автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследования и разработка конструкторско-технологических решений, обеспечивающих высокую эффективность серии отечественных турбогенераторов с воздушным охлаждением

На правах рукописи УДК 621.313.322-81.001.5/63

Пинчук Николай Дмитриевич

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ВЫСОКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЕРИИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Специальность 05.09.01 "Электромеханика и электрические аппараты"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в филиале ОАО «Силовые машины» — «Электросила» г. Санкт-Петербург

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Кади-Оглы И. А.

доктор технических наук,

профессор

Лабунец И. А.

доктор технических наук Коган Ф.Л.

Ведущая организация - ОАО «Мосэнерго»

Защита диссертации состоится 28 июня 2005 г. в 14 — час. на заседании диссертационного совета Д 512.002.01 при ОАО «Научно-исследовательский институт электроэнергетики» ОАО «ВНИИЭ» по адресу: 115201, Москва, Каширское шоссе, д. 22, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИЭ»

Автореферат разослан 27 мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Воротницкий В.Э.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

¿-/ГШ/

Актуальность работы. Турбогенераторы (ТГ) представляют собой основной вид генерирутощего оборудования, обеспечивающего свыше 80% общего мирового объема выработки электроэнергии (на тепловых и атомных электростанциях). 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.

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.

Большое значение имеют работы по совершенствованию конструкции, повышению качества и экономичности ТГ в условиях усиления конкурентной борьбы в поставках энергетического оборудования на мировом рынке, существенного повышения требований к эксплуатационным показателям ТГ, отраженных в новой редакции ГОСТ 533-2000 «Машины электрические вращающиеся. Турбогенераторы. Общие технические условия». В первую очередь это относится к увеличению сроков службы и межремонтного периода, повышению требований к коэффициенту готовности, маневренности, запасам мощности, обеспечению безаварийной работы ТГ в режимах с потреблением реактивной мощности, снижению расходов на обслуживание и ремонты.

Современный этап развития турбогеператоростроения характеризуется появлением широкого спектра новых типов ТГ, разнообразием имеющихся конструктивных решений. Новые сложные задачи перед исследователями возникают в связи с намечающейся тенденцией отказа от водорода в качестве хладагента и перехода на конструкции с другими системами охлаждения (вода, воздух).

Возвращение к воздушному охлаждению происходит, в настоящее время, на новом техническом уровне и прежде всего с применением современных схем охлаждения, более современной термореактивной корпусной изоляции обмотки статора, новой изоляции ротора, электротехнической стали с уменьшенными удельными потерями, современных конструктивных м

За прошедшее десятилетие в энергосистемах России появились проблемы с поддержанием требуемых ГОСТом уровней напряжения в электрических сетях. Одним из кардинальных способов решения проблемы является применение ТГ нового асинхронизированного типа (АСТГ). АСТГ, в отличие от синхронных ТГ, обладает существенно большими пределами устойчивости и предназначен для работы в режимах глубокого потребления реактивной мощности.

В этих условиях работа, направленная на исследование и решение основных проблем конструкции и технологии изготовления ТГ с воздушным охлаждением, является актуальной.

Цель работы заключалась в решении проблемных задач по разработке надежной и эффективной конструкции ТГ с воздушным охлаждением, освоении передовых технологий их производства, снижении трудоемкости и себестоимости производства, повышении ремонтопригодности и контролепригодности в условиях эксплуатации.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. На основе анализа мирового опыта и результатов исследований, выполненных на «Электросиле», разработать, теоретически и экспериментально обосновать оптимальные схемы компоновки ТГ с воздушным охлаждением.

2. Разработать и исследовать эффективные схемы вентиляции, конструкцию и параметры вентиляторов и элементов вентиляционных систем.

3. Разработать и внедрить в производство прогрессивные технологические процессы с применением современных материалов и оборудования.

4. Освоить производство и исследовать свойства общей конструкции и узлов турбогенераторов нового поколения с воздушным охлаждением, подтвердить их технологичность и эффективность.

5. Разработать конструкцию и технологию изготовления, исследовать на стенде завода и испытать в условиях эксплуатации АСТГ типа ТЗФА-110-2 с воздушным охлаждением, подтвердить высокий уровень разработки, определить области допустимых режимов эксплуатации.

Методы исследований. При решении указанных выше задач использовались методы теории электрических машин, ТОЭ, теории теплообмена, теоретической механики, теории упругости и сопротивления материалов, теории колебаний, методы экспериментальных исследований на макетах, моделях и натурных ТГ.

Научная новизна работы заключается в:

решении сложных комплексных задач по созданию технологичных и надежных конструкций ТГ с воздушным охлаждением;

теоретическом и экспериментальном обосновании оптимальных вариантов общей компоновки ТГ с воздушным охлаждением, схем вентиляции ТГ типа ТА, ТФ и ТЗФ, обеспечивающих высокий КПД, низкие и равномерные уровни нагрева активных и конструктивных частей;

разработке конструкции и внедрении прогрессивных технологий производства статоров ТГ с использованием высоковольтной изоляции типа «Монолит», предусматривающей введение упругого слоя для компенсации тепловых расширений обмотки и ее ремонтопригодность;

разработке конструкции и технологии изготовления асинхронизированного турбогенератора мощностью 110 МВт с полным воздушным охлаждением, проведении всесторонних исследований его характеристик на стенде завода, в том числе в нагрузочных режимах; высокое качество ТГ подтверждено его испытаниями и успешной эксплуатацией на электростанции.

Достоверность результатов, выводов и рекомендаций определяется строгостью используемых методов теоретических и экспериментальных' исследований, подтверждением достигнутых результатов испытаниями натурных ТГ.

Практическая ценность работы. Результаты теоретических разработок, технологических и конструктивных решений, представленных в диссертации, имеют большое практическое значение, поскольку направлены на усовершенствование конструкции, повышение надежности и других важных эксплуатационных показателей ТГ, таких как: увеличение срока службы; увеличение межремонтного периода; сокращение объема периодических ремонтов; повышение маневренности, в том числе обеспечение возможности работы в режимах с потреблением реактивной мощности; снижение трудоемкости и себестоимости производства ТГ.

Результаты работ широко используются в цехах и конструкторских отделах «Электросилы» при проектировании и производстве новых электрических машин и, в первую очередь, ТГ с усовершенствованной конструкцией основных узлов, а также при замене оборудования, отработавшего срок службы на электростанциях.

Реализация работы. Теоретическая часть работы реализована в усовершенствованных методиках расчетов при проектировании новых ТГ «Электросилы». Раз-

работанные конструктивные и технологические решения, реализованы в конструкции и процессе производства всех изготовленных на «Электросиле» ТГ типа ТА, ТФ и ТЗФ с воздушным охлаждением, а также асинхронизированного ТГ типа ТЗФА-110-2УЗ, пущенного в эксплуатацию в конце 2003 г. на ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго». На защиту выносятся следующие положения:

1) основные принципы исполнения и конструкции ТГ с воздушным охлаждением нового поколения с улучшенными технико-эксплуатационными показателями;

2) результаты исследований электрических, тепловых и механических свойств основных узлов ТГ и применяемых материалов;

3) рекомендации по разработке и технологии изготовления синхронных и асинхро-низированных ТГ с воздушным охлаждением на основе результатов натурных испытаний.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих крупных конференциях, симпозиумах и семинарах:

1. Семинар РАО «ЕЭС России» «Электроэнергетика России: состояние, проблемы, перспективы». Москва, ВДНХ, 4-6 октября 1994 г.

2. XVIII годичная конференция СПб отделения Нац. Комитета по истории науки и техники РАН, С.-Петербург, С.-З. Отделение РАН, 26-29 ноября 1997 г.

3. Всероссийское отраслевое совещание РАО «ЕЭС России» «Проблемы технического перевооружения и продления ресурса турбинного оборудования», С.-Петербург, ЛМЗ, 10-11 июня 1999 г.

4. Заседание секции «Энергомашиностроение в г. С.-Петербурге и Ленинградской области» Союза ученых, инженеров и специалистов производства Санкт-Петербурга и Ленинградской области (Союз УИСП), С.-Петербург, 6 сентября 1999 г.

5. Международная выставка «Энергетика, электротехника, энергоэффективность», Киев, 19-22 октября 1999 г.

6. Вторая международная конференция концерна «Росэнергоатом» «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, ВНИИ АЭС, 22-23 марта 2001 г.

7. Международный Энергетический Форум Содружества Независимых Государств «МЭФ СНГ-2001», Ялта, 24-30 сентября 2001 г.

8. 5-ая международная конференция по энергетике «Электроэнергетика в России: стратегия, реформы, практика». С.-Петербург, 26-27 ноября 2002 г.

