проектирование ТГ

11

2. Электромагнитный расчет турбогенератора

2.1. Выбор основных размеров

Проектирование турбогенератора начинают с выбора основных размеров.

Основными размерами турбогенератора считают внутренний диаметр статора D1,

длину сердечника статора l1 и немагнитный зазор между статором и ротором δ.

Они определяют массу активных частей машины и в некоторой степени характе-

ризуют массу всего турбогенератора. Главные размеры показаны на рис.1. На этом рисунке также показаны и другие размеры, которые рассчитываются при проектировании турбогенератора.

Рис. 1. Основные размеры турбогенератора

При выборе основных размеров необходимо учитывать вопросы унифика-

ции производства. Если удается сохранить один диаметр для нескольких машин ближайших мощностей, то можно унифицировать ряд технологических приспо-

соблений и деталей для нескольких машин. Это удешевляет производство. Нужно

12

стремится к сохранению наружного диаметра статора для машин разной мощно-

сти, так как это дает экономию при изготовлении корпусов статоров благодаря унификации многих деталей. Кроме того, для ряда близких по мощности турбоге-

нераторов желательно иметь один и тот же диаметр ротора. Число пазов и разме-

ры паза ротора при относительно небольших изменениях мощности могут оста-

ваться постоянными. Число пазов ротора не зависит и от номинального напряже-

ния машины. Оставляя неизменным диаметр ротора для ряда турбогенераторов одной серии, получают существенную экономию на оснастке при обработке па-

зов, изготовлении изоляции и обмотки ротора, бандажных колец, различных дета-

лей крепления обмоток и др. При проектировании новых машин стремятся ис-

пользовать ранее разработанный, опробованный в эксплуатации ротор уже по-

строенных машин с сохранением его зубцового слоя. При этом повышается на-

дежность расчета и надежность работы проектируемой машины.

Размеры зависят от полной мощности турбогенератора и от способа охлаж-

дения. Поэтому вначале следует рассчитать полную номинальную мощность тур-

богенератора, В×А,

	SН=РН/cosϕН ,	(1)
где РН –	номинальная активная мощность генератора, Вт;	cosϕН – номинальный
коэффициент мощности.
По	рис. 2 предварительно определяют внутренний	диаметр статора D1
(здесь и далее все линейные размеры в метрах).

Затем выбирают линейную нагрузку А, А/м, и магнитную индукцию при холостом ходе Вδ, Тл, по табл. 1. Ориентировочные значения А и Вδ для турбо-

генераторов с косвенным охлаждением обмоток приведены в табл. 1а. Для турбо-

генераторов с непосредственным охлаждением обмоток водородом или водой ре-

комендуемые значения А и Вδ приведены в табл. 1б. В отдельных случаях значе-

ния А и Вδ при расчетах могут несколько отличаться от приведенных в

13

Рис. 2. Зависимость диаметра статора от полной мощности машины при разных системах охлаждения:

а – косвенное воздушное; б – косвенное водородное; в – непосредственное водо-

родное ротора и косвенное водородное статора; г – непосредственное водородное ротора и водяное статора

11

табл. 1а, б. Электромагнитные нагрузки зависят от заданного типа охлаждения и номинальной полной мощности. Здесь выбираются ориентировочные значения,

потом они будут уточняться.
Отношение короткого замыкания
ОКЗ=kНО/хd*,	(2)

где kНО – коэффициент насыщения магнитной цепи от потока холостого хода;

хd* – синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси.

В турбогенераторах с косвенным охлаждением воздухом или водородом

kНО=1,15 ÷ 1,25.			(3)
В турбогенераторах с непосредственным охлаждением активных частей
kНО=1,05 ÷ 1,12.			(4)
Меньшие значения kНО соответствуют большим мощностям машины.
Немагнитный зазор между статором и ротором (предварительно)
	А× D1,5
δ = 6,95 × ОКЗ ×	1	×10−7 .	(5)

Вδ

Величину зазора d, полученную по формуле (5), следует округлить до третьего знака после запятой (т.е. до целых миллиметров). Величина зазора очень сильно влияет на характеристики генератора. Нужно, чтобы окончательная величина за-

зора была близка к рассчитанной поформуле (5). Максимальное отличие 1–2						мм.
Диаметр бочки ротора (предварительно)
D2П=D1П –				2×d.		(6)
Окончательный диаметр бочки ротора D2 выбирается из нормализованного ряда:
0,475; 0,575; 0,664; 0,728; 0,814; 0,93; 1,00; 1,075; 1,125; 1,2; 1,25 м.
Окончательное значение внутреннего диаметра статора
D1=D2 + 2×d.						(7)
Длина магнитопровода (сердечника) статора (предварительно)
			0,9 × S Н
l1П =					,	(8)
	k	01	× W × D 2	× А× В
			1	δ

l2=l2П/D2.

