, из двух частей — сварной кон­ струкции с торцовыми фланцами. Изнутри к корпусу крепится сердечник, набранный из сегментов электротехнической стали марки ЭЗЗО, толщиной 0,5 мм. Обмотка статора стержневая, двух­ слойная.

Ротор гидрогенератора состоит из остова и семидесяти полю­ сов. Остов собран из сварного обода, двух дисков и втулки и насажен на вал (общий с турбинным) с натягом. В дисках остова предусмотрены окна для прохода персонала в турбинную часть капсулы и прохождения охлаждающего воздуха. Полюса закреп­ ляются на ободе остова болтами. Они состоят из сердечника и обмотки возбуждения. Сердечники полюсов набираются из электро­ технической стали марки Э11 толщиной 1 мм. Обмотка полюсов выполнена из полой шинной меди специального профиля. Для обмоток применяется термореактивная изоляция, отличающаяся

1 После начала эксплуатации Киевской ГЭС как турбина, так и генератор были перемаркированы на большую мощность.

58