Тема: «Выявление особенностей конструкции синхронной машины»
Цель работы: Изучить особенности конструкции синхронной машины.
Задание: Описать конструкцию, назначение и основные параметры работы турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных двигателей.
Пояснения. При выполнении лабораторного занятия необходимо знать: назначение и принцип действия электрических машин, их классификацию и конструкцию.
Приборы и оборудование: общий вид турбогенератора ТВВ-1200-2, общий вид роторов турбогенератора, гидрогенератораи синхронного двигателя, методические указания.
Теоретические сведения
В синхронных машинах большой мощности отдельные части испытывают очень большие механические и электромагнитные нагрузки; по интенсивности нагрузок они превосходят все другие электрические машины. Поэтому в них выделяется большое количество теплоты, что требует применения весьма интенсивного охлаждения.
Стремление получить максимальную мощность в заданных габаритах или минимальные габариты при заданной мощности, характерное для проектирования всех электрических машин, в синхронных машинах привело к появлению своеобразных конструкций, сильно отличающихся друг от друга и определяемых в основном типом первичного двигателя.
По конструкции крупные синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и синхронные двигатели.
Турбогенераторы. Эти машины, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявнополюсными. Турбогенераторы, предназначенные для установки на тепловых электростанциях обычного типа, работают, как правило, при максимально возможной частоте вращения 3000 об/мин (имеют два полюса), что позволяет существенно уменьшить габариты и массу машины, а также паровой турбины. На атомных электростанциях реакторы вырабатывают пар с относительно низкими температурой и давлением. Поэтому для них более экономичными являются турбины и турбогенераторы с частотой вращения 1500 об/мин (они имеют четыре полюса). Однако из-за этого значительно увеличивается диаметр ротора турбогенератора (при одинаковой мощности приблизительно в √2 раза).
Турбогенераторы выполняют с горизонтальным расположением вала ротора (рис. 1). При мощности до 30 МВт они имеют поверхностное или косвенное (посредством обдува) воздушное охлаждение, а при больших мощностях — косвенное водородное. В турбогенераторах мощностью более 60 МВт применяют непосредственное внутреннее охлаждение проводов обмоток водородом, дистиллированной водой и трансформаторным маслом.
Рисунок 1 - Общий вид турбогенератора ТВВ-1200-2:
1—корпус; 2 — камеры для сбора и распределения охлаждающего газа; 3 —
статор; 4 — обмотка статора; 5 — подшипник; 6 — вал; 7 — ротор
В настоящее время применяются следующие системы непосредственного охлаждения турбогенераторов:
а) аксильная система охлаждения обмоток статора, ротора и сердечника статора водородом повышенного давления, который подается с помощью центробежного компрессора, установленного на валу ротора, проходит по аксиальным каналам сердечника статора и полым проводникам обмоток статора и ротора и поступает в газоохладитель, охлаждаемый водой;
б) многоструйная радиальная система охлаждения водородом повышенного давления,в которой обмотка ротора имеет непосредственное охлаждение, а обмотка статора — поверхностное. При этом водород нагнетается двумя вентиляторами, установленными по концам вала, и разделяется на отдельные струи, которые охлаждают лобовые части обмоток статора и ротора, сердечник статора (проходя по радиальным каналам), обмотку ротора и наружные поверхности статора и ротора. Отдельные струи сходятся в центральной части машины иподаются оттуда в газоохладители, которые встраивают в корпус машины;
в) многоструйная радиальная система охлаждения сердечника статора и обмотки ротора водородом и одноструйная система охлаждения обмотки статора водой;
г) система охлаждения обмоток статора и ротора водой, а сердечников статора и ротора, а также внутреннего пространства машины воздухом или водородом;
д) система охлаждения обмотки и сердечника статоре маслом, обмотки ротора водой, а сердечника ротора и внутреннего пространства машины воздухом или водородом. В этом случае ротор отделен от статора изоляционным цилиндром и полость статора заполнена маслом.
Роторы турбогенераторов изготовляют из цельных поковок высококачественной стали (рис. 2, а). Диаметр ротора определяется условиями механической прочности; для ограничения действующих на ротор центробежных сил он не должен превышать 1,0—1,5 м, поэтому увеличивают его длину. Однако и длина ротора ограничивается допустимым прогибом вала и возникающими при этом вибрациями. Для того чтобы прогиб вала при неподвижном роторе не превышал 2,5 мм, длина ротора турбогенератора не должна превышать 7,5 — 8,5 м. Следовательно, отношение длины к диаметру достигает 5 — 6. Указанные размеры ротора являются предельными по возможностям металлообрабатывающих заводов.