9. Вторая Международная конференция «Современная энергетика - основа эконо-

мического развития» (в рамках III Международного форума «ТЭК России. Региональные аспекты»), С.-Петербург, 8-11 апреля 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 102 наименований. Работа содержит 167 страниц, включая 58 рисунка и 26 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее научная новизна и практическая значимость, кратко изложено основное содержание работы.

Глава 1 посвящена разработке и обоснованию общих принципов компоновки, конструктивного исполнения и технологии производства ТГ с воздушным охлаждением нового поколения, обеспечивающих высокие эксплуатационные показатели при одновременном снижении себестоимости изготовления.

Анализ зарубежного и отечественного опыта показывает, что задача создания нового поколения высокоэффективных и конкурентоспособных ТГ с воздушным охлаждение требует исследования и решения целого комплекса взаимосвязанных проблем: разработки общей компоновки ТГ и оптимального конструктивного исполнения узлов, в том числе торцевых зон сердечника и его крепления в корпусе, обмотки статора и крепления ее в пазовой и лобовых частях, обмотки возбуждения и вала ротора, выбора соответствующих материалов, освоения новых прогрессивных технологий, обеспечения ТГ эффективными и простыми вспомогательными системами.

Высокие требования, предъявляемые к таким ТГ, могут быть удовлетворены только при наличии надежной, выдерживающей большие механические, тепловые и электрические нагрузки изоляции, особенно, обмотки статора. Существенно повышающей качество изоляции является полная вакуумно-нагнетательная пропитка статора. Успешно применявшийся ранее для мощных электродвигателей, этот процесс позволяет, кроме того, значительно повысить механическую прочность статора.

Изоляционная лента наматывается на стержни или катушки статора с помощью робота, гарантирующего плотность, толщину и натяжение намотки, нужное перекрытие ленты. Поскольку такая изоляция достаточно гибкая, процесс укладки проходит легко и быстро. Обмотанный сердечник статора погружается в бак с эпоксидной смолой, проникающей в ленты изоляции и создается вакуум для удаления воздуха из пор и полостей изоляции. Затем происходит пропитка под давлением и

отверждением смолы. Полное погружение статора в производстве существенно проще индивидуальной пропитки, запрессовки и отверждения отдельных стержней. Разъемная конструкция статоров ТГ с воздушным охлаждением, разработанная для упрощения процесса пропитки и запечки обмотанных сердечников, обеспечивает снижение максимального монтажного веса, повышения доступности внутренних элементов, достижение низкого уровня вибрации и шума. Например, для ТГ мощностью 110 МВт удалось снизить монтажную массу статора до 95 т., тогда как в неразъемном варианте она равняется 130 т. Массогабаритные характеристики такого ТГ позволяют установить его на фундамент ТГ ТВФ с водородным охлаждением мощностью 120 МВт (монтажная масса статора 112т) при помощи существующего кранового оборудования. Преимущества полного погружения - высокая механическая прочность, хороший теплоотвод, недостаток - сложность ремонта при выходе из строя хотя бы одной секции обмотки.

Под руководством автора разработана и внедрена изоляция «Монолит-3» с упругим слоем, компенсирующим тепловое расширение обмотки и сердечника и обеспечивающим разборность конструкции, хотя надобность в последней не предполагается. Другим, чрезвычайно перспективным путем совершенствования изоляции, является повышение ее теплопроводности. Такая задача решает многие проблемы машин с косвенным охлаждением, не только воздушным, но и водородным.

Повышение теплопроводности изоляции достигнуто добавлением в эпоксидную смолу, составляющую основу фирменной изоляции Микадур, мелкодисперсного порошка А1203. Исследования, проведенные в лаборатории, показали, что при остающихся высокими электрических характеристиках изоляции ее теплопроводность повышается в два и более раза.

Наряду с традиционными обмотками стержневого типа для ТГ с воздушным охлаждением мощностью до 25 МВт включительно разработаны и внедрены обмотки катушечного типа, позволяющие существенно уменьшить размеры и вес статора, снизить механические и электрические потери, нагрев активных частей и повысить КПД ТГ. Сравнительные характеристики ТГ мощностью 12 МВт с двумя типами обмотки статора показывают преимущество применения обмоток катушечного типа (табл. 1).

Корпусная изоляция паза ротора малых ТГ выполняется из пропитанной стеклянной ткани толщиной 0,85 - 1 мм. Малая толщина корпусной изоляции дает воз-

можность получить малый температурный перепад и поднять плотность тока в обмотке возбуждения до величины большей, чем допускается в меди обмотки статора. Табл. 1. Сравнение параметров турбогенераторов мощностью 12 МВт

Параметр ТА-12-2 УЗ ТА-12-2КУЗ

Напряжение, кВ 6,3 10,5

Наружный диаметр статора, мм 1596 1580

Диаметр расточки статора, мм 790 770

Воздушный зазор, мм 20 25

Число зубцовых делений статора 60 48

Высота паза статора, мм 142 130

Ширина паза статора, мм 19,3 21,4

Толщина листов стали статора, мм 0,5 0,35

Проводники паза статора ' 40 х 2,0 х 6,3 х 2 48 х 1,6x6,7x2

Обмотка статора стержневая катушечная

Диаметр ротора, мм 750 720

Длина ротора, мм 1500 1500

Число зубцовых делений ротора 24/35 32/47

Высота паза ротора, мм 161 129

Ширина паза ротора, мм 25 22,5

Проводники паза ротора 23 х 5,0 х 22,0 20 х 5,0 х 20,0

Диаметр вентилятора, мм 760 720

Веса, кг:

медь статора 1691 1400

сталь сердечника статора 11550 11538

статор обмотанный без корпуса 18850 17100

ротор 9000 7320

общий вес генератора 38500 29000

Потери, определенные при испытаниях

генератора на стенде завода, кВт-

механические потери 103 74

потери короткого замыкания 62 50

потери в стали 55 43

потери на возбуждение 37 37

сумма потерь 257 205

К.П.Д. 97,9 98,32

Для ТГ типа ТАП с косвенным охлаждением обмотки ротора при помощи шлицов, выполненных в зубцах ротора, допускается средняя температура обмотки 130°С (класс изоляции Р, температура по классу В). При ширине меди 20 мм такая температура достигается с удельной тепловой нагрузкой на стенку паза 3,6 кВт/м2 и плотностью тока в обмотке - 3,8 А/мм2.

Ротор, выполненный с большим количеством узких пазов (например, ширина меди 15 мм), имеет сильно развитую поверхность охлаждения шлицов, что дает возможность поднять плотность тока в обмогке ротора до 4,4 А/мм2. Применением изоляции класса Н плотность тока в обмотке ротора может быть увеличена до 5 А/мм2.

Для мощных ТГ типа ТЗФ с воздушным охлаждением разработана трехкон-турная система воздушного охлаждения, отличающаяся повышенной эффективностью и не имеющая аналогов за рубежом. ТГ этой серии являются дальнейшим развитием серии ТФ и отличаются от нее улучшенными характеристиками, повышенным значением КПД, надежностью и перегрузочной способностью, достигаемыми за счет разделения потоков воздуха, охлаждающего статор и ротор, исключения их отрицательного взаимного влияния, что позволяет снизить нагрев активных и конструктивных частей ТГ (рис.1).

Существенной особенностью ТГ серии ТЗФ является применение встроенных центробежных вентиляторов, снабженных специальными направляющими и спрямляющими аппаратами. Такое решение позволило снизить потери в вентиляторах и повысить КПД генераторов. ТГ серии ТЗФ мощностью 160 МВт, как показали результаты испытаний, имеет КПД 98,55%, что выше требований ГОСТ 533-2000.

На основе изложенных принципов спроектированы ТГ с воздушным охлаждением мощностью 220 и 320 МВт, ожидаемый уровень нагрева которых соответствует нормам класса «В» (для изоляции класса Р). КПД этих ТГ 98,6% и 98,7%, монтажные веса статора 165 и 210 т, соответственно. Межосевые расстояния и другие габаритные размеры позволяют установить ТГ мощностью 220 и 320 МВт на фундаменты машин с водородным охлаждением типа ТВВ.

Разработанная и применяемая на всех ТГ с воздушным охлаждением «Электросилы» замкнутая схема вентиляции и система наддува воздуха с одновременной конденсацией излишней влаги обеспечивает высокую чистоту и низкую влажность воздуха внутри ТГ, исключает проникновение пыли и грязи из машинного зала электростанции. Это позволяет отказаться от громоздких и энергоемких холодильных установок, требующих дополнительного пространства для размещения, прокладки силовых и гидравлических коммуникаций, значительных затрат на электроэнергию и обслуживание при эксплуатации.

В табл. 2 представлены сравнительные технические характеристики ТГ нового поколения с воздушным охлаждением серий ТА, ТФ и ТЗФ, разработанных под руководством и личном участии автора.

