Конструкция данного агрегата описывается еще в учебниках 8 класса по физике. Об устройстве паровой турбины рассказывается в книгах следующим образом. Данный вид турбины - это вид двигателя, в котором пар или же нагретый воздух способен вращать вал двигателя без взаимодействия с поршнем, шатуном или коленчатым валом.

Краткое описание устройства

Кратко устройство паровой турбины можно описать следующим образом. На основной элемент, то есть вал, закрепляется диск, к которому крепятся лопатки. Около данных элементов также располагаются такие части, как трубы-сопла. Через них и происходит подача пара из котла. При прохождении пара сквозь сопло он оказывает определенное давление на лопатки, а также диск всей установки. Именно это воздействие приводит во вращение диск турбины вместе с лопатками.

В настоящее время в таких агрегатах чаще всего используется несколько дисков, которые насаживаются на один вал. При таком устройстве паровой турбины происходит следующее. Энергия пара, проходя через каждую лопатку каждого диска, будет отдавать часть своей энергии этим элементам. Основное применение паровые турбины нашли на атомных, а также где они соединяются с валом электрического тока. Скорость вращения вала паровой турбины достигает 3000 оборотов в минуту. Данного значения хватает для приемлемой работы генераторов электрического тока.

Если говорить о применении данных агрегатов, то стоит упомянуть, что они успешно эксплуатируются на кораблях и суднах. Однако из-за устройства паровой турбины, в частности, по причине того, что необходимо большое количество воды для работы турбины, ее эксплуатация на сухопутных и воздушных средствах передвижения невозможна.

Устройство сопла турбины. На что оно влияет

Одним из важнейших элементов для работы устройства стало сопло, сквозь которое и осуществляется прохождение пара.

В наиболее раннем устройстве паровой турбины, когда еще до конца не были изучены такие вещи, как расширение пара, построить рационально функционирующий агрегат с высоким КПД было проблематично. Причина заключалась в том, что сопло, которое использовалось вначале, имело одинаковый диаметр по всей своей длине. А это влекло за собой то, что пар, проходя через трубу и попадая в пространство с меньшим давлением, чем внутри, терял давление и увеличивал свою скорость, но только до определенного значения. Если говорить о насыщении сухого пара, то его давление на выходе из трубки не может быть меньше, чем 0,58 от начального давления. Данный параметр называют Основываясь на этом значении, можно получить и предельную скорость движения пара, которую называют также критической скоростью, а ее значение для перегретого пара равно 0,546 от начального давления.

Таких параметров оказалось мало для нормального функционирования турбины. К тому же при выходе из сопла такой формы пар начинал клубиться из-за расширения в атмосфере. Все эти недостатки удалось устранить, когда устройство паровой турбины, ее сопла, было изменено. В начале отбора труба была узкой, постепенно расширяясь к концу. Основная отличительная особенность, которая стала решающим фактором, - это то, что с такой формой стало возможно привести давление у конца сопла к давлению окружающей среды после трубы. Это решило проблему с клубами пара, которые сильно снижали скорость, а также удалось добиться сверхкритических значений для этого параметра, а также давления.

Устройство паровой турбины и принцип работы

Здесь важно сказать о том, что паровая турбина использует два различных принципа работы, которые зависят от ее устройства.

Первый принцип называют активными турбинами. В этом случае, имеются в виду устройства, у которых расширения пара осуществляется только в неподвижных соплах, а также до поступления его на рабочие лопатки.

Устройство паровой турбины и принцип работы второго типа называют реактивным. К таким агрегатам относят те, у которых расширение пара происходит не только до вступления его на рабочие лопатки, но и во время прохождения между таковыми. Еще такие устройства называют работающими на реакции. Если падения тепла в соплах составляет примерно половину от общего теплопадения, то турбину называют также реактивной.

Если рассматривать устройство паровой турбины и ее основных элементов, то нужно обратить внимание на следующее. Внутри турбины происходит такой процесс: струя жидкости, которая направляется на лопатку, будет оказывать на нее давление, которое будет зависеть от таких параметров, как расход, скорость при входе, а также при выходе на поверхность, форма поверхности лопатки, угол направления струи по отношению к данной поверхности. Здесь важно отметить, что при такой работе вовсе не нужно делать так, чтобы поток воды бил о лопатку. Напротив, в устройствах паровых агрегатов этого принято избегать, и чаще всего делают так, чтобы струя плавно обтекала лопатку.

Активная работа

Каково устройство паровой турбины, работающей на таком принципе. Здесь за основу взят закон о том, что любое тело, обладающее даже малой скоростью, может иметь высокую кинетическую энергию, если движется с большой скоростью. Однако здесь сразу же надо учитывать, что эта энергия очень быстро пропадает, если скорость тела начнет падать. В таком случае, имеется два варианта развития событий, если струя пара ударится о плоскую поверхность, которая будет перпендикулярна ее движению.

Первый вариант - удар происходит о неподвижную поверхность. В таком случае вся кинетическая энергия, которой обладало тело, частично превратится в тепловую энергию, а остальная часть израсходуется на то, чтобы отбросить частицы жидкости в обратном направлении, а также назад. Естественно, что никакой полезной работы выполнено при этом не будет.

Второй вариант - поверхность может перемещаться. В таком случае некоторая часть энергии уйдет на то, чтобы сдвинуть платформу с места, а остальная все так же будет затрачена впустую.

В устройстве паровой турбины и принципе действия, который называется активным, используется именно второй вариант. Естественно, нужно понимать, что при работе агрегата необходимо добиться того, чтобы расход энергии на бесполезную работу был минимальным. Еще одно важное условие заключается в том, что необходимо направить струю пара таким образом, чтобы она не повреждала лопатки при ударе. Достичь выполнения этого условия можно лишь при определенной форме поверхности.

Путем испытаний и расчетов было установлено, что наилучшей поверхностью для работы со струями пара является та, которая сможет обеспечить плавный поворот, после которого движение рабочего вещества будет перенаправлено в противоположную сторону от изначальной. Другими словами, необходимо придать лопаткам форму полукруга. В таком случае, сталкиваясь с препятствием, максимальная часть кинетической энергии будет передаваться механическом устройству, заставляя его вращаться. Потери же сведутся к минимуму.

Как работает активная турбина

Устройство и принцип действия паровой турбины активного типа заключается в следующем.

Свежий пар с определенными значениями давления и скорости передается в сопло, где происходит его расширение также до определенного показателя давления. Естественно, что вместе с этим параметром, будет увеличиваться и скорость струи. С увеличенным значением скорости, поток пара доходит до механических частей - лопаток. Воздействуя на эти элементы, струя рабочего вещества заставляет вращаться диск, а также вал, на котором он закреплен.

Далее, при выходе из лопаток, поток пара обладает уже другим значением скорости, которое обязательно будет ниже, чем перед этими элементами. Это происходит из-за того, что часть кинетической энергии преобразовалась в механическую. Здесь также важно отметить, что во время прохождения по лопаткам значение давления меняется. Однако важно то, что на входе и на выходе из этих элементов данный параметр имеет одинаковое значение. Это обусловлено тем, что каналы между лопатками обладают одинаковым сечением по всей своей длине, а также внутри этих деталей не происходит добавочного расширения пара. Для того чтобы выпустить пар, который уже отработал, имеется специальный патрубок.

Механическое устройство турбины

Устройство и работа паровой турбины с точки зрения механики выглядят так.

Агрегат состоит из трех цилиндров, каждый из которых представляет собой статор, имеющий неподвижный корпус, а также вращающийся ротор. Отдельно расположенные роторы соединяются муфтами. Цепочка, которая собирается из отдельных роторов цилиндров, а также из генератора и возбудителя, называется валопроводом. Длина данного устройства при максимальном значении составляющих компонентов (в настоящее время - это не больше 5 генераторов) - 80 метров.

Далее, устройство и работа паровой турбины выглядят так. Валопровод выполняет вращательное движение в таких элементах, как опорные подшипники скольжения вкладышей. Вращение происходит на тонкой масляной пленке, металлической же части этих вкладышей вал во время вращения не касается. На сегодняшний день все роторы конструкции размещаются на двух опорных подшипниках.

В некоторых случаях между роторами, принадлежащими к ЦВД и ЦСД, имеется лишь один общий опорный подшипник. Весь пар, который расширяется в турбине, заставляет каждый из роторов выполнять вращательное движение. Вся мощность, которая вырабатывается каждым из роторов, складывается на полумуфте в общее значение и там достигает своего максимального показателя.

Кроме того, каждый элемент находится под воздействием осевого усилия. Эти усилия суммируются, а их максимальное значение, то есть общая осевая нагрузка, передается с гребня на упорные сегменты. Эти детали устанавливаются в корпусе упорного подшипника.

Устройство ротора турбины

Каждый ротор помещается в корпус цилиндра. Показатели давления на сегодняшний день они могут достигать 300 МПа, так что корпус данных устройств выполняется двустенным. Это помогает уменьшить разность давления на каждый из них, что позволяет уменьшать толщину каждой из них. Кроме того, это помогает упростить процесс затяжки фланцевых соединений, а также дает возможность турбине при необходимости быстро изменить показатель своей мощности.

