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,

(1.1)

Номинальный ток, А,

(1.2)

где P_н, в кВт.

Рассчитывается также полная номинальная  мощность, кВА

(1.3)

и число пар полюсов турбогенератора

(1,4)

Угловая частота вращения, рад/с,

(1.5)

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.

(1.6)

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

(1.7)

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).

 

Рис. 1.2. Зависимость внутреннего  диаметра статора от электромагнитной мощности и системы охлаждения турбогенератора: а – косвенное воздушное; б – косвенное водородное; в – непосредственное водородное охлаждение обмотки ротора, косвенное водородное охлаждение обмотки статора; г – непосредственное водородное охлаждение ротора и водяное обмотки статора	Рис. 1.3. Зависимость диамтреа бочки ротора от электромагнитной мощности и системы охлаждения турбогенераторов (обозначения соответствуют рис 1.2)

 

Электромагнитная (расчетная) мощность турбогенератора, кВт

(1.8)

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.

 

cosφн	Номинальная мощность Рн, МВт
	30	50	100	150	300	500
0,8	1,09	1,1	1,12	1,14	1,17	1,19
0,85	1,09	1,1	1,1	1,12	1,14	1,16
0,9	1,07	1,08	1,09	1,1	1,12	1,13

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)

(1.9)

Число пакетов статора

(1.10)

 

Действительная длина  статора

(1.11)

                           

 

 

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,

(1.12)

 

где – полюсное деление статора, м.

Число последовательно  соединенных витков фазы обмотки  статора

(1.13)

необходимо округлить  до ближайшего целого числа.

Число последовательных витков стержневой обмотки с одновитковыми катушками должно удовлетворять равенству

(1.14)

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

 

		a1=1	a1=2	a1=3*	a1=41
4	24	8 (4)	4 (2)	-	-
4,5	27	9	-	-	-
5	30	10 (5)	5	-	-
5,5	33	11	-	-	-
6	36	12 (6)	6 (3)	-	3
6,5	39	13	-	-	-
7	42	14 (7)	7	-	-
7,5	45	15	-	5	-
8	48	16 (8)	8(4)	-	4(2)
8,5	51	17	-	-	-
9	54	18 (9)	9	6	-
9,5	57	19	-	-	-
10	60	20 (10)	10 (5)	-	5
10,5	63	21	-	7	-
11	66	22 (11)	11	-	-
11,5	69	23	-	-	-
12	72	24 (12)	12 (6)	8	6(3)
12,5	75	25	-	-	-
13	78	26 (13)	13	-	-
13,5	81	27	-	9	-
14	84	28 (14)	14 (7)	-	7
14,5	87	29	-	-	-
15	90	30 (15)	15	10	-
15,5	93	31	-	-	-
16	96	32 (16)	16 (8)	-	8 (4)