Рнс.1 ^ Сегмент статора ТГ ТЗФ

В главе приводится описание отдельных видов уникального оборудования, приобретенного и освоенного "Электросилой" в последнее время, результаты исследований и внедрения метода высокочастотного индукционного нагрева для пайки обмоток и насадки и съема бандажных колец роторов ТГ, что существенно повышает качество изготовления.

Табл. 2. Турбогенераторы с воздушным охлаждением

Тип Год начала серийно! о производства Номинальная активная мощность, МВт кпд, % Напряжение, кВ Частота вращения, об/мин Общий вес, т

ТАП-1.5-2УЗ проект 1,5 97 6,3 3000 8,2

ТАП-Э-2УЗ проект 3 97,2 6,3 3000 13

ТАП-4-2УЗ проект 4 97,4 6,3 3000 15

ТАП-6-2УЗ 2002 6 97,75 10,5/6,3 3000 17

ТАП-8-2УЗ 2002 8 98 10,5/6,3 3000 20

ТАП-10-2УЗ проект 10 98 10,5/6,3 3000 25

ТАП-12-2УЗ 2003 12 98,3 10,5/6,3 3000 29

ТАП-15-2/6,6ТЗ 2004 15 98,35 6,6 3000 40

ТФП-18-2ТЗ 2004 18 98,1 11(10,5/6,3) 3000 46,5

ТФГ-23-4УЗ проект 22,5 98,3 11(10,5/6,3) 1500 52

ТАП-25-2УЗ проект 25 98,4 10,5/6,3 3000 54

ТФП-36-2УЗ проект 36 98,3 10,5/6,3 3000 75,5

ТФП-40-2УЗ проект 40 98,3 10,5/6,3 3000 75,5

ТЗФП-50-2УЗ 2000 50 98,3 10,5/6,3 3000 130

ТЗФП-63-2УЗ проект 63 98,3 10,5/6,3 3000 130

ТЗФП(ТЗФГ)-80-2УЗ проект 80 98,4 10,5/6,3 3000 160(185)

ТЗФП(ТЗФГ>110-2МУЗ 2000 ПО 98,4 10,5 3000 179(200)

ТЗФП(ТЗФГ)-160-2МУЗ 2002 160 98,55 15,75 3000 235(243)

ТЗФП-165-2УЗ проект 165 98,6 18 3000 240

ТЗФП(ТЗФГ)-220-2УЗ проект 220 98,7 15,75 3000 240(300)

Глава 2 посвящена исследованиям особенностей конструкции разработанной серии ТГ с воздушным охлаждением.

В электрических машинах высокого напряжения корпусная изоляция является наиболее нагруженным элементом, подвергающимся одновременному воздействию электрического поля, температуры и циклических термомеханических напряжений, электродинамических усилий и вызываемых ими вибраций.

Во вновь проектируемых «Электросилой» турбо- и гидрогенераторах рабочая напряженность возросла до 3,0 кВ/мм и имеется возможность дальнейшего ее увеличения при сохранении достигнутой надежности и долговечности изоляции.

Важнейшим условием сохранения работоспособности крупных машин с рассматриваемым типом изоляции является обеспечение необходимой свободы пере-

мещения обмотки относительно сердечника. Выполнение этого условия решает также проблему ремонтопригодности обмотки.

В конструкцию пазового крепления, применяемую "Электросилой", введен антиадгезионный проводящий слой (а.е.), расположенный на поверхности изоляции. Представлены расчетные данные о распределении касательных (сдвиговых) напряжений тху, возникающих в изоляции при изменении температуры проводников

стержня от комнатной до рабочей, при различных вариантах сцепления между сердечником и изоляцией. Расчет выполнен с помощью метода конечных элементов.

Результаты расчетов показывают, что для случая полного сцепления изоляции и сердечника характерно резкое возрастание напряжений сдвига изоляции при переходе в вентиляционный канал. Введение слоя, работающего на сдвиг, позволяет снизить пики указанных напряжений и даже полностью исключить данное явление, предотвратив возможное разрушение (расслоение) изоляции.

С целью опытной проверки эффективности использования а.с. был проведен ряд экспериментов на имитаторах паза, в ходе которых эксперимента исследовалась теплопередача в рассматриваемой конструкции, определялись факторы, влияющие на коэффициент теплопроводности изоляции, измерялись тепловые перемещения проводников, изоляции и сердечника и оценивались деформации изоляции, определялись также электрические параметры изоляционной конструкции, характеризуемые интенсивностью разрядных процессов, и электрической прочностью.

В ходе разработки и испытаний серии ТГ нового поколения с воздушным охлаждением мощностью 6... 160 МВт, изготовленных по технологии ВНП, было установлено, что значения вибрации сердечников существенно ниже расчетных и что методика расчета для генераторов данного типа нуждается в корректировке. Это связано с тем, что применение изоляции типа "Монолит" для обмоток статоров ТГ с воздушным охлаждением привело'к значительному увеличению жесткости зубцовой зоны сердечников. Включение в изгибную жесткость сердечника жесткости зубцовой зоны и обмотки, обоснованное в случае применения системы изоляции "Моно-лит-2", приводит к заметному (в некоторых случаях до 30...40 %) увеличению собственной частоты изгибных колебаний сердечника и значительному (в 2 и более раз) снижению размаха радиальной вибрации с частотой 100 Гц на спинке сердечника.

Применение упругой прокладки (система "Монолит-3") приводит, по сравнению с системой "Монолит-2", к снижению на 25...30 % собственной частоты колебаний и к почти двукратному увеличению размаха вибрации на спинке сердечника.

Тем не менее, даже в этом случае расчетная вибрация на спинке вдвое ниже величины, определенной по штатной методике расчета В рамках работы построена конечно-элементная модель статора турбогенератора, определены его собственные частоты и формы колебаний, рассчитаны вынужденные колебания статора при номинальном режиме работы и в режиме двухфазного короткого замыкания и динамические усилия, передаваемые на фундамент в этих режимах.

Глава 3 содержит результаты разработки и исследований асинхронизирован-ного ТГ типа ТЗФА-100-2 мощностью 110 МВт с воздушным охлаждением.

За прошедшее десятилетие в энергосистемах России обострились проблемы поддержания требуемых нормативами уровней напряжения в электрических сетях высокого напряжения. Данные проблемы вызваны общим снижением электропотребления в стране. Для нормализации напряжения электростанции вынуждены переводить работающие ТГ в режимы потребления реактивной мощности (или близкие к ним), что позволяет несколько снизить уровни напряжения.

Работа ТГ в режимах потребления реактивной мощности ограничивается пределом статической устойчивости и нагревом элементов торцевой зоны статора. Подобные режимы со временем приводят к ускоренному износу ТГ, а в ряде случаев и к аварийным отключениям из-за разрушения активной стали торцевых зон статора, т.к. эксплуатируемые синхронные ТГ не рассчитаны на такие режимы. В результате имеет место значительное число аварий и простоев ТГ с их восстановительными ремонтами, стоимость которых зачастую достигает 30-50% стоимости ТГ.

Одним из кардинальных способов решения проблемы является применение АСТГ. АСТГ снимают проблему статической устойчивости ТГ и позволяют обеспечить работу в режимах глубокого потребления реактивной мощности. Имеются и другие преимущества АСТГ над синхронными ТГ. АСТГ существенно повышают качество протекания динамических режимов в энергосистеме, могут длительно работать в асинхронном режиме при замыкании обеих обмоток ротора. Этим объясняется появление спроса на их использование в энергосистеме.

АСТГ отличается от синхронного наличием на роторе нескольких симметрично расположенных обмоток (обычно двух взаимно перпендикулярных). Изменяя соответствующим образом токи в обмотках, можно поворачивать вектор магнитного потока возбуждения относительно геометрических осей ротора и, в частности, осуществлять вращение этого вектора относительно ротора. При этом даже в случае несинхронного вращения ротора поле в воздушном зазоре остается вращающимся син-

хронно. Введение соответствующего регулирования величины и фазы векторов напряжения обмоток возбуждения обеспечивает возможность изменения потребления реактивной мощности ТГ при постоянстве активной. Ограничение потребления реактивной мощности определяется не пределом статической устойчивости, а величиной допустимых токов обмотки статора и нагревом торцевых зон генератора. Эти достоинства достигаются за счет усложнения конструкции и некоторого снижения использования.

Под руководством и при участии автора на "Электросиле", по заказу "Мосэнерго", спроектирован и изготовлен первый в России АСТГ типа ТЗФА-110-2 мощностью 110 МВт (10,5 кВ, со8ф=0.95, 3000 об/мин) с воздушным охлаждением. На роторе АСТГ размещены две обмотки с взаимно перпендикулярными магнитными осями. Обмотки питаются от отдельных источников; в установившемся режиме токи в обеих обмотках поддерживаются равными. При динамическом изменении режима система автоматического регулирования проводит одновременное и независимое друг от друга управление значениями токов в обмотках возбуждения по заданному закону. Подобное регулирование обеспечивает возможность работы АСТГ в режимах глубокого потребления реактивной мощности без нарушения устойчивости.