12

где k01 – обмоточный коэффициент (можно принять k01=0,92 для стержневых об-

моток с шагом у = (0,78–0,83) t); W – угловая скорость, рад/с,

W=2×p×пН /60,

пН – номинальная частота вращения, об/мин.

Длину бочки принимают на 50–150 мм больше длины сердечника статора.

Это делают для уменьшения магнитного насыщения ротора.
Длина бочки ротора (предварительно)
l2П=l1П+(0,05 – 0,15).	(9)

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

l1=l1П/D1,

(10)

Турбогенератор с большим l1 имеет меньшую конструктивную массу. Минималь-

ный расход меди статора находится в пределах l1=4÷5, а минимальный расход меди ротора – в пределах l2=2,3÷3. С возрастанием l>lмин изменение масс проис-

ходит медленно. Но с уменьшением l<lмин рост масс становится значительным. В

выполненных турбогенераторах

l1=2÷6. (11)

Если при проектировании турбогенератора значение l1 выходит за указан-

ные пределы, то рекомендуется перейти на другие диаметры ротора и статора или изменить значения электромагнитных нагрузок.

			14
						Таблица 1а
	Ориентировочные значения А и Вδ для турбогенераторов с косвенным охлаждением
			Мощность SН, МВ×А
Парамет-
	при охлаждении воздухом			при охлаждении водородом
ры
	3-7,5	15	30	40	80	125-190
А, А/м	(4,5¸5)×104	(5,2¸5,6)×104	(5,8¸6,5)×104	(7,2¸7,5)×104	(7,5¸8)×104	(7,7¸8,5)×104
Вδ, Тл
	0,66-0,75	0,74-0,7	0,78-0,82	0,78-0,83	0,8-0,84	0,84-0,86

Таблица 1б Ориентировочные значения А и Вδ для турбогенераторов с непосредственным форсированным охлаждением

обмотки ротора водородом

					Мощность SН, МВ×А
	Парамет-
		косвенным охлаждением			непосредственным охлаждением дистиллированной водой
	ры
		водородом обмотки статора			обмотки статора и водородом сердечника статора
		80	125-235	190	235-260	350-375	590	890	1110-1330
	А, А/м	(9,6¸	(11¸	(12,8¸	(13¸	(14¸	(18¸	(22¸	(25¸
		11)×104	12)×104	13,8)×104	14,5)×104	16)×104	20)×104	24,5)×104	28)×104
	Вδ, Тл
		0,82-0,83	0,83-0,87	0,82-0,85	0,84-0,86	0,85-0,865	0,86-0,88	0,9-0,94	0,94-0,98

15

табл. 1а, б. Электромагнитные нагрузки зависят от заданного типа охлаждения и номинальной полной мощности. Здесь выбираются ориентировочные значения,

потом они будут уточняться.
Отношение короткого замыкания
ОКЗ=kНО/хd*,	(2)

где kНО – коэффициент насыщения магнитной цепи от потока холостого хода;

хd* – синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси.

В турбогенераторах с косвенным охлаждением воздухом или водородом

kНО=1,15 ÷ 1,25.			(3)
В турбогенераторах с непосредственным охлаждением активных частей
kНО=1,05 ÷ 1,12.			(4)
Меньшие значения kНО соответствуют большим мощностям маши-
ны.Немагнитный зазор между статором и ротором (предварительно)
	А× D1,5
δ = 6,95 × ОКЗ ×	1	×10−7 .	(5)

Вδ

Величину зазора d, полученную по формуле (5), следует округлить до третьего знака после запятой (т.е. до целых миллиметров). Величина зазора очень сильно влияет на характеристики генератора. Нужно, чтобы окончательная величина за-

зора была близка к рассчитанной поформуле (5). Максимальное отличие 1–2						мм.
Диаметр бочки ротора (предварительно)
D2П=D1П –				2×d.		(6)
Окончательный диаметр бочки ротора D2 выбирается из нормализованного ряда:
0,475; 0,575; 0,664; 0,728; 0,814; 0,93; 1,00; 1,075; 1,125; 1,2; 1,25 м.
Окончательное значение внутреннего диаметра статора
D1=D2 + 2×d.						(7)
Длина магнитопровода (сердечника) статора (предварительно)
			0,9 × S Н
l1П =					,	(8)
	k	01	× W × D 2	× А× В
			1	δ

l2=l2П/D2.

