Проектирование турбогенератора

 

Таблица 1.6 Размеры и площади поперечного сечения полых прямоугольных проводов (обозначения приведены в соответствии с рис.1.8)

 

При выборе размеров сплошных и полых элементарных проводников следует руководствоваться следующими соображениями:

• общее число элементарных проводников в эффективном должно быть четным;
• если, например, выбирается один полый проводник на два сплошных, то число проводников в вертикальном ряду должно быть кратным трем и т.д.;
• так как полый проводник обычно не имеет собственной изоляции, необходимо добиваться, чтобы ширина изолированного сплошного проводника приближалась к ширине полого;
• высота и сечение сплошного проводника выбираются в тех же пределах, что и при косвенном охлаждении;
• сечение полого проводника по возможности выбирают близким к сечению сплошного.

Удовлетворяющие перечисленным  условиям стандартные сплошные и полые проводники выбираются соответственно из табл.1.6 и 1.7. После выбора размеров и числа элементарных проводников вычерчивается чертеж поперечного сечения паза и определяются окончательные размеры h_п1,  b_п1, h₁₁, h₂₂, (см. рис.1.7-1.9). При этом высота клина выбирается примерно равной ширине паза:

м

(1.25)

У рационально спроектированного  паза статора 

После выбора размеров паза можно приступить к расчету внешнего диаметра пакета статора. Определяется высота спинки статора, м

(1.26)

где B_a1 – желаемая максимальная индукция магнитного поля в ярме статора, которая выбирается в пределах 1,4 – 1,6 Тл для горячекатаной стали и 1,6 –1,72 Тл для холоднокатаной стали.

Внешний диаметр пакета статора

м

(1.27)

 

1.3. Немагнитный  зазор

Выбор величины зазора является одним из наиболее ответственных моментов при проектировании турбогенератора, так как  от зазора зависят многие технико-экономические показатели. Зазор представляет собой основное магнитное сопротивление магнитной цепи, и с его ростом растут необходимая Н.С. обмотки возбуждения, масса обмотки возбуждения, потери на возбуждение и себестоимость турбогенератора. Так как ротор является наиболее нагруженной в тепловом и механическом отношении частью, то естественно стремление к уменьшению немагнитного зазора. С другой стороны, зазор определяет основной параметр турбогенератора – синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора x_d, а также такие важные эксплуатационные характеристики, как отношение короткого замыкания (ОКЗ) и статическую перегружаемость S.

Для расчета величины воздушного зазора необходимо определить параметры обмотки статора.

Относительное значение индуктивного сопротивления пазового рассеяния, о.е.

(1.28)

где размеры паза h₁₁, h₄, b_п1, – см. рис.1.6 –1.8;

 – магнитная проницаемость вакуума;

для коэффициент, учитывающий уменьшение пазового рассеяния обмоток с укороченным шагом

Относительное сопротивление  лобового рассеяния, о.е.

(1.29)

где амплитуда н.с. статора  на полюс, А,

(1.30)

Ф₀ –  магнитный поток при холостом ходе и U = U_н , Вб,

(1.31)

Индуктивное сопротивление  рассеяния обмотки статора в  относительных единицах

(1.32)

где добавка (0,005…0,01) приближенно  учитывает рассеяние по коронкам зубцов и дифференциальное рассеяние (большие значения для P_н < 6 МВт, при P_н > 100 МВт ею можно пренебречь).

Индуктивное сопротивление  Потье в относительных единицах

(1.33)

Синхронное индуктивное  сопротивление взаимоиндукции x_ad^* в о.е. определяется по значению сопротивления Потье для заданного коэффициента мощности по рис. 1.12.

После определения x_ad^* можно рассчитать величину воздушного зазора, м,

(1.34)

Рис. 1.13. Ориентировочные  величины магнитных зазоров турбогенераторов

 

где k_d - коэффициент воздушного зазора, который может быть предварительно принят равным 1,1…1,15 для мощностей более 25 МВт и 1,15… 1,2 для меньших мощностей.

Полученное значение величины воздушного зазора следует  сравнить со средними величинами, представленными на рис. 1.13.

 

 

 

ГЛАВА  ВТОРАЯ

 

 Основные размеры  и

обмоточные данные ротора

 

2.1. Основные размеры  зубцово-пазовой зоны.

 

Ротор является наиболее нагруженным в тепловом и механическом отношении узлом турбогенератора. Во-первых, из-за механических напряжений, возникающих в зубцах ротора, и особенно в бандажах, диаметр ротора ограничен величиной 1,2 м. Во-вторых, все турбогенераторы проектируются для работы в режиме перевозбуждения, при котором н.с. должна равняться сумме продольной составляющей н.с. реакции якоря и н.с. магнитной цепи с большим немагнитным зазором. Поэтому линейная нагрузка ротора должна превышать линейную нагрузку статора в 1,5 – 1,7 раза. Однако из-за ограниченной  глубины пазов линейная нагрузка может быть увеличена только за счет увеличения плотности тока в обмотке ротора, которая может превышать плотность тока обмотки статора в 1,3 –2 раза. При этом возможности охлаждения ротора невелики из-за ограниченных размеров и его монолитности. Температурные ограничения при росте мощности и степени использования турбогенераторов наступают быстрее для ротора, чем для статора.

Внешний диаметр ротора, м

(2.1)

Активная длина ротора обычно выбирается немного большей, чем действительная длина статора, м:

(2.2)

В мощных и высокоиспользованных турбогенераторах l₂ = l_d .