Автором проработаны варианты конструкции ротора АСТГ с концентрическими катушками, уложенными в пазы ротора различной глубины (рис.2), и выбрано оптимальное для данного АСТГ сочетание между количеством глубоких и мелких пазов. Наличие разновеликих пазов на роторе приводит к увеличению амплитуд магнитной индукции гармоник низшего порядка (3, 5, 7,...) в воздушном зазоре. Эти гармоники вызывают до- Рис.2. Ротор АСТГ ТЗФА-110-2 полнительные потери в стали статора, требующие интенсификации охлаждения зубцов и сердечника. На основе расчета магнитного поля методом конечных элементов выбрано соотношение между количеством глубоких и мелких роторных пазов с наилучшим для данной конструкции спектральным составом магнитной индукции в воздушном зазоре. В этом аспекте определены спектральные составы м.д.с. и магнитной индукции в воздушном зазоре в установившемся эксплуатационном режиме (обе обмотки возбуждения питаются одинаковым током) для числа глубо-

ких пазов на роторе 16 и 24 при неизменном общем числе пазов 56, 64 зубцовых шага. Установлено, что потери в стали статора в первом варианте существенно меньше, чем во втором. В итоге выбран вариант с числом глубоких пазов 16. Трехкон-турная система охлаждения обеспечивает эффективный теплоотвод в пазовой и лобовой частях обмоток возбуждения, вызванного ростом "ампервитков" ротора из-за наличия на нем второй обмотки.

При работе с одной обмоткой (рис.3) возбуждения наибольшая выдаваемая расчетная активная мощность АСТГ типа ТЗФА-110-2УЗ составляет 110 МВт при <3=36 МВар и Со«Н>,95 (ф<0). Левая часть диаграммы мощности ограничена пределом статической устойчивости. Экспериментальное исследование АСТГ типа ТЗФА-110-2 в режиме взаимной нагрузки на стенде завода "Электросила" в режиме глубокого недовозбуждения (Р=39 МВт, 0= -110 МВар) не обнаружило недопустимых перегревов в элементах торцевой зоны статора АСТГ.

На основе метода численного решения уравнений электромагнитного поля в поперечном сечении с использованием программного комплекса Е1сЩ выполнены расчеты токов возбуждения и углов разворота роторов при стыковке испытуемого АСТГ типа ТЗФА-110-2 и нагрузочного ТГ типа ТФГ-160-2 при испытании в режиме взаимной нагрузки. Достоверность методики проверена при сравнении расчетных значений углов нагрузки АСТГ и СГ с углами сдвига роторов в опыте взаимной нагрузки на стенде завода при различных режимах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны оптимальные схемы компоновки конструкции ТГ с воздушным охлаждением, обеспечивающие минимальный вес и габариты, высокие технологические параметры и технологичность изготовления: разъемный статор; обмотка статора с изоляцией, изготовленной по технологии вакуумно-нагнетательной пропитки, введение упругого слоя в изоляцию для возможности аксиального расширения обмотки статора, упругое крепление сердечника в корпусе статора; расшлицовка, склейка и запечка крайних пакетов сердечника, выполненных со скосом зубцов; применение продольных выравнивающих пазов с магнитными вставками на полю-

Рис.З. Диаграмма мощности ТЗФА-110-2

сах и беспазовой конструкции токоподводов на роторе; оснащение ТГ системой наддува и осушки воздуха.

2. Разработаны усовершенствованные методики электромагнитных, тепловых, вентиляционных и механических расчетов применительно к разработанному новому конструктивному исполнению узлов ТГ, путем математического моделирования процессов установлены особенности работы и параметры конструкции.

3. Исследована и подтверждена высокая эффективность разработанных схем вентиляции для ТГ с воздушным охлаждением малой (до 15 МВт), средней (до 40 МВт) и большой (50...320 МВт) мощности типов ТА (одноструйная с косвенным охлаждением обмотки возбуждения ротора), ТФ (одноструйная с непосредственным охлаждением обмотки возбуждения ротора), ТЗФ (трехконтурная). Разработаны и внедрены вентиляторы и направляющие системы с высоким КПД и низкими потерями.

4. Исследованы и отработаны технологии изготовления изоляции обмоток статоров методом полной вакуумно-нагнетательной пропитки с последующей запечкой обмотанного сердечника, высокочастотного индукционного нагрева при пайке обмоток, насадке и снятии бандажных колец роторов.

5. Освоено производство турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения типа ТА, ТФ, ТЗФ. Испытания головных образцов ТГ на стенде завода и электростанциях подтвердили достижение поставленных целей, высокий КПД, низкий уровень нагрева и вибрации.

6. Разработан и изготовлен АСТГ типа ТЗФА-110-2 с воздушным охлаждением номинальной мощностью 110 МВт, отличающийся наличием двух обмоток возбуждения на роторе. Всесторонние стендовые испытания АСТГ, в том числе в режимах взаимной нагрузки при сопряжении с синхронным ТГ ТЗФ-160-2, позволили установить соответствие его параметров расчетным значениям, уточнить особенности поведения при регулировании реактивной мощности, при работе с одной обмоткой возбуждения, влияние увеличенных амплитуд магнитной индукции гармоник низкого порядка (3, 5, 7,...) в воздушном зазоре. Последующая эксплуатация генератора на ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго» подтвердила достижение поставленной цели, т.е. возможность надежной работы в режимах с глубоким потреблением реактивной мощности и обеспечение необходимого уровня устойчивости в энергосистеме.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Продукция АО «Электросила» для энергетики/ Пинчук Н.Д. // Сб. Электросила -№ 39., 2000 г. - С.5-13.

2. Турбогенераторы ОАО «Электросила»/ Пинчук Н.Д.// Сб. Электросила -№42., 2003 г. - С.8-10.

3. Новые технические решения и новые технологии для целей модернизации электрооборудования/ Андрусив О.П., Кварацхелия Б.В., Пинчук Н.Д. // Сб. Электросила-№43, 2004 Г.-С.11-17.

4. Исследование конструкции пазового крепления обмотки статора крупных турбогенераторов с изоляцией, изготавливаемой способом полной вакуум-нагнетательной пропитки /Ваксер Б.Д., Кийло O.JL, Перминов B.JL, Пинчук Н.Д., Чибриков A.W.II Сб. Электросила - № 43., 2004 г. - С.65-71.

5. Особенности конструкции паяных соединений проводников обмотки ротора вы-сокоиспользованного турбогенератора, выполненных методом высокочастотного индуктивного нагрева/ Кади-Оглы И.А., Кийло O.J1., Пинчук Н.Д., Плоткин М.Б.// Сб. Электросила - № 43, 2004 г. - С.93-100.

6. Асинхронизированный турбогенератор мощностью 110 МВт/ Кади-Оглы И.А., Пинчук Н.Д., Сидельников A.B.// Сб. Электросила - № 43,2004 г. - С.136-144.

7. Моделирование параметров диаграммы мощности асинхронизированного турбогенератора ТЗФА-110-2 при испытании на стенде ОАО «Электросила» в режиме взаимной нагрузки/ Кади-Оглы Е.Ф., Пинчук Н.Д., Сидельников A.B.// Сб. Электросила - № 43, 2004 г. - С. 150-157.

8. Температурное поле ротора турбогенератора ТЗФА-110-2/ Гуревич Э.И., Дубровин Ю.Н., Карташова Т.Н., Мултых A.B., Пинчук Н.Д.// Сб. Электросила - № 43, 2004г.-С.164-167.

9. Пинчук Н.Д. Развитие производства электрооборудования для энергетики // Электроэнерго-2002: Тез.докл.конф. - СПб, 2002 г.

10.Пинчук Н.Д., Кварацхелия Б.В. Новые технические решения и новые технологии для целей модернизации электрооборудования // Электроэнерго-2003:Тез.докл.конф. -.СПб, 2003 г.

11.Кади-Оглы И.А., Пинчук Н.Д., Соколов Д,Ю., Штилерман И.З. принципы проектирования и оценка необходимых жесткостных и прочностных характеристик при модернизации двухпосадочного бандажного узла ротора турбогенератора // Элек-троэнерго-2003: Тез.докл.конф. - СПб, 2003 г.

12.Ваксер Б.Д., Кади-Оглы И.А., Кийло O.JI., Пинчук Н.Д., Перминов B.J1. Обеспечение надежности и ремонтопригодности обмоток статоров турбогенераторов с воздушным охлаждением ОАО «Электросила» с изоляцией, изготавливаемой способом

вакуум-нагнетательной пропитки// Электроэнерго-2003 : Тез.докл.конф.-СПб, 2003 г.