Обязательным является наличие горизонтального разъема, который предназначен для легкого процесса монтажа внутрь корпуса, а также должен обеспечивать быстрый доступ к уже установленному ротору, во время проведения ревизии или ремонта. Когда осуществляется непосредственный то все плоскости разъемов нижних корпусов монтируются специальным образом. Чтобы упростить данную операцию, принято считать, что все горизонтальные плоскости соединены в одну общую.

Когда в дальнейшем наступает момент монтажа валоповоротного устройства паровой турбины, то его помещают в уже имеющийся горизонтальный разъем, что обеспечивает его центровку. Это необходимо для того, чтобы избежать ударения ротора о статор во время вращения. Такой дефект может привести к довольно серьезной аварии на объекте. Из-за того, что пар внутри турбины характеризуется очень высокой температурой, а вращение ротора происходит на масляных пленках, температура масла должна быть не более чем 100 градусов по Цельсию. Это значение подходит как по требованиям пожаробезопасности, так и соответствует наличию определенных смазочных свойств у материала. Для того чтобы добиться таких показателей, вкладыши подшипников выносятся за корпус цилиндра. Их размещают в специальных точках - опорах.

Паровые установки на атомных станциях

Устройство паровой турбины на АЭС можно рассматривать на примере установок насыщенного пара, которые имеются лишь на тех объектах, где используется водяной теплоноситель. Здесь стоит отметить, что начальные характеристики паровых турбин на атомных станциях, характеризуются низкими показателями. Это вынуждает пропускать большее количество рабочего вещества, чтобы добиться нужного результата. Кроме того, из-за этого образуется повышенная влажность, которая быстро нарастает по ступеням турбины. Это привело к тому, что на таких объектах приходится использовать внутритурбинные и внешние влагоулавливающие устройства.

Из-за высокой влажности используемого пара снижается коэффициент полезного действия, а также довольно быстро развивается эрозийный износ проточных частей. Для того чтобы избежать данной проблемы, приходится использовать различные методы укрепления поверхности. К таким способам относятся хромирование, закаливание, электроискровая обработка и т. д. Если на других объектах удается использовать простейшее устройство паровых турбин, то на АЭС нужно не только думать о защите от коррозии, но и об отводе влаги.

Наиболее эффективным способом отвода лишней влаги из турбины стал отбор пара. Отбор вещества осуществляется на регенеративные подогреватели. Тут важно отметить, что если такие отборы установлены после каждой ступени расширения, то необходимость в разработке дополнительных внутритурбинных влагоулавливателей отпадает. Также можно добавить, что допустимые пределы влажности пара основываются на диаметре лопатки, а также на скорости вращения.

Каково устройство паровых и газовых турбин

Наилучшим качеством, которое стало важнейшим преимуществом паровой турбины, является то, что она не требует какого-либо соединения с валом электрического генератора. Также это устройство отлично справлялось с перегрузками, и его легко можно было регулировать по частоте вращения. у таких агрегатов также довольно высок, что в сочетании с другими преимуществами и вывело их на передний план, если возникала необходимость соединения с электрическими генераторами. Таким же является и устройство паровой турбины AEG.

Схожими объектами стали и газовые турбины. Если рассматривать эти приспособления с точки зрения конструкции, то они практически ничем не отличаются. Как и паровая турбина, газовая является машиной лопаточного типа. Кроме этого, в обоих агрегатах вращение ротора достигается за счет того, что происходит трансформация кинетической энергии потока рабочего вещества.

Существенное отличие между этими установками заключается как раз в типе рабочего вещества. Естественно, что в паровой турбине таким веществом является водяной пар, а в газовой установке - это газ, который чаще всего получен при сжигании каких-либо продуктов, либо является смесью пара и воздуха. Еще одно отличие заключается в том, что для образования этих рабочих веществ необходимо иметь разное дополнительное оборудование. Таким образом, получается, что сами по себе турбины очень похожи, но установки, образующиеся на объектах вокруг них, довольно сильно отличаются.

Паровая турбина с конденсатом

Конденсационные устройства и паровые турбины Лосев С. М. описывал в своей книге, выпущенной в 1964 году. Издание содержало теорию, конструкцию и эксплуатацию паровых установок, а также конденсационных агрегатов.

Турбинная установка, которая находится в котле, имеет три среды - вода, пар и конденсат. Эти три вещества образуют между собой некий замкнутый цикл. Тут важно отметить, что в такой среде во время преобразования теряется достаточно малое количество пара и жидкости. Чтобы компенсировать небольшие потери, в установку добавляют сырую воду, которая перед этим проходит водоочистительное устройство. В этом агрегате жидкость подвергается воздействию различных химикатов, основное предназначение которых в удалении ненужных примесей из воды.

Принцип работы в таких установках следующий:

• Пар, который уже отработал и обладает пониженным давлением и температурой, попадает из турбины в конденсатор.
• При прохождении этого участка пути имеется большое количество трубок, по которым непрерывно качается охлаждающая вода при помощи насоса. Чаще всего эта жидкость берется из рек, озер или прудов.
• В момент соприкосновения с холодной поверхностью трубки отработавший пар начинает образовывать конденсат, так как его температура все еще выше, чем в трубах.
• Весь скопившийся конденсат постоянно поступает в конденсатор, откуда он непрерывно откачивается насосом. После этого жидкость передается в деаэратор.
• Из этого элемента вода снова поступает в паровой котел, где превращается в пар, и процесс начинается сначала.

Кроме основных элементов и простого принципа работы, имеется пара дополнительных агрегатов, таких как турбонаддув и подогреватель.

Введение

1. Технические данные

2. Устройство и работа генератора

3. Указания по технике безопасности

Заключение

Список литературы

Введение

Турбогенераторы (ТГ) представляют собой основной вид генерирующего оборудования, обеспечивающего свыше 80% общего мирового объема выработки электроэнергии. Одновременно ТГ являются и наиболее сложным типом электрических машин, в которых тесно сочетаются проблемы мощности, габаритов, электромагнитных характеристик, нагрева, охлаждения, статической и динамической прочности элементов конструкции. Обеспечение максимальной эксплуатационной надежности и экономичности ТГ является центральной научно-технической проблемой.

В отечественном турбогенераторостроении огромный вклад в развитие теории, разработку вопросов расчета, проектирования и эксплуатации ТГ внесли многие ученые, исследователи, конструкторы, среди которых в первую очередь следует отметить Алексеева А.Е., Лютера Р.А., Костенко М.П., Одинга А.И., Бергера А.Я., Комара Е.Г., Ефремова Д.В., Иванова Н.П., Глебова И.А., Казовского Е.Я., Еремина М.Я., Вольдека А.И., Жерве Г.К., Важнова А.И. Среди зарубежных специалистов следует отметить Видемана Е., Келленбергера В., Шуйского В.П., Готтера Г.

Вместе с тем, несмотря на огромное количество работ, выполненных за прошедшие десятилетия, вопросы дальнейшего развития теории, разработки более совершенных технологий и конструкций ТГ, методов расчета и исследований не теряют своей актуальности.

Турбогенератор - неявнополюсный синхронный генератор, основная функция которого состоит в конвертации механической энергии в работе от паровой или газовой турбины в электрическую при высоких скоростях вращения ротора (3000,1500об/мин). Механическая энергия от турбины конвертируется в электрическую при помощи вращающегося магнитного поля, которое создается током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, что в свою очередь приводит к возникновению трехфазного переменного тока и напряжения в обмотках статора. В зависимости от систем охлаждения турбогенераторы подразделяются на несколько видов: генераторы с воздушным охлаждением, генераторы с водородным охлаждением и генераторы с водяным охлаждением. Также существуют комбинированные типы, например, генератор с водородно-водяным охлаждением (ТВВ). Турбогенератор ТВВ-320-2 предназначен для выработки электрической энергии на тепловой электростанции при непосредственном соединении с паровой турбиной К-300-240 Ленинградского металлического завода или Т-250-240 Уральского турбомоторного завода.

1. Технические данные

Номинальные параметры генератора при номинальном давлении и температуре охлаждающих сред даны в табл. 1.

Основные параметры охлаждающих сред

Водород в корпусе статора

Дистиллят в обмотке статора

Техническая вода в газоохладителях

Техническая вода в теплообменниках обмотки статора

Избыточное давление технической воды должно быть не больше избыточного давления дистиллята в обмотке.

Допустимое отклонение определяется температурой дистиллята.

Наибольшая допустимая температура отдельных узлов генератора и охлаждающих сред. Изоляция обмоток генератора класса "B".

Наибольшая допустимая температура отдельных узлов генератора и охлаждающих сред указана в табл. 2.

*Допускается превышение температуры обмотки ротора над температурой холодного водорода не более чем на 75.

Допустимая температура по температурам сопротивления, заложенным под клинья статорной обмотки, не должна превышать 75 между показаниями наиболее и наименее нагретого термометров сопротивления не должна превышать 20 могут быть уточнены по согласованию с предприятием-изготовителем для каждой конкретной машины после проведения тепловых испытаний.

Дополнительные технические данные

2. Устройство и работа генератора

Общая функциональная схема работы

Генератор выполнен с непосредственным охлаждением обмотки статора дистиллированной водой (дистиллятом), а обмотки ротора и сердечника статора – водородом, заключенным внутри газонепроницаемого корпуса.

Дистиллят в обмотке статора циркулирует под напором насосов и охлаждается теплообменниками, расположенными вне генератора.