16

где k01 – обмоточный коэффициент (можно принять k01=0,92 для стержневых об-

моток с шагом у = (0,78–0,83) t); W – угловая скорость, рад/с,

W=2×p×пН /60,

пН – номинальная частота вращения, об/мин.

Длину бочки принимают на 50–150 мм больше длины сердечника статора.

Это делают для уменьшения магнитного насыщения ротора.
Длина бочки ротора (предварительно)
l2П=l1П+(0,05 – 0,15).	(9)

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

l1=l1П/D1,

(10)

Турбогенератор с большим l1 имеет меньшую конструктивную массу. Минималь-

ный расход меди статора находится в пределах l1=4÷5, а минимальный расход меди ротора – в пределах l2=2,3÷3. С возрастанием l>lмин изменение масс проис-

ходит медленно. Но с уменьшением l<lмин рост масс становится значительным. В

выполненных турбогенераторах

l1=2÷6. (11)

Если при проектировании турбогенератора значение l1 выходит за указан-

ные пределы, то рекомендуется перейти на другие диаметры ротора и статора или изменить значения электромагнитных нагрузок.

17

2.2. Выбор размеров статора

Статор состоит из сердечника и обмотки. Обмотка статора в турбогенерато-

рах обычно трехфазная и соединена в звезду. Для выбора конструкции обмотки нужно определить ток фазы статора. Вначале определяется номинальное фазное напряжение при соединении обмотки в звезду, В,

U1НФ	=	U1Н			,	(12)
	3

где U1Н – номинальное линейное напряжение, В,

и номинальный фазный ток, А,

I1НФ	=		S Н	.	(13)
			×U1НФ
	3

Число фаз m обмотки статора турбогенератора обычно равно трем.

Далее выбирается число параллельных ветвей a. Число параллельных вет-

вей зависит от мощности и типа охлаждения. Число параллельных ветвей a об-

мотки берут равным единице или двум. С ростом мощности машин растет объем тока в пазу IП. Особенно это касается машин с непосредственным охлаждением обмоток, где с большим ростом мощности и объема тока в пазу возрастают элек-

тродинамические усилия, действующие на стержни обмотки и шинопроводы. Для снижения объема тока в пазу в мощных турбогенераторах увеличивают число па-

раллельных ветвей (больше двух). Ориентировочное число параллельных ветвей a

трехфазных обмоток турбогенераторов приведено в табл. 2. Рекомендуемые числа пазов статора и возможное при этом число параллельных ветвей обмотки приве-

дены в табл. 3.

В турбогенераторах мощностью больше 6 МВт применяется стержневая петлевая двухслойная обмотка. Применение для двухполюсных турбогенераторов только петлевых обмоток обусловлено их более простой технологией изготовле-

ния и монтажа на статоре, а также меньшим расходом меди из-за более коротких лобовых частей по сравнению с волновыми обмотками. В стержневой петлевой двухслойной обмотке число эффективных проводников в пазу uП1=2.

18

Таблица 2

Ориентировочное число параллельных ветвей a трехфазной двухслойной обмотки статора турбогенераторов

Тип охлаждения		Мощность SН, МВ×А
	До 50	50–150	150–250	250–1000
Косвенное	1–2	2	2–4	–
Непосредственное	1	1	1–2	2

Таблица 3

Рекомендуемые числа пазов статора Z1 и возможное число параллельных ветвей а трехфазной двухслойной обмотки, если q1 – целое число

	Z1	24	30	36	42	48	54	60	66	72	78	84
		1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
	a	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
		–	–	–	–	–	3	–	–	3	–	–
		–	–	4	–	4	–	4	–	4	–	4
	q1	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14

Далее нужно рассчитать объем тока в пазу
I П = I1 НФ ×	u П 1	.	(14)
	а
Обычно в турбогенераторах с косвенным охлаждением объем тока в пазу
IП = 2500 – 6500 А.			(15)
При косвенном охлаждении лучше выполнять обмотку с наибольшим воз-

можным числом параллельных ветвей, чтобы снизить объем тока в пазу и тем са-

мым облегчить охлаждение обмотки. При токе IП > 6500 А косвенное охлаждение становится малоэффективным, так как при этом трудно обеспечить допустимый уровень нагрева обмотки.