И.Дзлиев C.B., Кади-Оглы И.А., Кийло О.Л., Пинчук Н.Д., Плоткин М.Б. Исследование и внедрение метода высокочастотного индукционного нагрева для пайки обмоток и посадки и съема бандажных колец роторов турбогенераторов в условиях эксплуатации // Электроэнерго-2003: Тез.докл.конф. - СПб, 2003 г.

14.Кади-Оглы И.А., Пинчук Н.Д., Шаров В.И. Требования к параметрам высокоис-пользованных турбогенераторов с воздушным охлаждением // Электроэнерго-2003: Тез.докл.конф. - СПб, 2003 г.

15.Иогансен В.И., Кади-Оглы И.А., Чернявский В.П., Чашник П.И., Штилерман И.З, Шамсонов А.Б., Антонов Ю.Ф., Дереза И.В., Пинчук Н.Д. "Ротор электрической машины". Патент 1802901 (СССР) от 11.10.1990.

16.Иогансен В.И., Кади-Оглы И.А., Чернявский В.П., Чашник П.И., Штилерман И.З, Шамсонов А.Б., Антонов Ю.Ф., Дереза И.В., Пинчук Н.Д. "Токоподвод обмотки ротора электрической машины". Патент 1764120 (СССР) от 16.03.1993.

17.Пинчук Н.Д., Кади-Оглы И.А., Пинский Г.Б., Иогансен В.И. «Новые разработки ОАО «Электросила» в области энергетического оборудования». Тезисы докладов II Международной конференции «Современная энергетика — основа экономического развития», Изд. «Энергия России», СПб, 9 апреля 2003 г.

18.Иогансен В.И., Кади-Оглы И.А., Пинчук Н.Д. Турбогенераторы ОАО «Электросила» для газотурбинных и парогазовых установок. Ж. «Газотурбинные технологии», Концерн «Силовые машины», май - июнь 2003 г. - 3 стр.

19.Иогансен В.И., Кади-Оглы И.А., Чернявский В.П., Чашник П.И., Штилерман И.З, Шамсонов А.Б., Антонов Ю.Ф., Дереза И.В., Пинчук Н.Д. "Ротор электрической машины". Патент 1802901 (СССР) от 11.10.1990.

20.Иогансен В.И., Кади-Оглы И.А., Чернявский В.П., Чашник П.И., Штилерман И.З, Шамсонов А.Б., Антонов Ю.Ф., Дереза И.В., Пинчук Н.Д. "Токоподвод обмотки ротора электрической машины". Патент 1764120 (СССР) от 16.03.1993.

21.Пинчук II.Д., Кади-Оглы И.А., Пинский Г.Б., Иогансен В.И. «Новые разработки ОАО «Электросила» в области энергетического оборудования». Тезисы докладов II Международной конференции «Современная энергетика - основа экономического развития», Изд. «Энергия России», СПб, 9 апреля 2003 г.

Лицензия ИД № 01313 от 24.03.2000

Подписано в печать 25.05.2005 г. Объем в п.л. 1

Тираж 100

Отпечатано с готового оригинал-макета, Представленного автором, В типографии Филиале ОАО «Силовые машины - Электросила» 196105, Санкт-Петербург, Московский пр., д.. 139. Телефон: (812) 3874447 Факс: (812) 3881814

5-1 384 а

РНБ Русский фонд

2006-4 10347

Наименование стр.

Содержание.

Введение.

Глава 1. Новые технические решения и новые технологии для серии турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения.

1.1. Основные направления исследований и разработок.

1.2. Выбор типа высоковольтной изоляции обмотки статора.

1.3. Выбор типа обмотки статора.

1.4. Разработка и внедрение турбогенераторов с различными схемами вентиляции.

1.5. Система наддува воздуха с конденсатором.

1.6. Новые технологии производства турбогенераторов с воздушным охлаждением.

1.7. Исследование и внедрение метода высокочастотного индукционного нагрева для пайки обмоток, а также посадки и съема бандажных колец роторов турбогенераторов в условиях эксплуатации.

1.7.1. Высокочастотная индукционная пайка обмоток.

1.7.2. Высокочастотный индукционный нагрев бандажных колец роторов турбогенераторов.

1.8. Выводы к главе

Глава 2. Исследование конструкции разработанной серии турбогенераторов с воздушным охлаждением.

2.1. Решение проблемы повышения эффективности воздушного охлаждения турбогенераторов.

2.1.1. Теоретический анализ проблемы.

2.1.2. Пути повышения эффективности воздушного охлаждения турбогенераторов.

2.1.3. Этапы освоения нового поколения турбогенераторов с воздушным охлаждением.

2.1.4. Исследовательские натурные испытания при создании новой серии турбогенераторов.

2.2. Исследования в области конструкции и технологии изготовления высоковольтной изоляции обмотки статора.

2.2.1. Высоковольтная изоляция электрических машин на основе пропитанных лент.

2.2.2. Совершенствование технологического процесса.

2.2.3. Совершенствование состава ленты.

2.2.4. Контроль изоляции.

2.2.5. Крепление обмотки в пазах статора.

2.2.6. Система изоляции на основе сухих лент, пропитываемых после укладки в сердечник.

2.2.7. Исследования изоляции с антиадгезионным слоем.

2.2.8. Совершенствование технологии изготовления пропитанных изоляционных систем.

2.3. Влияние типа изоляции обмотки статора на динамические характеристики сердечника статора турбогенератора . .•.

2.4. Исследование динамических и прочностных характеристик статора турбогенератора.

2.5. Выводы к главе 2.

Глава 3. Асинхронизированный турбогенератор типа ТЗФА-110-2 мощностью 110 МВт с воздушным охлаждением.

3.1. Постановка задачи, параметры и конструкция турбогенератора.

3.2. Стендовые испытания асинхронизированного турбогенератора типа ТЗФА-110-2УЗ.

3.2.1. Электрические характеристики и испытания на нагревание

3.2.2. Моделирование параметров диаграммы мощности асинхронизированного турбогенератора ТЗФА-110-2 при испытании на стенде «Электросилы» в режиме взаимной нагрузки.

3.2.3. Тепловое состояние статора турбогенератора ТЗФА-110-2.

3.2.4. Температурное поле ротора турбогенератора ТЗФА-И0-2.

3.3. Результаты испытаний турбогенератора ТЗФА-110-2 на электростанции.

3.4. Выводы к главе 3.

Актуальность работы. 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.[1, 2, 8, 10, 19, 21, 22, 23,36,59, 62,88, 102]

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.

Номенклатура ТГ, изготавливаемых на «Электросиле», охватывает широкий диапазон мощностей, назначений, конструктивного исполнения и способов охлаждения. «Электросила» располагает собственными отработанными конструкциями важнейших узлов, зачастую превосходящими разработки конкурентов по простоте исполнения и эксплуатационной надежности. Распространение указанных конструкций в качестве типовых на ТГ различных серий позволяет не только повысить их качество и надежность, но и обеспечить высокую унификацию, снижение себестоимости производства и эксплуатационных расходов.[42, 67, 68]

За время работы «Электросила» выпустила более 1500 турбогенераторов мощностью от 50 МВт до 1200 МВт. Из них свыше 450 изготовлены на экспорт. Среди работающих на электростанциях в настоящее время подавляющее большинство составляют турбогенераторы с водородным и водородно-водяным охлаждением типа ТВФ и ТВВ.

Современный этап развития турбогенераторостроения характеризуется появлением широкого спектра новых типов ТГ, разнообразием имеющихся конструктивных решений.

Новые сложные задачи перед исследователями возникают в связи с намечающейся тенденцией отказа от водорода в качестве хладагента и перехода на конструкции с другими системами охлаждения (вода, воздух).

Среди новых разработок следует в первую очередь выделить конструкции, не имеющие мировых аналогов и позволяющие превзойти продукцию конкурентов по главным технико-эксплуатационным показателям: уровню нагрева, КПД, маневренности, перегрузочной способности, надежности, а также исключению взрывоопасного водорода в качестве хладагента.

Большое значение имеют работы по совершенствованию конструкции, повышению качества и экономичности ТГ в условиях усиления конкурентной борьбы в поставках энергетического оборудования на мировом рынке, существенного повышения требований к эксплуатационным показателям ТГ, отраженных в новой редакции ГОСТ 533-2000 «Машины электрические вращающиеся. Турбогенераторы. Общие технические условия». В первую очередь это относится к увеличению сроков службы и межремонтного периода, повышению требований к коэффициенту готовности, маневренности, запасам мощности, обеспечению безаварийной работы ТГ в режимах с потреблением реактивной мощности, снижению расходов на обслуживание и ремонты.