Охлаждающий водород циркулирует в генераторе под действием вентиляторов, установленных на валу ротора, и охлаждается газоохладителями, встроенными в концевые части корпуса генератора.

Циркуляция воды в газоохладителях и теплообменниках осуществляется насосами, расположенными вне генератора.

Маслоснабжение опорных подшипников и уплотнений вала производится от масляной системы турбины.

Для аварийного снабжения маслом опорных подшипников и уплотнений вала на выбеге агрегата предусмотрены резервные баки, установленные вне генератора.

Генератор возбуждается от высокочастотного индукторного генератора через полупроводниковые выпрямители.

Корпус статора и фундаментные плиты

Сварной газонепроницаемый корпус статора состоит из средней части, несущей сердечник с обмоткой, и двух концевых частей.

В концевых частях располагаются лобовые части обмотки и газоохладители.

В концевой части со стороны возбудителя установлены концевые выводы обмотки - вверху нулевые, а внизу линейные.

Механическая прочность корпуса достаточна, чтобы статор мог выдержать без остаточных деформаций внутреннее давление в случае взрыва водорода.

Наружные щиты статора непосредственно объединены с внутренними щитами, к которым прикреплены щиты вентилятора.

Половины щитов вентиляторов изолированы от внутренних щитов и между собой.

Разъемы щитов расположены в горизонтальной плоскости.

В щитах и в бочке ротора предусмотрены специальные каналы, по которым охлаждающий газ попадает в лобовые части обмотки ротора.

Газоплотность соединений соединения плоскостей корпуса и наружных щитов обеспечивается резиновым шнуром, приклеенным по дну канавок, выфрезерованных в наружных щитах.

Чтобы приникнуть внутрь корпуса, не разбирая наружных щитов, в нижней его части предусмотрен люк.

До установки генератора на фундамент статор опирается на транспортные лапы, приваренные к корпусу.

Статор устанавливается на фундамент посредством рым- лап, которые при транспортировании снимаются.

Основанием для генератора и возбудителя служат фундаментные плиты, выполненные из стальных листов. Они устанавливаются во время монтажа на закладные плиты и постоянные подкладки и подливаются бетоном.

Для крепления генератора к фундаменту используются фундаментные шпильки.

Основанием для подшипника генератора является фундаментная плита коробчатого типа.

Газоохладители

Выделяющееся в генераторе тепло отводится четырьмя вертикальными охладителями.

Каждый охладитель состоит из биметаллических, латунно-алюминиевых трубок с прокатанными алюминиевыми ребрами.

Трубки завальцованы с обеих сторон в трубные доски, к которым приболчены камеры, уплотненные резиной и связанные между собою рамами.

Охладители вставляются в статор сверху и верхними трубными досками опираются на концевые части статора.

Нижние камеры по отношению к корпусу статора уплотнены резиной таким образом, что обеспечивается свободное тепловое расширение охладителей в вертикальном направлении.

Съемные крышки водяных камер позволяют производить чистку трубок и контроль за их состоянием, не нарушая герметичности корпуса статора.

Напорные и сливные трубы присоединены к нижним крышкам.

Для выпуска воздуха из верхних камер охладителей предусмотрены контрольные дренажные трубки.

Каждая трубка, пропущенная через одну из охлаждающих трубок и нижнюю камеру, заканчивается фланцем, приваренным к камере.

К фланцам присоединяются отводящие трубки с кранами, которые во время работы генератора должны быть постоянно открыты с минимальным сливом воды в дренаж.

Сердечник статора

Сердечник статора собран на клиньях из сегментов электротехнической стали толщиной 0.5 мм и вдоль оси разделён вентиляционными каналами на пакеты.

Поверхность сегментов покрыта изоляционным лаком.

Клинья сердечника статора приварены к поперечным кольцам корпуса.

Спрессованный сердечник статора стягивается нажимными кольцами из немагнитной стали. Зубцовая зона крайних пакетов уплотнена нажимными пальцами из не магнитной стали, установленными между сердечником и нажимными кольцами.

Для демпфирования электромагнитных потоков рассеяния лобовых частей обмотки статора под нажимными кольцами установлены медные экраны.

Для уменьшения передачи на корпус и фундамент стопериодных колебаний сердечника в клиньях статора выполнены продольные прорези, что создаёт упругую связь сердечника статора с корпусом.

Обмотка статора

Обмотка статора-трехфазная, двухслойная, с укороченным шагом, стержневая, с транспозицией элементарных проводников. Лобовые части обмотки-корзиночного типа. Стержни обмотки сплетены из сплошных и полых элементарных изолированных проводников и в пазах сердечника закрепляются специальными клиньями.

Для охлаждения обмотки по полым проводникам проходит дистиллированная вода.

На концах стержней припаяны наконечники для подвода воды к полым проводникам. Наконечники припаяны к стержням твёрдым припоем типа П Ср. Электрическое соединение стержней осуществляется медным хомутом и клиньями с пайкой мягким припоем типа ПОС.

Начала и концы обмотки выведены наружу через концевые выводы. Обозначение линейных и нулевых концевых выводов указано на монтажном чертеже, входящем в комплект эксплуатационной документации.

Для подвода и слива охлаждающей воды из обмотки статора имеются кольцевые коллекторы, установленные на изоляторах. Соединение коллекторов со стержнями обмотки осуществляется водосоединительными трубками из изоляционного материала. Охлаждающая вода в обмотке проходит по двум стержням, шинам и выводам, соединенным последовательно. Для контроля заполнения коллекторов водой и для выпуска из них воздуха в верхних точках коллекторов установлены дренажные трубки, выведенные из корпуса статора наружу.

В период эксплуатации дренажные трубки должны быть открыты с минимальным сливом для непрерывного удаления воздуха из системы охлаждения обмотки статора. Контроль проходимости дистиллята в стержнях обмотки статора осуществляется измерением температуры термосопротивлениями, заложенными под клинья в каждом пазу сердечника статора.

Ротор изготовлен из цельной поковки специальной стали, обеспечивающей его механическую прочность при всех режимах работы генератора.

Обмотка ротора выполнена из полосовой меди с присадкой серебра. Её охлаждение осуществляется непосредственно водородом по схеме самовентиляции с забором газа из зазора машины.

Дюралюминиевые клинья, удерживающие обмотку в пазах, имеют заборные и выходные отверстия для охлаждающего газа, совпадающие с боковыми каналами, выфрезерованными в катушках.

Пазовая и витковая изоляции катушек выполнены из прессованного стеклополотна на теплостойком лаке. Контактные кольца, насаженные в горячем состоянии на промежуточную, изолированную от них втулку, установлены за подшипником со стороны возбудителя.

Стержни токоподвода, расположенные в центральном отверстии ротора, соединяются с обмоткой и контактными кольцами с помощью изолированных гибких шин и специальных изолированных болтов, которые для обеспечения газоплотности ротора имеют уплотнения сальникового типа.

Роторные бандажи, выполненные из специальной немагнитной стали, имеют горячепрессовую посадку на центрирующую заточку бочки ротора.

От осевых перемещений бандажное кольцо удерживается кольцевой шпонкой и гайкой, навинченной на носик бандажа с наружной стороны.

Лобовые части обмотки ротора изолированы от бандажей и центрирующих колец изоляционными сегментами.

Опорные подшипники

Опорный подшипник генератора, установленный со стороны возбудителя, является подшипником стоякового типа и имеет шаровой самоустанавливающийся вкладыш.

Смазка подшипника-принудительная. Масло подаётся под избыточным давлением из напорного маслопровода турбины.

В конструкции подшипника предусмотрен дистанционный контроль температуры баббита вкладыша и сливного масла с помощью термометров сопротивления. Визуальный контроль слива масла производится через стекло в патрубке.

На удлинённой части основания стояка подшипника установлена щеточная траверса, которая служит для подвода тока возбуждения к контактным кольцам ротора.

Для устранения подшипниковых токов предусмотрена изоляция этого подшипника от фундамента и от всех маслопроводов.

На стойке каркаса траверсы предусмотрена установка изолированной от корпуса щётки, которая используется при измерении сопротивления изоляции обмотки ротора и для введения защиты от двойного замыкания обмотки ротора на корпус.

Опорный подшипник генератора со стороны турбины поставляется турбинным заводом.

Уплотнения вала

Для предотвращения выхода водорода из статора на наружных щитах генератора установлены двухкамерные масляные уплотнения вала торцевого типа. В уплотнениях этого типа вкладыш с баббитовой заливкой постоянно прижимается к упорному кольцу вала ротора давлением прижимного масла и следует за всеми перемещениями ротора вдоль оси.

Уплотняющее масло под давлением, превышающим давление газа в генераторе, подаётся в напорную камеру и оттуда через отверстия во вкладыше поступает в кольцевую канавку, проточенную в баббитовой заливке вкладыша. Затем масло заполняет радиальные канавки и клиновые скосы и растекаясь в обе стороны от кольцевой канавки, образует при вращении сплошную пленку, которая препятствует утечке газа из корпуса генератора.

Камеры уплотняющего и прижимного масла, образованные между корпусом и вкладышем, уплотнены резиновыми шнурами, помещенными в кольцевые канавки на поверхности вкладыша.