Рисунок 2 - Общий вид роторов турбогенератора (а), гидрогенератора (б)и синхронного двигателя (в): 1 — контактные кольца; 2 — кольцевые бандажи; 3 — ротор; 4 — металлические клинья; 5 — вентилятор; 6 — вал; 7 — обмотка возбуждения; 8 — полюсы; 9 — пусковая обмотка
Гидрогенераторы. Эти машины приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50—500 об/мин; поэтому их выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами (рис. 2,б). Диаметр ротора достигает у мощных машин 16 м при длине 1,75 м (в генераторах мощностью 590—640 MB•А), т.е. для таких генераторов отношение длины к диаметру составляет 0,11—0,20.
Гидрогенераторы мощностью свыше нескольких десятков мега-вольт-ампер выполняют с вертикальным расположением вала (рис. 3). На роторе такого гидрогенератора с помощью фланца укрепляют ротор турбины, вследствие чего роторы имеют общие подшипники. В верхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины — возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор, предназначенный для питания электродвигателей автоматического масляного регулятора турбины.
Рисунок 3 - Общий вид гидрогенератора с вертикальным расположением вала:
1 - верхняя крестовина; 2 - статор; 3 - полюсы ротора; 4 - обод ротора; 5 - вал; 6 - охладители
В конструкции гидрогенераторов с вертикальным расположением вала весьма ответственной частью является упорный подшипник (подпятник), который воспринимает массу роторов генератора и турбины, давление воды на лопасти турбины, а также динамические усилия. Подпятник состоит из вращающегося диска (пяты), укрепленного на роторе, который посредством ряда сегментов (сухарей) опирается на стальной диск, установленный в корпусе подпятника. Сегменты покрывают слоем антифрикционного сплава (баббита), а корпус заполняют маслом, которое создает жидкостное трение в подпятнике и служит охлаждающей средой, обеспечивающей отвод образующейся теплоты к водяному маслоохладителю.
В зависимости от расположения подпятника гидрогенераторы подразделяют на подвесные и зонтичные. В подвесных гидрогенераторах подпятник располагают над ротором генератора на верхней крестовине, а один или два направляющих подшипника — под ним; при этом весь турбоагрегат подвешен на подпятнике к этой крестовине. В зонтичных гидрогенераторах подпятник располагают под ротором на нижней крестовине или на крышке турбины, а генератор — над подпятником в виде зонта. Крестовины представляют собой мощную опорную конструкцию, состоящую из центральной втулки и ряда радиальных балок. Быстроходные гидрогенераторы выполняют обычно подвесного типа; тихоходные — зонтичного.
Наиболее тяжелые условия работы ротора гидрогенератора создаются при аварийном отключении машины от сети. При этом частота вращения ротора сильно возрастает, так как приложенный к нему вращающий момент от турбины остается достаточно большим (быстро прекратить поступление большой массы воды в турбину практически невозможно), а тормозной момент генератора из-за резкого сброса нагрузки сильно уменьшается. Достигаемую при этих условиях частоту вращения называют угонной; она не должна превышать 2,8 — 3,5 номинальной частоты вращения. Для уменьшения угонной частоты вращения и сокращения времени выбега ротора до его останова в гидрогенераторах устанавливают тормоза.
Гидрогенераторы из-за небольшой частоты вращения ротора не имеют таких габаритных ограничений, как турбогенераторы. Но в связи со стремлением уменьшить их габариты, массу истоимость в машинах большой мощности применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При техже основных размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в два раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное охлаждение.
Непосредственное водяное охлаждение обмоток статора и ротора выполняют так же, как в турбогенераторах — путем пропускания воды через полые проводники обмоток. Сердечник статора охлаждается водой, циркулирующей по трубам, которые проходят сквозь отверстия в листах сердечника. Часто также применяют систему смешанного непосредственного охлаждения, при которой обмотка статора имеет водяное охлаждение, а обмотка ротора - воздушное охлаждение.
Синхронные двигатели. Их выполняют, как правило, с горизонтальным расположением вала (см. рис. 2, в), хотя некоторые мощные двигатели имеют и вертикальное расположение. Эти машины изготовляют на щитовых или стояковых подшипниках, с самовентиляцией, а в некоторых случаях с независимым воздушным охлаждением.
Синхронные двигатели выпускают мощностью до нескольких десятков МВт при частотах вращения от 100 до 3000 об/мин. При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин — неявнополюсными.
Содержание отчета1. Название работы
2. Цель работы
3. Задание
4. Выполненная лабораторная работа в соответствии с заданием
5. Ответы на контрольные вопросы
6. Вывод
Контрольные вопросы:
1. Какие системы непосредственного охлаждения турбогенераторов применяют в настоящее время?
2. Почему гидрогенераторы не имеют таких габаритных ограничений, как турбогенераторы?
3. Из чего изготавливают роторы гидрогенераторов?