С учетом перспектив развития энергетики, в ОАО «Электросила» разработана и освоена в производстве серия мощных ТГ с полным водяным охлаждением типа ТЗВ (три воды) мощностью от 63 МВт до 1500 МВт, не имеющая мировых аналогов.

В связи с переориентацией энергетики на электростанции средней и малой мощности разработана серия турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения. Турбогенераторы предназначены для работы при сопряжении как с паровыми, так и газовыми турбинами. В последнем случае они обеспечивают разворот газотурбинной установки до необходимой скорости от тиристорного пускового устройства.

Возвращение к воздушному охлаждению происходит, в настоящее время, на новом техническом уровне и прежде всего с применением современных схем охлаждения, более современной термореактивной корпусной изоляции обмотки статора, новой изоляции ротора, электротехнической стали с уменьшенными удельными потерями, современных конструктивных материалов и технологий. Разработана серия турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения мощностью от 63 до 220 МВт. Осуществлен выпуск турбогенераторов мощностью 63 МВт, 110 МВт, 160 МВт. Прорабатывается развитие этой серии путем в ключения в нее турбогенератора мощность 320 MB. Турбогенераторы предназначены для работы при сопряжении как с паровыми, так и газовыми турбинами.

За прошедшее десятилетие в энергосистемах России появились проблемы с поддержанием требуемых ГОСТом уровней напряжения в электрических сетях высокого напряжения, приводящие к необходимости увеличения потребления турбогенераторами реактивной мощности. Эти проблемы в последнее время обострились из-за общего снижения величины электропотребления в целом по стране и, как следствие, генерации реактивной мощности малонагруженными ЛЭП 220-500 кВ в связи с недостаточностью средств компенсации реактивной мощности (особенно в электросетях 500 кВ). Потребление турбогенератором избытка реактивной мощности из сети позволяет несколько снизить уровни напряжения, но со временем приводит к ускоренному износу этих турбогенераторов, а в ряде случаев и к аварийным отключениям из-за разрушения торцевых зон активной стали статоров, т.к. серийные турбогенераторы фактически не рассчитаны на эти режимы [97].

Одним из кардинальных способов решения проблемы является применение турбогенераторов нового асинхронизированного типа (АСТГ). В отличие от синхронных турбогенераторов обычного типа АСТГ обладают существенно большими пределами устойчивости, повышают качество протекания динамических режимов. Снятие проблемы устойчивости и совершенствование торцевой зоны позволяет обеспечить работу АСТГ в режимах глубокого потребления реактивной мощности без ущерба для своего технического состояния, чем и объясняется их более высокая степень надежности.

Необходимость в создании турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения очевидна, что связано, прежде всего, с такими их достоинствами как отсутствие дорогих вспомогательных систем — водяного и водородного хозяйства и требующихся для них дополнительных систем и площадей, объемов и несущих конструкций. Эти преимущества «воздушных» турбогенераторов особенно проявляются при реконструкции энергоблоков с заменой старых генераторов, их вспомогательного оборудования и систем тиристорного возбуждения (вместо электромашинных) в условиях ограниченного пространства для размещения, например на ТЭЦ.

В связи с этим работа, направленная на исследование и решение основных проблем конструкции и технологии изготовления ТГ с воздушным охлаждением является актуальной.

Цель работы и задачи исследований. Основной целью работы является решение ряда проблемных задач по обеспечению надежной и эффективной работы турбогенераторов с воздушным охлаждением, освоению передовых технологий их производства.

Кроме высокой надежности, разработанные усовершенствованные конструкции узлов должны удовлетворять требованиям технологичности, снижения трудоемкости и себестоимости производства, повышения ремонтопригодности и обеспечения контроля в условиях эксплуатации.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи.

1. На основе анализа мирового опыта и результатов исследований, выполненных на «Электросиле» при участии автора, разработать, теоретически и экспериментально обосновать оптимальные схемы компоновки ТГ с воздушным охлаждением.

2. Разработать и исследовать эффективные схемы вентиляции, конструкцию и параметры вентиляторов и элементов вентиляционных систем.

3. Разработать и внедрить в производство прогрессивные технологические процессы с применением современных материалов и оборудования.

4. Освоить производство и исследовать свойства общей конструкции и узлов турбогенераторов нового поколения с воздушным охлаждением, подтвердить их технологичность и эффективность.

5. Разработать конструкцию, отработать технологию изготовления, исследовать на стенде завода и испытать в условиях эксплуатации асинхронизированный турбогенератор типа ТЗ ФА-110-2 с воздушным охлаждением, подтвердить высокий уровень разработки, определить области допустимых и необходимых режимов применения.

Методы исследований. При решении указанных выше задач использовались методы теории электрических машин, ТОЭ, теории теплообмена, теоретической механики, теории упругости и сопротивления материалов, теории колебаний, термофлуктуационной теории разрушения, теории диффузии, методы экспериментальных исследований на макетах, моделях и натурных т/г.

Работу характеризует единый научный подход к решению поставленных задач: всесторонний анализ проблемы, разработка оптимального варианта решения и соответствующего конструктивного исполнения, теоретическое обоснование конструкции, проведение исследований, внедрение, подтверждение положительных результатов на ТГ.

Научная новизна:

1. Решены сложные комплексные задачи по созданию технологичных и надежных конструкций ТГ с воздушным охлаждением.

2. Разработаны, теоретически и экспериментально обоснованы оптимальные варианты общей компоновки ТГ с воздушным охлаждением, схемы вентиляции ТГ типа ТА, ТФ и ТЗФ, обеспечивающие высокий КПД, допустимые и равномерные уровни нагрева активных и конструктивных частей.

3. Отработаны конструкция и технология производства статоров ТГ с воздушным охлаждением с использованием высоковольтной изоляции типа «Монолит», предусматривающей введение упругого слоя для компенсации тепловых расширений обмотки и ее ремонтопригодность.

4. Подтверждено, что применение технологии вакуум-нагнетательной пропитки и запечки статора обмотанного обеспечивает улучшенные параметры теплоотвода от обмотки и существенное снижение уровня вибрации сердечника за счет повышения его изгибной жесткости.

5. Разработана, теоретически и экспериментально обоснована система наддува с конденсатором, автоматически обеспечивающая низкую влажность воздуха в ТГ с воздушным охлаждением.

6. Разработана конструкция и отработана технология изготовления асинхронизированного турбогенератора мощностью 110 МВт с полным воздушным охлаждением, проведены всесторонние исследования его характеристик на стенде завода, в том числе в нагрузочных режимах. Создана передовая техника, обеспечивающая повышение надежности работы электростанций и продление срока службы электротехнического оборудования.

Практическая ценность работы. Результаты теоретических разработок, технологических и конструктивных решений, представленных в диссертации, имеют большое практическое значение, поскольку направлены на усовершенствование конструкции, повышение надежности и других важных эксплуатационных показателей ТГ, таких как:

- увеличение срока службы;

- увеличение межремонтного периода;

- сокращение объема периодических ремонтов;

- повышение маневренности, в том числе обеспечение возможности работы в режимах с потреблением реактивной мощности,

- снижение трудоемкости и себестоимости производства ТГ.

Результаты работ автора широко используются в цехах и конструкторских отделах «Электросилы» при проектировании и производстве новых электрических машин и, в первую очередь, турбогенераторов с усовершенствованной конструкцией основных узлов. Результаты работ также используются при замене оборудования, отработавшего срок службы на ЭС.

Реализация работы. Теоретическая часть работы реализована в усовершенствованных методиках расчетов при проектировании новых ТГ ОАО «Электросила».

Разработанные конструктивные и технологические решения реализованы в конструкции и процессе производства всех изготовленных на «Электросиле»ТГ типа ТА, ТФ и ТЗФ с воздушным охлаждением, а также асинхронизированного ТГ типа ТЗФА-110-2УЗ, введенного в эксплуатацию в конце 2003 г. и успешно эксплуатируемого на ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих крупных конференциях, симпозиумах и семинарах.

1. Семинар РАО «ЕЭС России» «Электроэнергетика России: состояние, проблемы, перспективы». Москва, ВДНХ, 4-6 октября 1994 г.

2. XVIII годичная конференция СПб отделения Нац. Комитета по истории науки и техники РАН, С.-Петербург, С.-З. Отделение РАН, 26-29 ноября 1997 г.

3. Всероссийское отраслевое совещание РАО «ЕЭС России» «Проблемы технического перевооружения и продления ресурса турбинного оборудования», С.-Петербург, JTM3, 10-11 июня 1999 г.

4. Заседание секции «Энергомашиностроение в г. С.-Петербурге и Ленинградской области» Союза ученых, инженеров и специалистов производства Санкт-Петербурга и Ленинградской области (Союз УИСП), С.-Петербург, 6 сентября 1999 г.