Для защиты внутренней полости статора от попадания масла предусмотрены маслоуловители, установленные на наружных щитах между уплотнением вала и внутренней полостью статора, и дополнительные камеры в вентиляторных щитах.

Для устранения подшипниковых токов корпус уплотнения и маслоуловитель со стороны возбудителя изолированы от наружного щита и маслопроводов.

Необходимое давление уплотняющего и прижимного масла обеспечивается регуляторами, входящими в систему маслоснабжения.

Вентиляция

Вентиляция генератора осуществлена по замкнутому циклу. Газ охлаждается газоохладителями, встроенными в корпус статора. Необходимый напор газа создаётся двумя вентиляторами, установленными на валу ротора.

3. Указания по технике безопасности

На электростанциях, оборудованных генераторами с водородным охлаждением, руководствоваться ведомственными правилами по технике безопасности.

При работе генератора с водородным охлаждением в какой-то степени происходить утечка водорода в атмосферу. Образовавшаяся газовая смесь может загореться, а при содержании в ней пяти и более процентов водорода- взорваться.

Чтобы исключить возможность пожаров и взрывов во время монтажа, при подготовке к работе и в эксплуатации, принять меры к тому, чтобы поблизости от генератора не было невентилируемых объемов, куда может проникать водород.

При осуществлении вентиляции этих объёмов исключить возможность попадания водорода на узлы агрегата, работающего с искрением или имеющего высокую температуру.

Допуск обслуживающего персонала в корпус генератора производить после того, как из него полностью вытеснен углекислый газ и проведен химический анализ воздуха.

Заключение

В настоящее время электроэнергия в основном вырабатывается на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях. Из них преимущественное развитие получили тепловые электростанции, что объясняется следующим. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, значительно ниже стоимости электроэнергии, вырабатываемой тепловыми станциями. Однако по размерам капиталовложений гидроэлектростанции в несколько раз дороже тепловых и сооружаются они более длительное время. Поэтому наращивание мощностей для покрытия всё возрастающих потребностей в электроэнергии более целесообразно за счет строительства тепловых электростанций. В этом случае, вместе с более быстрым ростом энерговооружаемости ускоряется рост производительности труда во всех народного хозяйства, что оказывает дополнительное влияние на сокращение сроков окупаемости производимых затрат. генератор котельный циркуляция маслоснабжение

Изложенное подтверждает актуальность установки на котельных турбогенераторов, главным образом, как для покрытия собственных нужд котельных, так и отдачи внешним потребителям электроэнергии.

Список литературы

1. Браймайстер Л.Г., Поздняков Б.И., Теймуразян Ю.В. и др. "Руководство по капитальному ремонту турбогенератора ТВВ-320-2", Москва: СПО ОРГРЭС, 1976 г.

2. Федоров В.А., Смирнов В.М. "Опыт разработки, строительства и ввода в эксплуатацию малых электростанций", Москва: Теплоэнергетика, №1, 2000 г.

3. Кореннов Б.Е. "Замена РОУ противодавленческой турбиной – эффективное энергосберегающее предприятие для котельных и ТЭЦ", Москва: Промышленная энергетика, №7, 1997 г.

4. Бушуев В.В., Громов Б.Н., Доброхотов В.И. и др. "Научно-технические и организационно-экономические проблемы внедрения энергосберегающих технологий", Москва: Теплоэнергетика, №11, 1997 г.

5. Хрилев Л.С. "Основные направления развития теплофикации", Москва: Теплоэнергетика, №4, 1998 г.

6. Доброхотов В.И. "Энергосбережение: проблемы и решения", Москва: Теплоэнергетика, №1, 2000 г.

Электрическая энергия давно вошла в нашу жизнь. Еще греческий философ Фалес в 7 веке до нашей эры обнаружил, что янтарь, потертый о шерсть начинает притягивать предметы. Но долгое время на этот факт никто не обращал внимание. Лишь в 1600 году впервые появился термин «Электричество», а в 1650 году Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. Это была первая простейшая электростатическая машина.

Прошло много лет с тех пор, но даже сегодня, в мире, заполненном терабайтами информации, когда можно самому узнать все, что тебя интересует, для многих остается загадкой как производится электричество, как его доставляют к нам в дом, офис, на предприятие…

В несколько частей рассмотрим эти процессы.

Часть I. Генерация электрической энергии.

Откуда же берется электрическая энергия? Появляется эта энергия из других видов энергии – тепловой, механической, ядерной, химической и многих других. В промышленных масштабах электрическую энергию получают на электростанциях. Рассмотрим только самые распространенные виды электростанций.

1) Тепловые электростанции. Сегодня из можно объединить одним термином – ГРЭС (Государственная Районная Электростанция). Конечно, сегодня этот термин потерял первоначальный смысл, но он не ушел в вечность, а остался с нами.

Тепловые электростанции делятся на несколько подтипов:

А) Конденсационная электростанция (КЭС) - тепловая электростанция, производящая только электрическую энергию, своим названием этот тип электростанций обязан особенностям принципа работы.

Принцип работы: В котел при помощи насосов подается воздух и топливо (газообразное, жидкое или твердое). Получается топливо-воздушная смесь, которая горит в топке котла, выделяя огромное количество теплоты. При этом вода проходит по трубной системе, которая располагается внутри котла. Выделяющаяся теплота передается этой воде, при этом ее температура повышается и доводится до кипения. Пар, который был получен в котле снова идет в котел для перегревания его выше температуры кипения воды (при данном давлении), затем по паропроводам он поступает на паровую турбину, в которой пар совершает работу. При этом он расширяется, уменьшается его температура и давление. Таким образом, потенциальная энергия пара передается турбине, а значит, превращается в кинетическую. Турбина же в свою очередь приводит в движение ротор трехфазного генератора переменного тока, который находится на одном валу с турбиной и производит энергию.

Рассмотрим некоторые элементы КЭС поближе.

Паровая турбина.

Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. Между рядами лопаток, как видите, есть промежутки. Они есть потому, что этот ротор вынут из корпуса. В корпус тоже встроены ряды лопаток, но они неподвижны и служат для создания нужного угла падения пара на движущиеся лопатки.

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум.

Турбина и генератор, которые находятся на одном валу называются турбогенератором. Трехфазный генератор переменного тока (синхронная машина).

Он состоит из:

Который повышает напряжение до стандартного значения (35-110-220-330-500-750 кВ). При этом ток значительно уменьшается (например, при увеличении напряжения в 2 раза, ток уменьшается в 4 раза), что позволяет передавать мощность на большие расстояния. Следует отметить, что когда мы говорим о классе напряжения, то мы имеем в виду линейное (междуфазное) напряжение.

Активную мощность, которую вырабатывает генератор, регулируют изменением количеством энергоносителя, при этом изменяется ток в обмотке ротора. Для увеличения выдаваемой активной мощности нужно увеличить подачу пара на турбину, при этом ток в обмотке ротора возрастет. Не следует забывать, что генератор синхронный, а это значит, что его частота всегда равна частоте тока в энергосистеме, и изменение параметров энергоносителя не повлияет на частоту его вращения.

Кроме того, генератор вырабатывает и реактивную мощность. Ее можно использовать для регулирования выдаваемого напряжения в небольших пределах (т.е. это не основное средство регулирования напряжения в энергосистеме). Работает это таким образом. При перевозбуждении обмотки ротора, т.е. при повышении напряжения на роторе сверх номинала, «излишек» реактивной мощности выдается в энергосистему, а когда обмотку ротора недовозбуждают, то реактивная мощность потребляется генератором.

Таким образом, в переменном токе мы говорим о полной мощности (измеряется в вольт-амперах – ВА), которая равна корню квадратному от суммы активной (измеряется в ваттах – Вт) и реактивной (измеряется в вольт-амперах реактивных – ВАР) мощностях.

Вода в водохранилище служит для отведения тепла от конденсатора. Однако, часто для этих целей используют брызгальные бассейны

или градирни. Градирни бывают башенными Рис.8

или вентиляторными Рис.9

Градирни устроены почти так же как и , с тем лишь различием, что вода стекает по радиаторам, передает им тепло, а уже они охлаждаются нагнетаемым воздухом. При этом часть воды испаряется и уносится в атмосферу.
КПД такой электростанции не превышает 30%.

Б) Газотурбинная электростанция.

На газотурбинной электростанции турбогенератор приводится в движение не паром, а непосредственно газами, получаемыми при сгорании топлива. При этом можно использовать только природный газ, иначе турбина быстро выйдет из стоя из-за ее загрязнения продуктами горения. КПД на максимальной нагрузке 25-33%

Гораздо больший КПД (до 60%) можно получить, совмещая паровой и газовый циклы. Такие установки называются парогазовыми. В них вместо обычного котла установлен котел-утилизатор, не имеющий собственных горелок. Теплоту он получает от выхлопа газовой турбины. В настоящее время ПГУ активнейшим образом внедряются в нашу жизнь, но пока в России их немного.

В) Теплоэлектроцентрали (очень давно стали неотъемлемой частью крупных городов). Рис.11

ТЭЦ конструктивно устроена как конденсационная электростанция (КЭС). Особенность электростанции такого типа состоит в том, что она может вырабатывать одновременно как тепловую, так и электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные способы отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. При этом часть пара или полностью весь пар (зависит от типа турбины) поступает в сетевой подогреватель, отдает ему теплоту и конденсируется там. Теплофикационные турбины позволяют регулировать количество пара для тепловых или промышленных нужд что позволяет ТЭЦ работать в нескольких режимах по нагрузке:

тепловому - выработка электрической энергии полностью зависит от выработки пара для промышленных или теплофикационных нужд.