При расчете зубцового  слоя ротора обычно вначале задаются числом фиктивных пазов Z₀  по всей окружности ротора

(2.3)

 

Для получения оптимальной  величины

(2.4)

обеспечивающей максимальное приближение распределения поля возбуждения к синусоидальному, значения Z₀ и Z₂ выбираются по таблице 2.1.

 

Z0	20	24	28	32	38	42	46	52	54
Z2	12	16	20	24	28	32	36	40	40
g	0,6	0,666	0,71	0,75	0,737	0,762	0,782	0,769	0,74
j(g)	12,8	6,16	5,5	7,4	6,55	8,1	9,8	8,8	6,6

 Таблица 2.1 Оптимальные соотношения пазов ротора.

Относительную высоту паза ротора b₂ и относительную площадь фиктивного числа пазов ротора S₀ можно найти по точкам пересечения прямой и семейства кривых рис.3.1 и 3.2.

Высота паза ротора, м

(2.5)

а его ширина

м

(2.6)

Эти размеры следует  считать предварительными, так как после размещения в пазах ротора целого числа нормализованных по размерам поперечного сечения проводников и изоляции возможна некоторая корректировка h_п2 и b_п2.

 

 

2.2. Расчет обмотки  ротора.

 

Ширина проводника обмотки  ротора

(2.7)

где   d_из – односторонняя толщина пазовой изоляции ротора (вместе с защитной оболочкой, если она предусматривается), составляющая величину 1,5 –2 мм в зависимости от способа охлаждения и конструкции пазовой изоляции (см. рис.2.3 и 2.4).

Размер b₂ проводников уточняется по номенклатуре стандартных размеров прямоугольных неизолированных проводников, приведенной в табл.2.2 (предпочтительные размеры) и в табл.2.3.

 

Размеры проводника a2´b2,мм	3,2´ 21,5	3,3´ 22,5	3,63´ 19,5	5,0´ 28
Площадь сечения, мм2	68	73,34	67,97	134,6
Размеры проводника a2´b2,мм	5,7´21,5	7,0´28,0	7,9´35	7,0´43
Площадь сечения, мм2	120,57	190,66	271,0	296,0

Таблица 2.3 Сортамент прямоугольных проводников для роторных обмоток (предпочтительные размеры)

 

b2, мм	a2, мм
	3,28	3,53	3,8	4,0	4,1	4,4	4,7
16,8	54,62	58,82	63,36	-	68,02	73,06	78,1
18,0	58,56	63,06	67,92	-	72,94	78,34	83,74
19,5	63,48	68,35	73,62	-	79,09	84,94	90,79
20,0	-	-	-	79,52	-	-	-
22,0	71,68	77,18	83,12	-	89,34	95,94	102,5
25,0	81,52	87,77	94,52	99,52	101,6	109,1	116,4
26,3	-	92,36	99,46	-	107,0	114,9	122,8
28,0	-	-	105,9	111,9	113,9	122,3	130,7
30,0	-	-	113,5	119,5	122,1	131,1	140,1
32,0	-	-	-	-	130,3	139,9	149,5
35,0	-	-	-	-	-	153,1	163,6
b2, мм	a2, мм
	5,0	5,1	5,5	6,0	6,5	7,0	8,0
16,8	-	84,82	91,54	99,94	108,3	116,7	133,5
18,0	-	90,94	98,14	107,1	116,1	125,1	143,1
19,5	-	98,59	106,3	116,1	125,9	135,6	155,1
20,0	99,14	-	-	119,1	-	-	159,1
22,0	-	111,3	120,1	131,1	142,1	153,1	-
25,0	124,1	126,6	136,6	149,1	161,6	174,1	-
26,3	-	133,3	143,8	158,9	170,1	183,1	-
28,0	-	141,1	152,1	164,1	-	-	-
30,0	149,1	152,1	164,1	-	-	-	-
32,0	-	162,3	175,1	-	-	-	-
35,0	-	-	-	-	-	-	-

 

Таблица 2.4Сечение неизолированных прямоугольных проводов для роторных обмоток, мм²

 

 

 

Рис. 2.3. Паз ротора с косвенным охлаждением обмотки возбуждения	Рис. 2.4. Паз ротора с  непосредственным охлаждением обмотки  возбуждения

 

Лучше выбирать ближайший  наименьший размер b₂ по отношению к рассчитанному по (2.7).

Далее определяем число  эффективных проводников в пазу ротора u_п2 и высоту проводника a₂ . Для этого необходимо выбрать напряжение возбуждения турбогенератора u_f, В по табл.2.5.

 

Pн, МВт	0,5 - 6	12 - 50	100 – 500	более 500
uf, В	75 - 115	200 - 250	250 – 350	350 - 500

 

Таблица 2.5 Напряжение возбуждения турбогенераторов

Средняя длина витка  обмотки возбуждения, м

(2.8)

где предварительно

(2.9)

Для определения сечения  проводников ротора и их количества нужно предварительно рассчитать номинальную  намагничивающую силу (н.с.) обмотки возбуждения F_fн.

Для этого необходимо знать:

Коэффициент приведения н.с. обмотки якоря к обмотке  возбуждения

(2.10)

где k_обf – обмоточный коэффициент обмотки ротора,

(2.11)

Н.с. обмотки ротора при симметричном коротком замыкании обмотки статора, А

(2.12)

где F_a – н.с. реакции якоря по (1.30).

При заданной статической  перегружаемости S и номинальном коэффициенте мощности cos(j) н.с. обмотки ротора, А

(2.13)

 

Высота проводника ротора, м

(2.14)

– удельное сопротивление меди.