5. Международная выставка «Энергетика, электротехника, энергоэффективность», Киев, 19-22 октября 1999 г.

6. Вторая международная конференция концерна «Росэнергоатом» «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, ВНИИ АЭС, 22-23 марта 2001 г.

7. Международный Энергетический Форум Содружества Независимых Государств «МЭФ СНГ-2001», Ялта, 24-30 сентября 2001 г.

8. 5-ая международная конференция по энергетике «Электроэнергетика в России: стратегия, реформы, практика». С.-Петербург, 26-27 ноября 2002 г.

9. Вторая Международная конференция «Современная энергетика -основа экономического развития» (в рамках III Международного форума «ТЭК России. Региональные аспекты»), С.-Петербург, 8-11 апреля 2003 г.

3.4. Выводы к главе 3

1. Разработана конструкция и изготовлен асинхронизированный турбогенератор типа ТЗФА-110-2УЗ номинальной мощностью 110 МВт, не имеющий аналогов в мировой практике. Турбогенератор имеет две обмотки возбуждения на роторе, снимает проблему статической устойчивости и обеспечивает работу в режимах с глубоким потреблением реактивной, мощности.

2. Конструкция статора ТЗФА-110-2УЗ аналогична конструкции статора синхронного турбогенератора ТЗФ-110-2УЗ.

3. Последующая эксплуатация турбогенератора ТЗФА-110-2УЗ на ТЭЦ-22 АО «Мосэнерго» подтвердила достижение поставленной цели и возможность надежной работы во всех установленных режимах.

4. Эксплуатационный режим работы системы возбуждения генератора проводится при одинаковых токах в обеих обмотках возбуждения. Изменяя по определенному закону распределение токов по обмоткам, можно обеспечить при постоянстве Р изменение Q в пределах расчетной диаграммы мощности без учета ограничений статической устойчивости.

5. Разработан и реализован метод экспериментального исследования асинхронизированного турбогенератора ТЗФА-110-2 в режиме взаимной нагрузки на турбогенератор ТЗФГ-160-2 на стенде завода «Электросила», позволяющий провести испытания в широком диапазоне обмениваемой мощности при одном и том же угле сопряжения валов генераторов — за счет предлагаемого предварительного расчета токов возбуждения в обмотках АСТГ.

6. При работе с одной обмоткой возбуждения наибольшая выдаваемая расчетная активная мощность турбогенератора типа ТЗФА-110-2УЗ находится в квадранте потребления реактивной мощности и составляет 110 МВт при Q=-36 МВар. В квадранте индуктивной нагрузки при работе АСТГ с одной обмоткой возбуждения наибольшая активная мощность генератора составляет 80 МВт при cos0=l.O Левая часть диаграммы мощности ограничена пределом статической устойчивости.

7. Экспериментальное исследование турбогенератора ТЗФА-110-2 в режиме взаимной нагрузки на турбогенератор ТЗФГ-160-2 на стенде "Электросилы" в режиме глубокого недовозбуждения (Р=39 МВт, Q=-l ЮМВар) не обнаружило недопустимых перегревов в элементах торцевой зоны статора генератора.

8. Предложенная система охлаждения обеспечивает эффективный теплоотвод в пазовой и лобовой частях обмоток возбуждения, вызванного ростом "ампервитков" ротора из-за наличия на нем второй обмотки.

9. Наличие разновеликих пазов на роторе приводит к увеличению амплитуд магнитной индукции гармоник низшего порядка (3, 5, 7,.) в воздушном зазоре. Эти гармоники вызывают дополнительные потери в стали статора, требующие интенсификации охлаждения зубцов и сердечника. На основе расчета электромагнитного поля выбрано соотношение между количеством глубоких и мелких роторных пазов, обеспечивающее наилучший для данной конструкции спектральный состав магнитной индукции в воздушном зазоре.

155

Заключение

1. Разработаны оптимальные схемы компоновки конструкции ТГ с воздушным охлаждением, обеспечивающие минимальный вес и габариты, высокие технологические параметры и технологичность изготовления: разъемный статор; обмотка статора с изоляцией, изготовленной по технологии вакуумно-нагнетательной пропитки, введение упругого слоя в изоляцию для возможности аксиального расширения обмотки статора, упругое крепление сердечника в корпусе статора; расшлицовка, склейка и запечка крайних пакетов сердечника, выполненных со скосом зубцов; применение продольных выравнивающих пазов с магнитными вставками на полюсах и беспазовой конструкции токоподводов на роторе; оснащение ТГ системой наддува и осушки воздуха.

2. Разработаны усовершенствованные методики электромагнитных, тепловых, вентиляционных и механических расчетов применительно к разработанному новому конструктивному исполнению узлов ТГ, путем математического моделирования процессов установлены особенности работы и параметры конструкции.

3. Исследована и подтверждена высокая эффективность разработанных схем вентиляции для ТГ с воздушным охлаждением малой (до 15 МВт), средней (до 40 МВт) и большой (50.320 МВт) мощности типов ТА (одноструйная с косвенным охлаждением обмотки возбуждения ротора), ТФ (одноструйная с непосредственным охлаждением обмотки возбуждения ротора), ТЗФ (трехконтурная). Разработаны и внедрены вентиляторы и направляющие системы с высоким КПД и низкими потерями.

4. Исследованы и отработаны технологии изготовления изоляции обмоток статоров методом полной вакуумно-нагнетательной пропитки с последующей запечкой обмотанного сердечника, высокочастотного индукционного нагрева при пайке обмоток, насадке и снятии бандажных колец роторов.

5. Освоено производство турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения типа ТА, ТФ, ТЗФ. Испытания головных образцов ТГ на стенде завода и электростанциях подтвердили достижение поставленных целей, высокий КПД, низкий уровень нагрева и вибрации.

6. Разработан и изготовлен АСТГ типа ТЗФА-110-2 с воздушным охлаждением номинальной мощностью 110 МВт, отличающийся наличием двух обмоток возбуждения на роторе. Всесторонние стендовые испытания АСТГ, в том числе в режимах взаимной нагрузки при сопряжении с синхронным ТГ ТЗФ-160-2, позволили установить соответствие его параметров расчетным значениям, уточнить особенности поведения при регулировании реактивной мощности, при работе с одной обмоткой возбуждения, влияние увеличенных амплитуд магнитной индукции гармоник низкого порядка (3, 5, 7,.) в воздушном зазоре. Последующая эксплуатация генератора на ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго» подтвердила достижение поставленной цели, т.е. возможность надежной работы в режимах с глубоким потреблением реактивной мощности и обеспечение необходимого уровня устойчивости в энергосистеме.

157

1. Алексеев А.Е. Конструкции электрических машин. — ГЭИ. — 1958.

2. Алексеев А.Е., Костенко М.П. Турбогенераторы. — М.: Госэнергоиздат, 1939.

3. Алексеев Б.А. СИГРЭ-92. Турбогенераторы с воздушным охлаждением новые конструкции, вопросы эксплуатации. — М.: «Электрические станции», 1993, № 2, 53 с.

4. Андрусив О.П., Кварагрселия Б.В., Пинчук Н.Д. Новые техническиерешения и новые технологии для целей модернизации электрооборудования // Сб. Электросила № 43, 2004 г. — С.11-17.

5. Багалей Ю.В., Оболончик И.Б. Контроль процесса пропитки изоляционных конструкций / Прогрессивные методы обмоточно-изолировочных работ и элементы их механизации. Материалы республиканской межзаводской школы. — Киев, 1966, с. 50-64.

6. Балабанов И.Г, Глебов И.А., Журавлев Г.С., Kadu-Оглы И.А., Тутаев В.А., Федоров В.Ф. Способ осушки газа в электрической машине и устройство для его осуществления: А.С. 1170557-185.-Бюл. №28.

7. Бергер А.Я. Турбогенераторы переменного тока. т. II. ОНТИ,1936.

8. Бураков A.M. Электромагнитные усилия и механические воздействия на крайние пакеты сердечника статора турбогенератора //Дисс. канд. техн. наук.-М., 1980.-239.

9. Важное А.И. Электрические машины. JI. «Энергия» 1968, 768 с.11 .Ваксер. Б.Д. Ионизационные процессы и конструирование статорной обмотки изоляции высоковольтных машин. Сб. «Электросила», JL, Энергоатомиздат, №37, 1988.

10. Ваксер Б.Д., Петров В.В., Ханукова Э.С. и др. «Пропиточныйсостав», Патент РФ №2010367, 1992.

11. Ваксер Б.Д, Житомирский А.А., Койков С.Н., Пищулина О.П. Оценка параметров совмещенного закона электрического старения высоковольтной статорной изоляции, «Электричество», №11, 1977г., с.40-43.