электрическому - электрическая нагрузка независима от тепловой. Кроме того, ТЭЦ могут работать и в полностью конденсационном режиме. Это может потребоваться, например, при резком дефиците активной мощности летом. Такой режим является невыгодным для ТЭЦ, т.к. значительно снижается КПД.

Одновременное производство электрической энергии и тепла (когенерация) – выгодный процесс, при котором КПД станции существенно повышается. Так, например, расчетный КПД КЭС составляет максимум 30%, а у ТЭЦ – около 80%. Плюс ко всему, когенерация позволяет уменьшить холостые тепловые выбросы, что положительно сказывается на экологии местности, в которой расположена ТЭЦ (по сравнению с тем, если бы тут была КЭС аналогичной мощности).

Рассмотрим подробнее паровую турбину.

К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с:

Противодавлением;

Регулируемым отбором пара;

Отбором и противодавлением.

Турбины с противодавлением работают с выхлопом пара не в конденсатор, как у КЭС, а в сетевой подогреватель, то есть весь пар, пошедший через турбину, идет на теплофикационные нужды. Конструкция таких турбин обладает существенным недостатком: график электрической нагрузки полностью зависит от графика тепловой нагрузки, то есть такие аппараты не могут принимать участия в оперативном регулировании частоты тока в энергосистеме.

В турбинах, имеющих регулируемый отбор пара, происходит его отбор в нужном количестве в промежуточных ступенях, при этом выбирают такие ступени для отбора пара, какие подходят в данном случае. Такой тип турбины обладает независимостью от тепловой нагрузки и регулирование выдаваемой активной мощности можно регулировать в больших пределах, чем у ТЭЦ с противодавлением.

Турбины с отбором и противодавлением совмещают в себе функции первых двух видов турбин.

Теплофикационные турбины ТЭЦ не всегда не способны за малый промежуток времени изменить тепловую нагрузку. Для покрытия пиков нагрузки,а иногда и для увеличения электрической мощности путем перевода турбин в конденсационный режим, на ТЭЦ устанавливают пиковые водогрейные котлы.

2) Атомные электростанции.

В России на настоящий момент существует 3 вида реакторных установок. Общий принцип их работы примерно похож на работу КЭС (в былые времена АЭС называли ГРЭС). Принципиальное различие состоит лишь в том, что тепловую энергию получают не в котлах на органическом топливе, а в ядерных реакторах.

Рассмотрим две самых распространенных типов реакторов в России.

1) Реактор РБМК .

Отличительная особенность этого реактора состоит в том, что пар для вращения турбины получают непосредственно в активной зоне реактора.

Активная зона РБМК. Рис.13

состоит из вертикальных графитовых колонн, в которых находятся продольные отверстия, с вставленными туда трубами из циркониевого сплава и нержавеющей стали. Графит выполняет роль замедлителя нейтронов. Все каналы делятся на топливные и каналы СУЗ (система управления и защиты). Они имеют разные контуры охлаждения. В топливные каналы вставляют кассету (ТВС – тепловыделяющую сборку) со стержнями (ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент) внутри которых находятся урановые таблетки в герметичной оболочке. Понятно, что именно от них получают тепловую энергию, которая передается непрерывно циркулирующему снизу вверх теплоносителю под большим давлением – обычной, но очень хорошо очищенной от примесей воде.

Вода, проходя по топливным каналам, частично испаряется, пароводяная смесь поступает от всех отдельных топливных каналов в 2 барабан-сепаратора, где происходит отделение (сепарация) пара от воды. Вода снова уходит в реактор с помощью циркуляционных насосов (всего из 4 на петлю), а пар по паропроводам идет на 2 турбины. Затем пар конденсируется в конденсаторе, превращается в воду, которая снова идет в реактор.

Тепловой мощностью реактора управляют только с помощью стержней-поглотителей нейтронов из бора, которые перемещаются в каналах СУЗ. Вода, охлаждающая эти каналы идет сверху вниз.

Как вы могли заметить, я еще ни разу не сказал про корпус реактора. Дело в том, что фактически у РБМК нет корпуса. Активная зона про которую я вам сейчас рассказывал помещена в бетонную шахту, сверху она закрыта крышкой весом в 2000 тонн.

На приведенном рисунке видна верхняя биологическая защита реактора. Но не стоит ожидать, что приподняв один из блоков, можно будет увидеть желто-зеленое жерло активной зоны, нет. Сама крышка располагается значительно ниже, а над ней, в пространстве до верхней биологической защиты остается промежуток для коммуникаций каналов и полностью извлеченных стержней поглотителей.

Между графитовыми колоннами оставляют пространство для теплового расширения графита. В этом пространстве циркулирует смесь газов азота и гелия. По ее составу судят о герметичности топливных каналов. Активная зона РБМК рассчитана на разрыв не более 5 каналов, если разгерметизируется больше – произойдет отрыв крышки реактора и раскрытие остальных каналов. Такое развитие событий вызовет повторение Чернобыльской трагедии (тут я имею в виду не саму техногенную катастрофу, а ее последствия).

Рассмотрим плюсы РБМК:

—Благодаря поканальному регулированию тепловой мощности есть возможность менять топливные сборки, не останавливая реактор. Каждый день, обычно, меняют несколько сборок.

—Низкое давление в КМПЦ (контур многократной принудительной циркуляции), что способствует более мягкому протеканию аварий, связанных с его разгерметизацией.

—Отсутствие сложного в изготовлении корпуса реактора.

Рассмотрим минусы РБМК:

—В ходе эксплуатации были обнаружены многочисленные просчеты в геометрии активной зоны, устранить которые на действующих энергоблоках 1-го и 2-го поколений (Ленинград, Курск, Чернобыль, Смоленск) полностью не возможно. Энергоблоки РБМК 3-его поколения (он один – на 3 энергоблоке Смоленской АЭС) лишен этих недостатков.

—Реактор одноконтурный. То есть турбины вращает пар, полученный непосредственно в реакторе. А это значит, что он содержит радиоактивные компоненты. При разгерметизации турбины (а такое было на Чернобыльской АЭС в 1993 году) ее ремонт будет сильно усложнен, а, может быть, и невозможен.

—Срок службы реактора определяется сроком службы графита (30-40 лет). Затем наступает его деградация, проявляющаяся в его разбухании. Этот процесс уже вызывает серьезные опасения на старейшем энергоблоке РБМК Ленинград-1, построенном в 1973 году (ему уже 39 лет). Наиболее вероятный выход из ситуации – заглушение n-нного количества каналов для уменьшения теплового расширения графита.

—Графитовый замедлитель является горючим материалом.

—Ввиду огромного количества запорной арматуры, реактор сложен в управлении.

— На 1 и 2 поколениях существует неустойчивость при работе на малых мощностях.

В целом можно сказать, что РБМК – хороший реактор для своего времени. В настоящее время принято решение не строить энергоблоки с этим типом реакторов.

2) Реактор ВВЭР.

На смену РБМК в настоящее время приходит ВВЭР. Он обладает значительными плюсами по сравнению с РБМК.

Активная зона полностью находится в очень прочном корпусе, который изготавливают на заводе и привозят железнодорожным, а затем и автомобильным транспортом на строящийся энергоблок в полностью готовом виде. Замедлителем является чистая вода под давлением. Реактор состоит из 2-х контуров: вода первого контура под большим давлением охлаждает топливные сборки, передавая тепло 2-му контуру с помощью парогенератора (выполняет функцию теплообменника между 2-ми изолированными контурами). В нем вода второго контура кипит, превращается в пар и идет на турбину. В первом контуре вода не кипит, так как она находится под очень большим давлением. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе и снова идет в парогенератор. Двухконтурная схема обладает значительными плюсами по сравнению с одноконтурной:

Пар, идущий на турбину не радиоктивен.

Мощностью реактора можно управлять не только стержнями-поглотителями, но и раствором борной кислоты, что делает реактор более устойчивым.

Элементы первого контура располагаются очень близко друг от друга, поэтому их можно поместить в общую защитную оболочку. При разрывах в первом контуре радиоактивные элементы попадут в гермооболочку и не выйдут в окружающую среду. Кроме того гермооболочка защищает реактор от внешнего воздействия (например от падения небольшого самолета или взрыва за периметром станции).

Реактор не сложен в управлении.

Имеются так же и минусы:

—В отличие от РБМК, топливо нельзя менять при работающем реакторе, т.к. оно находится в общем корпусе, а не в отдельных каналах, как в РБМК. Время перезагрузки топлива обычно совпадает со временем текущего ремонта, что уменьшает воздействие этого фактора на КИУМ (коэффициент используемой установленной мощности).

—Первый контур находится под большим давлением, что потенциально может вызвать больший масштаб аварии при разгерметизации, чем РБМК.

—Корпус реактора очень сложно перевезти с завода-изготовителя на стройплощадку АЭС.