12. А.Ваксер БД., Коган В. О., Поляков Р. С., Пресное Ю.Л. Исследование систем крепления пазовой части обмотки статора крупных генераторов. «Электричество», №7, 1978, с.74—77.

13. Ваксер БД., Петров В.В., Хазанов А.И., Чибриков А.Н. Новые способы крепления обмотки высоковольтных электрических машин в пазах сердечника. Доклады IX совместного НТС «Электросила» -«Ганц», 1988 г.

14. Вибрации в технике / Айрапетов Э.Л., Биргер И.А. и др. Т.З. М., Машиностроение, 1980. - 544 с.

15. Волъдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. - 840 с.

16. Ю.Гордон И.А. Расчет режимов турбогенераторов, работающих в условиях взаимной нагрузки на испытательном стенде // Сб. "Электросила". 1974, № 30. С.68-73.

17. Готтер Г., Нагревание и охлаждение электрических машин. Госэнергоиздат, 1961.22 .Глебов И.А., Данилевич Я.Б. Научные проблемы турбогенераторостроения.

18. Дзлиев С.В., Kadu-Оглы И.А., Кийло O.JI. Высокочастотный индукционный нагрев бандажей роторов турбогенераторов // Сб. Электросила. 2003. - № 42 - С. 59-70.

19. Изд-во АН СССР, 1959. 248 с.

20. Домбровский В.В., Лютер Р. А. Расчет режимов при испытаниях турбогенераторов методом взаимной нагрузки на базе теории двух реакций // Сб. "Электросила". 1974, № 30. С.64-65.

21. Ъ2Довгер Н.Е., Иогансен В.К, Kadu-Оглы И.А.,.Соколов Д.Ю, Штилерман ИЗ. Неравножесткость ротора двухполюсного турбогенератора // Сб. Электросила (приложение). 2003. — № 42. -С. 22-37.

22. ЪЪ.Дубровин Ю.Н., Kadu-Оглы И.А., Карташова Т.Н., Шаров В.И. Развитие системы воздушного охлаждения турбогенераторов серии ТЗФ // Сб. "Электросила". 2003, №42 С. 44-50.

23. Ермолин Н.П., Электрические машины малой мощности, «Высшая школа», 1962.

24. Ъ5Жерве Г.К. Вопросы испытания крупных турбогенераторов. JL: Энергия, 1970. 183 с.

25. Жерве Г.К., Промышленные испытания электрических машин, Госэнергоиздат, 1950.

26. Зимин В.И., Обмотки электрических машин. Госэнергоиздат, 1950.

27. ЪЪ.Иогансен В.И., Kadu-Оглы И.А, Штилерман ИЗ. Двоякая жесткость бочки ротора турбогенератора и методы ее выравнивания // Электроэнерго-2002: Тез. докл. науч.-практич. конф. 9-12 сентября 2002 г. СПб, 2002. - С. 30.

28. Иогансен В.И., Kadu-Оглы И. А., Чернявский В.П., Чашник П.И., Штилерман И.З, Шамсонов А.Б., Антонов Ю.Ф., Дереза КВ., Пинчук Н.Д. "Токоподвод обмотки ротора электрической машины". Патент 1764120 (СССР) от 16.03.1993.

29. Кади-Оглы И.А. Анализ трудоемкости изготовления мощных турбогенераторов// Технико-экономические вопросы развития электроэнергетических систем и машин. 1985. - № 12. - С. 45—47.

30. Кади-Оглы И.А., Соколов Д,Ю., Шарое В.К, Штилерман И.З. исследование динамических и прочностных характеристик статора турбогенератора//Электроэнерго-2003: Тез.докл.конф.-СПб, 2003 г.

31. Кади-Оглы И.А., Шалаев В.Г. Патент РФ № 2095919. Система вентиляции электрической машины- опубл. в Бюлл. № 31 от 10.11.97.

32. Кийло О.Л. Совершенствование метода исследования посадки с натягом бандажного кольца турбогенератора, основанного на конечно-элементной гомогенизации зубцовой зоны ротора // Сб. Электросила. 2001. № 40. - С. 41-52.

33. Костенко М.П., Пиотровский Л.М., Электрические машины, ч.1 и 2, «Энергия», 1964, 1966.бЪ.Мазин Э.А. Расчет режимов по уточненной диаграмме Потье при испытании турбогенераторов методом взаимной нагрузки // Сб. "Электросила". 1974, № 30. С.65-68.

34. Николаев В.В. Стеклянные волокна и стеклопластики. — М. 1970. — 152 с.

35. Ошурков ИВ. Стендовые испытания головного асинхронизированного турбогенератора типа ТЗФА 110-2УЗ // Сб. "Электросила". 2004, №43 С. 136-144.

36. Пиотровский JI.M., Васютинский С.Б., Несговорова Е.Д., Испытание электрических машин, Госэнергоиздат, 1960.

37. Пинчук Н.Д. Развитие производства электрооборудования для энергетики// Электроэнерго-2002: Тез.докл.конф. СПб, 2002 г.

38. Пинчук Н.Д, Кварагрселия Б.В. Новые технические решения и новые технологии для целей модернизации электрооборудования // Электроэнерго-2003: Тез.докл.конф. СПб, 2003 г.

39. Ю.Пинчук НД. Продукция АО «Электросила» для энергетики // Сб. Электросила № 39., 2000 г. - С.5-13.

40. Х.Пинчук НД. Турбогенераторы ОАО «Электросила» // Сб. Электросила № 42., 2003 г. - С.8-10.

41. Постников ИМ., Проектирование электрических машин, Гостехиздат. Укр. ССР, изд. 2-е, 1961; Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин, «Техника», 1966.

42. Смирнов Г.В. Надежность изоляции обмоток электротехнических изделий. Томск, Изд-во Том. Ун-та, 1990. - 192 с.

43. Пинчук Н.Д. и др. Статор высоковольтный электрической машины: Патент № 2236740. 2002 г.

44. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

45. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Физматиздат, 1959.-439 с.

46. Титов В.В., Хуторецкий Г.М., Загородная Г.А., Вартанян Г.П., Заславский Д.И., Смотров И.А. Турбогенераторы. Расчет и конструкция под. Ред. Иванова Н.П., Лютера Р.А. Л.: Энергия. , 1967.- 895 с.

47. Уотерхауз Р.Б. Фреттинг-коррозия. Л.: Машиностроение, 1976. — 270 с.81 .Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах. — Л.: Энергоатомиздат, 1986.

48. Хуторецкий Г.М., Проектирование и расчет современных двухполюсных турбогенераторов, изд. ЛПИ, 1962.

49. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины. М.: Энергоатомиздат, 1984. 192с.

50. Штилерман ИЗ. Об одной модели фреттинг-усталости. СПб: Электросила, 2001. 142 с.

51. Ш.Шуйский В.П. Расчет электрических машин (перевод с немецкого). — Л.: Энергия., 1968. 732 с.

52. ANSYS. Basic Analysis Procedures Guide. Rel. 5.3. ANSYS Inc. Houston, 1994.

53. ANSYS. Theory Reference. Rel. 5.3. Ed. P. Kothnke. ANSYS Inc. Houston, 1994.

54. ANSYS. Basic Analysis Procedures Guide. Rel. 6.0 / ANSYS Inc. Huston, 2002.

55. Ashtiani C.N., Lowther D.A. The use of finite elements in the simulation of steady state operation of a synchronous generator with a known terminal loading condition // IEEE Trans, on magn. — 1983. Vol. Mag-19.-No. 6.-p. 2381-2383.

56. G.Griffith, S.Tucker, J.Milsom, G.Stone Problems with Modern Air-Cooled Generator Stator Winding Insulation// El. Ins. Mage. 2000. -pap. 0883-7554.

57. Hafner B. Quality-assurance in the VPI-Process for High-Voltage Machines using a new developed Capacitance-Measurement Device. / Dielectric and insulating systems in electrical engineering. Disee '98. Bratislava. 1998. c. 19-22.

58. Shtilerman J.Z., Iogansen V.I. and Kadi-Ogly I.A. The Development of Fretting Fatigue Theory and its Application to Fatigue Strength Analysisof Large Turbo-Generator Rotors // Proc. of Stockholm Power Tech Conf. (SPT-EM). Stockholm, 1995.

59. Vakser N.M., Starovoitenkov V.V. Optimization of the impregnation process of dielectric materials// Electroinsulating and Cable Technology Extended to Related Branches of the material Science and Electrotechnology. 1998. - № 3-4.- p. 53-55.

60. Waterhouse R.B. Fretting fatigue // Int. Materials Reviews. — 1992. Vol.37.-No 2.-P. 77-97.

61. Wiedeman E., Kellenberger W. Konstruktion Elektrischer Maschinen. Springer-Verlag Berlin (Heidelberg), New York, 1967.