Что же, работу тепловых электростанций мы рассмотрели, теперь рассмотрим работу

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией - естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. ГЭС обладают очень высокой маневренностью вырабатываемой мощности, а также малой стоимостью вырабатываемой электроэнергии. Эта особенность ГЭС привела с созданию другого типа электростанции – ГАЭС. Такие станции способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (обычно ночью), гидроагрегаты ГАЭС работают как насосы, потребляя электрическую энергию из энергосистемы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность (в пики нагрузки), вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины. ГАЭС выполняют исключительно важную функцию в энергосистеме (регулирование частоты), но они не получают широкого распространения у нас в стране, т.к. в итоге они потребляют больше мощности, чем выдают. То есть станция такого типа убыточна для владельца. Например, на Загорской ГАЭС мощность гидрогенераторов в генераторном режиме 1200 МВт, а в насосном – 1320 МВт. Однако такой тип станции наилучшем образом подходит для быстрого увеличения или уменьшения вырабатываемой мощности, поэтому их выгодно сооружать около, например, АЭС, так как последние работают в базовом режиме.

Мы с вами рассмотрели как именно производится электрическая энергия. Пора задать себе серьезный вопрос: «А какой тип станций наилучшем образом отвечает всем современным требованиям по надежности, экологичности, а кроме этого, еще и будет отличаться малой стоимостью энергии?» Каждый ответит на этот вопрос по-разному. Приведу свой список «лучших из лучших».

1) ТЭЦ на природном газе. КПД таких станций очень высок, высока и стоимость топлива, но природный газ – один из самых «чистых» видов топлива, а это очень важно для экологии города, в черте которых обычно и располагаются ТЭЦ.

2) ГЭС и ГАЭС. Преимущества над тепловыми станциями очевидно, так как этот тип станции не загрязняет атмосферу и производит самую «дешевую» энергию, которая плюс ко всему является возобновляемым ресурсом.

3) ПГУ на природном газе. Самый высокий КПД среди тепловых станций, а так же малое количество потребляемого топлива, позволит частично решить проблему теплового загрязнения биосферы и ограниченных запасов ископаемого топлива.

4) АЭС. В нормальном режиме работы АЭС выбрасывает в окружающую среду в 3-5 раз меньше радиоактивных веществ, чем тепловая станция той же мощности, поэтому частичное замещения тепловых электростанций атомными вполне оправдано.

5) ГРЭС. В настоящее время на таких станциях в качестве топлива используют природный газ. Это является абсолютно бессмысленным, так как с тем же успехов в топках ГРЭС можно утилизировать попутный нефтяной газ (ПНГ) или сжигать уголь, запасы которого огромны, по сравнению с запасами природного газа.

На этом я завершаю первую часть статьи.

Материал подготовил:
студент группы ЭС-11б ЮЗГУ Агибалов Сергей.

Высокая частота вращения приводит к возникновению в роторе больших механических напряжений из-за действия центробежных сил. Для получения необходимой прочности ротор изготавливают массивным цилиндрическим из цельной стальной поковки. В качестве материала для роторов турбогенераторов относительно небольшой мощности с воздушным охлаждением используют углеродистую кованную сталь марки 35. Рогоры крупных турбогенераторов изготавливают из высоколегированной стали марок: ОХНЗМ, ОХН4МАР, 35ХНМ, 35ХНЗМА 35ХН4МА. 35ХН1МФА, 36ХНМА. 36ХНЗМФА, 36ХН1Н. на электромашиностроительном заводе из заготовки вытачивают все ступени ротора с припуском до чистоты, необходимой для проведения ультразвуковой дефектоскопии. По отражению звуковой волны удается обнаруживать дефекты размером более 3 мм на большой глубине. После чистовой обработки в роторе фрезеруют пазы под обмотку, токоподводы и для вентиляции (рис. 1). Пазы под обмотку возбуждения занимают примерно 2/3окружности бочки ротора. Оставшаяся свободной третья часть, образует два диаметрально расположенных больших зубца, через которые проходит главная часть магнитного потока генератора. В турбогенераторах российского производства используют четыре формы пазов (рис. 2), Глубина пазов определяется допустимой толщиной основания зубца, где возникают наибольшие растягивающие напряжения при вращении ротора.

В генераторах с форсированным охлаждением ротора на зубцах фрезеруют скосы для улучшения входа газа иззазора в отверстия пазовых клиньев (рис. 3).

При косвенном охлаждении обмотки возбуждения на поверхно­сти ротора прорезают поперечные винтовые канавки небольшой глубины. Такое рифление бочки уменьшает поверхностные потери и увеличивает наружную поверхность, что приводит к улучшению охлаждения ротора. Температура обмотки ротора снижается в результате на 7--10 0 С.

Для выхода газа, охлаждающего лобовые части обмотки ротора, в больших зубцах прорезают по два вентиляционных паза такой же ширины, как и пазы для обмотки, но меньшей глубины. Вентиляционные пазы служат такжедля более эффективного охлаждения бочки ротора.

В роторах машин небольшой мощности для токоподвода обмотки возбуждения на валу со стороны возбудителя фрезеруют два диаметрально расположенных паза. В турбогенераторах, имеющих контактные кольца, вынесенные за подшипник, для токоподвода используют центральное отверстие ротора. Пазы токоподвода соединяют двумя отверстиями с центральным отверстием, которое дополнительно растачивают для укладки стержней токоподвода. Радиальные отверстия сверлят и в месте установки контактных колец.

В больших зубьях роторов с форсированным охлаждением об мотки вдоль первых обмоточных пазов сверлят два ряда отверстий для размещения балансировочных грузов. В турбогенераторах с поверхностным охлаждением ротора отверстия для балансировочных грузов сверлят в пазовых клиньях.

Для крепления центрирующего кольца и вентилятора на каждом хвостовике ротора обрабатывают посадочные площадки. Все кромки и углы пазов и зубцов ротора выполняют с закруглениями для устранения концентрации напряжений в этих местах. С аналогичной целью ступени ротора с различным диаметром имеют переходный радиус.

Участок вала, опирающийся на подшипник, называют цапфой. Размеры цапфы выбирают из соображений механической прочности самого вала и режима работы подшипника. Обрабатывают цапфы вала на полностью собранном роторе.

1.2. Конструкция обмотки ротора

Обмотка возбуждения двухполюсного турбогенератора состоит со ответственно из двух групп катушек, укладываемых в пазы ротора. Катушки, принадлежащие одной группе, располагаются концентрически на одном полюсном делении ротора относительно его большого зуба (рис. 4). Таким образом, обмотка возбуждения турбогенератора является распределенной, благодаря чему достигается близкая к синусоидальной форма МДС ротора. Число катушек в группе может составлять 7-10, а число витков в катушке 5-28. Рассмат- риваемые далее особенности конструкции обмоток возбуждения во многом определяются используемой системой охлаждения.

Ротор с поверхностным охлаждением. Каждую катушку обмотки возбуждения наматывают непрерывно из сплошного провода. На мотку производят на ребро, Для машин небольшой мощности используют проводник из чистой электролитической меди, а для более мощных генераторов - проводник из меди с присадкой серебра, который обладает значительно более высокой прочностью. Это объясняется тем, что витки обмотки возбуждения с течением времени укорачиваются. Укорочение может достигать 30-40 мм и является следствием одновременного действия термических напряжений н центробежных сил при пусках машины. При недостаточной механической прочности укорочение витков может привести к разрушению изоляции или меди обмотки возбуждения. Из-за намотки провода на ребро в углах изгиба происходит утолщение меди по внутреннему радиусу проводника. Общее увеличение высоты катушки состав- ляет несколько сантиметров. Поэтому утолщение каждого витка устраняют опиловкой или обжатием на специальном прессе.

Соединяют катушки между собой последовательно. Соединение выполняют по такой схеме; верхний виток одной катушки - с верх ним витком следующей, соответственно нижний виток - с нижним витком. При такой схеме четные катушки должны иметь правую намотку, а нечетные - левую. Специальных перемычек между катушками не требуется, так как их витки спаивают встык под углом 45° к оси проводника. Соединение между группами катушек выполняют обычно по верхним виткам, что возможно только при чет ном числе катушек на полюс. Выводные концы обмотки возбуждения изготавливают гибкими из набора медных шин толщиной 0,3 0,5 мм, которые крепят я пазах вала стальными клиньями.

Электрическая прочность корпусной изоляции обмотки возбуждения определяется максимальным испытательным напряжением, которое, в своё очередь, зависит от величин перенапряжении, возникающих в обмотке при аварийном разрыве цепи возбуждения. С другой стороны толщина корпусной изоляции ограничена допустимым температурным перепадом, который не должен быть выше 25-30°С. С учетом этих двух противоположных факторов толщину гильзы выбирают в пределах 1-1,2 мм.

Начиная с мощности 500 МВт и выше турбогенераторы серии ТВВ имеют трапецеидальный паз ротора. Сечение обмотки возбуждения при этом увеличивается до 30%. Однако это достигается за счет усложнения фрезерования пазов и выполнения катушек с витками различной ширины. Поперечный разрез паза генератора ТВВ-500-2 показан на рис. 5 , а. Прямолинейная пазовая часть катушки с трапецеидальным сечением выходит на 30 мм с каждой стороны из бочки ротора. Лобовые части катушек имеют уже прямоугольное сечение (рис. 5, б) с внутренними продольными каналами для охлаждения. На выходе из бочки ротора пазовая изоляция имеет дополнительные манжеты из стеклотекстолита. Пазы в этих местах несколько расширены.

Крепление лобовых частей обмотки возбуждения генераторов серии ТВВ показано на рис. 5,в. В аксиальном и тангенциальном направлениях катушки плотно закреплены специальными клиньями. Между кольцом и обмоткой установлены изоляционные сегменты. Компенсирующие устройства позволяют обмотке удлиняться при ее нагревании.

2.Пазовые клинья и демпферная система ротора

Клинья крепят в пазах ротора обмотку возбуждения и совместно с зубцами образуют демпферную систему ротора. При работе турбо генератора высшие пространственные гармоники поля статора индуцируют в бочке ротора вихревые токи, вызывающие дополнительные потери. При несимметричных режимах вихревые токи могут явиться причиной местных перегревов и снижения прочности бочки ротора. Демпферная система разгружает ротор от протекания вихревых токов и ослабляет магнитные поля, приводящие к их возник- никновению. Следовательно, клинья должны быть изготовлены из материала не только с высокой механической прочностью, но и хорошей электропроводностью. Клинья должны быть немагнитными, чтобы не увеличивать поле рассеяния обмотки возбуждения, Основные характеристики металлов, применяемых для изготовления клиньев, приведены в табл.1, а формы пазовых клиньев показаны на рис. 6.

Таблица 1

Механические свойства металла клиньев

В турбогенераторах небольшой мощности применялись составные по ширине паза клинья из магнитного (сталь) и немагнитного (бронза) материалов. Такая конструкция клина использовалась для улучшения формы кривой индукции в зазоре. В настоящее время составные клинья не применяются, а магнитные клинья устанавливают только в пазах, расположенных по обе стороны большого зуба.

В большинстве случаев пазовые клинья изготавливают из дюралюминия марки Д16Т, применение которого позволяет снизить напряжения от центробежных сил в бочке ротора и зубцах благодаря небольшой плотности. Длина клина составляет 300-350 мм. Стыки между клиньями выполняют с зазором в 1 -1,5 мм. Стыки совмещают с кольцевыми выточками на бочке ротора. Это предот- вращает концентрацию напряжении в зубцах в местах стыков. Клинья устанавливают в пазу плотно, чтобы они не смогли впоследствии сдвинуться и перекрыть в турбогенераторах с форсированным охлаждением вентиляционные каналы в обмотке, а также чтобы получить хороший электрический контакт с бочкой ротора. Плотность установки создается только по поверхности заплечиков клиньев, являющихся их опорной частью.

В генераторах типа ТВВ для повышения устойчивости роторов к нагревам, обусловленным токами, проходящими по поверхности бочки, клиньям и бандажам при не симметричных режимах, в торцевой зоне ротора устанавливают медные сегменты с посеребренной поверхностью. Сегменты имеют вид гребенки, зубья которой входят под концевые клинья пазов с обмоткой н специальных пазов в больших зубцах. Сегменты укладывают в два слоя с перекрытием стыков .

3. Бандаж ротора

Условия работы бандажа . Бандажный узел ротора предназначен для крепления лобовых частей обмотки возбуждения. Он состоит из бандажного кольца, центрирующего (или упорного) кольца н деталей их крепления. Основной деталью узла является бандажное кольцо, которое воспринимает действие центробежных сил и удерживает лобовые части об мотки возбуждения от отгиба а радиальном направлении. Центрирующее кольцо воспринимает усилия от теплового расширения обмотки, а также обеспечивает сохранение цилиндрической формы бандажного кольца и центровку его относительно оси вала. В тех конструкциях узла, в которых центрирующее кольцо не имеет посадки на вал ротора, оно называется упорным кольцом.

Бандажное кольцо является наиболее нагруженной деталью турбогенератора. Прочное крепление его может быть осуществлено только горячей посадкой с натягом. Значение натяга определяется расчетным путем, Натяг должен создавать плотное соединение кольца не только при номинальной частоте вращения, но и при угонной - 3600 об/мин (при эксплуатации турбогенератора в случае внезапного сброса нагрузки частота вращения ротора может увеличиться на 20%).

Масса лобовых частей обмотки ротора распределена неравно мерно относительно продольной и поперечной осей ротора, отчего в кольце кроме растягивающих усилий возникают изгибающие моменты, стремящиеся придать бандажному кольцу овальную форму. Собственная масса кольца при вращении также создает центробежные усилия, составляющие до 70% всей нагрузки на кольцо. Токи в бочке ротора от обратно синхронных полей статора могут замыкаться через бандажное кольцо (рис. 7), в результате посадочные контактные поверхности, а также контактные поверхности между клиньями и зубцами могут сильно нагреваться, вплоть до подгара и выплавления металла. Знакопеременные усилия и вибрация ротора с течением времени ослабляют посадку, вследствие чего бандажное кольцо может сползти c места посадки.

4.Уплотнение вала

Назначение и принцип работы . Утечка водорода через кольцевой зазор между валом ротора и торцевыми щитами в окружающее пространство предотвращается специальным уплотнением. Уплотнения вала бывают двух типов: торцевые н цилиндрические (кольцевые). Принцип их работы основан на создании встречного потока масла в узком зазоре между валом н неподвижным вкладышем уплотнения (рис. 8), запирающим выход водорода из корпуса статора. Превышение давления масла над давлением водорода составляет 0,05-0,09 МПа. Вкладыш уплотнения покрыт слоем баббита, В баббите сделана клиновидная разделка, благодаря которой, как и в подшипнике, создается масляный клин между валом и вкладышем. При номинальной частоте вращения в масляном слое развивается гидродинамическое усилие, которое вместе с гидростатическим усилием, создаваемым насосами маслоснабжения, отжимает вкладыш от вала.

В цилиндрических уплотнениях в качестве прижимающей силы используется только сила тяжести самого вкладыша. В уплотнениях торцевого типа прижимающее усилие может создаваться давлениями водорода, масла, пружинами. Равновесие между прижимающим и отжимающим усилиями наступает при номинальной частоте вращения при толщине масляного слоя 0,07-0,15 мм, обеспечивающей чисто жидкостное трение.

Масло в уплотнении растекается как в сторону водорода, так и в строну воздуха. Масло, текущее в сторону водорода, отдает не которое количество содержащегося в нем воздуха, и, наоборот, поглощает водород. Уплотнения торцевого типа позволяют получить относительно малые утечки водорода из генератора, что имеет важное значение при повышенном давлении газа. Загрязнение маславодородом и воздухом также весьма незначительно из-за малых зазоров между валом и вкладышем. Однако монтаж торцевых уплотнений сложен, они чувствительны к тепловым расширениям вала и не допускают перерыва в снабжении маслом. В последнем случае возникает полусухое трение, которое приводит к выплавлению баббита и повреждению поверхности вала. Восстановление масло снабжения, как правило, уже не позволяет возобновить нормальную работу уплотнения, т. е. неизбежна аварийная остановка генератора.

В зависимости от конструкции первичного двигателя существует два основных типа синхронных генераторов :быстроходные и тихоходные.

Быстроходные генераторы на 3000 и 1500 об/мин предназначаются для непосредственного соединения с и называются турбогенераторами .

С увеличением числа оборотов размеры и вес паровой турбины и генератора уменьшаются, что дает ряд экономических преимуществ. В связи с этим в настоящее время широко применяют двухполюсные турбогенераторы на 3000 об/мин.

Синхронизация и принятие нагрузки турбогенератора

После того как турбина развернута до номинального числа оборотов, нужно проверить действие приспособления для изменения числа оборотов (синхронизатора). Убедившись, что оно работает исправно, можно включать генератор на сеть, помня, что работать длительное время без нагрузки турбина не должна во избежание чрезмерного нагрева части низкого давления. Если на данную сеть не работает какой-либо другой генератор, то включение осуществляется очень просто. Включают возбуждение генератора, доводят его напряжение до нормального и включают главный масляный выключатель, после чего поочередно включают масляные выключатели фидеров, передающих энергию к потребителям.

Иначе обстоит дело, когда генератор приключается к сети, на которую уже работают другие генераторы. Включение на параллельную или, как говорят, синхронную работу с другими генераторами должно быть произведено в момент, когда напряжение приключаемого генератора равно напряжению в сети, число периодов в секунду (частота) приключаемого генератора одинаково с частотой уже работающих на сеть генераторов (то есть с частотой сети) и имеет место совпадение фаз напряжения в сети и напряжения приключаемого генератора.

Равенство напряжений определяется по показаниям вольтметров, установленных на распределительном щите и указывающих действительные значения напряжений приключаемого генератора и сети. В случае, если показания вольтметров различны, то напряжение генератора подгоняют к напряжению сети, соответствующим образом регулируя возбуждение генератора.

Как известно, напряжение на зажимах (выводах) генератора переменного тока непрерывно изменяется; оно увеличивается от нуля до некоторого максимального положительного значения, затем уменьшается до нуля, после чего принимает отрицательное значение и, достигнув определенной величины, опять падает до нуля и так далее. Графически эти изменения изобразятся кривой, по форме близкой к синусоиде (рис. 8). Время, в течение которого напряжение проходит все свои положительные и отрицательные значения, называется периодом, а число периодов в секунду- частотой. Обычно применяется частота, равная 50 пер/сек.

Частота определяется выражением

Где р- число пар полюсов генератора;
n- число оборотов в минуту;
60- число секунд в минуте.
Следовательно, равенство частот работающего и приключаемого генераторов будет иметь место при условии, что

Это значит, что при равном числе полюсов работающего и приключаемого генераторов, то есть р= p 1 , должны быть равны и числа их оборотов n= n 1 . Таким образом, для получения близкого совпадения частот число оборотов приключаемого генератора должно быть возможно точно доведено до числа оборотов работающего генератора.

При большем числе полюсов у работающего генератора число оборотов приклчаемого должно быть соответственно больше, и наоборот.

После того как равенство напряжений и близость частот достигнуты, нужно уловить момент совпадения фаз напряжения в сети и напряжения приключаемого генератора и включить генератор именно в этот момент. Это условие требует некоторого пояснения.

Известно, что напряжение в сети, к которой мы должны приключить генератор, изменяется по кривой, аналогичной изображенной на (рис. 8) Практически почти неизбежно, что напряжение генератора, уже работающего на сеть, и напряжение приключаемого генератора, даже имея равные амплитуды, окажутся сдвинутыми по фазе, то есть будут достигать каждого из своих мгновенных одинаковых значений разновременно (рис.9) Если мы при этом условии соединим в момент М генераторы для параллельной работы, то между зажимами генераторов окажется разность потенциалов, равная (b - a) , и через обмотки пойдет ток, который может оказаться даже больше тока короткого замыкания. Указанная разность потенциалов будет изменяться по величине примерно так, как показано на (рис. 10) На этой фигуре кривая е 1 изображает напряжение работающего на сеть генератора, кривая

Напряжение приключаемого генератора, а кривая е р - равнодействующую напряжений, которое получается от взаимодействия е 1 и е 2 .

Задача состоит в том, чтобы приключить генератор в такой момент, когда его напряжение и напряжение уже работающего на сеть генератора достигнут своих максимальных значений одновременно, будучи при этом равными и взаимно противоположными(будучи взаимно противоположными в внутренней цепи (в обмотках машины), совпадут по фазе по отношению к внешней цепи тока (сборным шинам)) .

В этот момент результирующее напряжение е р будет равно нулю, и включение может быть произведено совершенно безопасно.

Рассматривая диаграмму, представленную на (рис. 10), мы видим, что кривые е 1 и е 2 имея равные амплитуды, постепенно сдвигаются одна относительно другой. Этот сдвиг вызывается некоторой разностью в числе оборотов генератора, которая практически всегда имеет место до включения на параллельную работу. Соответственно изменяется и амплитуда кривой е р , которая достигает своего максимального значения в момент совпадения одноименных максимальных значений е 1 и е 2 (точки А и В ).

Своего нулевого значения е р достигает в моменты одновременности равных, но взаимно противоположных значений е 1 и е 2 (точка D ) или одновременности нулевых значений (точка С ).

Таким образом, приключать генератор можно в моменты, соответствующие точкам С и D . Для определения этих моментов между соединяемыми шинами включают электрические лампы, называемые фазовыми лампами (рис. 11) . Ток, проходящий в этих лампах, вызывается равнодействующим напряжением е р . Очевидно, что в соответствии с изменениями е р будет изменяться накал фазовых ламп, которые будут ярко светиться в моменты, соответствующие точкам А и В , и постепенно погасать с уменьшением е р . При этом, чем ближе совпадают скорости вращения генераторов, тем продолжительнее будут периоды вспыхивания и затухания фазовых ламп, так как тем реже будет иметь место совпадение фаз е 1 и е 2 . Схема параллельного соединения двух трехфазных генераторов с включением фазовых ламп показана на (рис. 12). Как видно из этой схемы, обе фазовые лампы при включении выключателей В 3 и В 4 будут вспыхивать одновременно.

Фазовые лампы не дают возможности точно уловить момент, когда е р становится равным нулю, так как они перестают светиться уже с того момента, когда е р становится недостаточным для их накала, но имеет еще существенную величину. Поэтому в параллель к фазовым лампам обычно приключают вольтметр, по которому можно более точно наблюдать разность потенциалов между соединяемыми шинами. В таком случае включение генератора производят в момент, когда вслед за потуханием фазовой лампы стрелка вольтметра займет нулевое положение. Предварительно добиваются возможно более продолжительных периодов загорания и потухания фазовых ламп, регулируя от руки или со щита число приключаемого генератора посредством приспособления для изменения числа оборотов турбины (синхронизатора).

Эксплуатация турбогенератора

Величина длительно допускаемой (без ограничения времени) нагрузки генератора зависит: 1)температуры охлаждающего воздуха; 2)коэффициента мощности с которым работает генератор; 3)длительно допускаемой температуры нагрева обмоток и стали статора, а также обмоток ротора.

Большинство генераторов, установленных на электростанциях, рассчитано на отдачу номинальной мощности при температуре входящего охлаждающего воздуха +35 или +40 0 С . При этом нагрев воздуха в генераторе (температурный перепад) в зависимости от типа генератора обычно составляет не более 25-30 0 С, соответственно чему температура выходящего из генератора воздуха обычно не превышает +60-70 0 С.

Длительно допускаемые температуры нагрева обмоток и стали различны для генераторов различного типа и зависят от рода их изоляции. Точные значения температур указывают в станционных инструкциях для каждого генератора, однако в большинстве случаев они не должны превышать 100-120 0 С для статорных обмоток и 120-145 0 С для роторных обмоток. Температура стали в месте расположения обмотки не должна быть больше допускаемой температуры последней. При этом предполагается, что температура нагрева обмоток и стали статора измеряются термодетекторами (термометрами сопротивления), заложенными между стержнями обмоток и на дно пазов статора, а температура нагрева обмоток ротора определяется по методу изменения сопротивления при нагреве.

Изоляция генераторов постепенно изнашивается или, как принято говорить, стареет. Старение изоляции происходит в следствии воздействия на нее электрического поля, под действием различных механических нагрузок (вибрации машины, электродинамических действий токов к. з., трения струи охлаждающего воздуха и т. д.). В следствии ее загрязнения, увлажнения, окисления кислородом воздуха и ряда других причин. Особенно большое влияние на старение изоляции оказывает ее нагрев - чем выше температура нагрева изоляции, тем быстрее она разрушается, тем меньше ее срок службы. Например, если взять наиболее распространенную для статорных и роторных обмоток изоляцию класса В (изделия из слюды, асбеста и других минеральный материалов со связующими материалами на шеллаке), то оказывается, что если при нагреве до температуры 120 0 С срок службы ее составляет около 15 лет, то при нагреве до 140 0 С срок службы ее резко уменьшается почти до 2 лет. Значительный нагрев изоляции приводит к уменьшению ее эластичности, она становиться хрупкой, электрическая прочность ее резко уменьшается. Так же изоляция класса В при температуре нагрева порядка 105 0 С стареет медленно и срок службы ее становится более 25-30 лет.
Из сказанного следует, что в эксплуатации при любых режимах работы генераторов нельзя допускать нагрева их изоляции свыше установленных для них предельно допустимых температур.

Если температура входящего в генератор воздуха меньше номинальной (соответственно +35 или +40 0 С), то условия охлаждения генератора улучшаются и его мощность может быть несколько увеличена по сравнению с номинальной. Наоборот, если температура входящего воздуха выше номинальной, то мощность генератора должна быть несколько уменьшена. Значения допускаемых нагрузок генераторов при различных температурах входящего воздуха указываются в станционных и типовых инструкциях на генераторы.

Наибольшая допускаемая температура входящего в генератор воздуха +50 0 С, а выходящего (горячего) +75 0 С.

Для большинства генераторов номинальный коэффициент мощности cos f составляет от 0,8 до 0,9. От величины коэффициента мощности, с которым работает генератор, зависит величина тока возбуждения генератора. При одной и той же нагрузке генератора в киловольтамперах, чем меньше коэффициент мощности, тем больше ток возбуждения, тем больше загрузка ротора. Работа генератора с коэффициентом мощности меньше номинального приводит к неполному использованию мощности агрегата.

Если напряжение на зажимах генератора отличается от номинального не более чем на 5%, то генератор может быть загружен на номинальную мощность. Допускаются следующие предельные повышения напряжения на зажимах: для генераторов 6,6 кв - 10%, а для генераторов 10,5 кв и выше - 5%. В случае увеличения напряжения на зажимах генераторов до 6,6 кв и ниже более чем на 5% нагрузка их должна быть несколько уменьшена. Объясняется это тем,что в следствии недопустимости перегрузки ротора повышенное напряжение на зажимах генератора может быть получено только за счет уменьшения его нагрузки Наоборот, в случае уменьшения напряжения на зажимах тех же генераторов более чем на 5%, нагрузка их может быть несколько увеличена.

Генераторы, присоединенные к сети с незаземленными нейтралями или к компенсированной сети (с дугогасящими катушками в нейтралях), могут продолжать работу при однофазных замыканиях на землю в сети. При этом длительность такого режима не должна превышать: для генераторов напряжением 6,6 кв и ниже - 2 часа; а для генераторов напряжением 10,5 кв - 1 часа. Ток замыкания на землю должен быть не более 50 А.