Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Новые технические решения и новые технологии для серии турбогенераторов с воздушным охлаждением нового поколения 13
1.1. Основные направления исследований и разработок 13
1.2. Выбор типа высоковольтной изоляции обмотки статора 14
1.3. Выбор типа обмотки статора 18
1.4. Разработка и внедрение турбогенераторов с различными схемами вентиляции 20
1.5. Система наддува воздуха с конденсатором 27
1.6. Новые технологии производства турбогенераторов с воздушным охлаждением 30
1.7. Исследование и внедрение метода высокочастотного индукционного нагрева для пайки обмоток, а также посадки и съема бандажных колец роторов турбогенераторов в условиях эксплуатации 36
1.7.1. Высокочастотная индукционная пайка обмоток 36
1.7.2. Высокочастотный индукционный нагрев бандажных колец роторов турбогенераторов 45
1.8. Выводы к главе 1 50
Глава 2. Исследование конструкции разработанной серии турбогенераторов с воздушным охлаждением 52
2.1. Решение проблемы повышения эффективности воздушного охлаждения турбогенераторов 52
2.1.1. Теоретический анализ проблемы 52
2.1.2. Пути повышения эффективности воздушного охлаждения турбогенераторов 54
2.1.3. Этапы освоения нового поколения турбогенераторов с воздушным охлаждением 57
2.1.4. Исследовательские натурные испытания при создании новой серии турбогенераторов 59
2.2. Исследования в области конструкции и технологии изготовления высоковольтной изоляции обмотки статора 65
2.2.1. Высоковольтная изоляция электрических машин на основе пропитанных лент 65
2.2.2. Совершенствование технологического процесса 66
2.2.3. Совершенствование состава ленты 69
2.2.4. Контроль изоляции 72
2.2.5. Крепление обмотки в пазах статора 72
2.2.6. Система изоляции на основе сухих лент, пропитываемых после укладки в сердечник 73
2.2.7. Исследования изоляции с антиадгезионным слоем 74
2.2.8. Совершенствование технологии изготовления пропитанных изоляционных систем 82
2.3. Влияние типа изоляции обмотки статора на динамические характеристики сердечника статора турбогенератора 86
2.4. Исследование динамических и прочностных характеристик статора турбогенератора 93
2.5. Выводы к главе 2 104
Глава 3. Асинхронизированный турбогенератор типа ТЗФА-110-2 мощностью 110 МВт с воздушным охлаждением 106
3.1. Постановка задачи, параметры и конструкция турбогенератора 106
3.2. Стендовые испытания асинхронизированного турбогенератора типа ТЗФА-110-2УЗ 120
3.2.1. Электрические характеристики и испытания на нагревание 120
3.2.2. Моделирование параметров диаграммы мощности асинхронизированного турбогенератора ТЗФА-110-2 при испытании на стенде «Электросилы» в режиме взаимной нагрузки 129
3.2.3. Тепловое состояние статора турбогенератора ТЗ ФА-110-2 139
3.2.4. Температурное поле ротора турбогенератора ТЗФА-110-2 145
3.3. Результаты испытаний турбогенератора ТЗФА-110-2 на электростанции 151
3.4. Выводы к главе 3 153
Заключение 155
Список литературы 157
- Выбор типа высоковольтной изоляции обмотки статора
- Исследования в области конструкции и технологии изготовления высоковольтной изоляции обмотки статора
- Исследование динамических и прочностных характеристик статора турбогенератора
- Стендовые испытания асинхронизированного турбогенератора типа ТЗФА-110-2УЗ
Введение к работе
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
7 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
8 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 АСТТ 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.
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.
Разработать и исследовать эффективные схемы вентиляции, конструкцию и параметры вентиляторов и элементов вентиляционных систем.
Разработать и внедрить в производство прогрессивные технологические процессы с применением современных материалов и оборудования.
Освоить производство и исследовать свойства общей конструкции и узлов турбогенераторов нового поколения с воздушным охлаждением, подтвердить их технологичность и эффективность.
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,
10 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.
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.
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.
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.
Разработана, теоретически и экспериментально обоснована система наддува с конденсатором, автоматически обеспечивающая низкую влажность воздуха в ТГ с воздушным охлаждением.
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.
Семинар РАО «ЕЭС России» «Электроэнергетика России: состояние, проблемы, перспективы». Москва, ВДНХ, 4-6 октября 1994 г.
XVIII годичная конференция СПб отделения Нац. Комитета по истории науки и техники РАН, С.-Петербург, С.-З. Отделение РАН, 26-29 ноября 1997 г.
Всероссийское отраслевое совещание РАО «ЕЭС России» «Проблемы технического перевооружения и продления ресурса турбинного оборудования», С.-Петербург, ЛМЗ, 10-1 Іиюня 1999 г.
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.
Международная выставка «Энергетика, электротехника, энергоэффективность», Киев, 19-22 октября 1999 г.
Вторая международная конференция концерна «Росэнергоатом» «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, ВНИИ АЭС, 22-23 марта 2001 г.
Международный Энергетический Форум Содружества Независимых Государств «МЭФ СНГ-2001», Ялта, 24-30 сентября 2001 г.
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.
Выбор типа высоковольтной изоляции обмотки статора
Широкое развитие в последние десятилетия получили в энергетике газотурбинные и парогазовые установки, более экономичные, чем паротурбинные. Генераторы для этих установок должны быть высокоманевренными и простыми в обслуживании. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют турбогенераторы с воздушным охлаждением. Высокие требования, предъявляемые к таким генераторам, могут быть удовлетворены только при наличии надежной, выдерживающей большие механические, тепловые и электрические нагрузки изоляции, особенно обмотки статора, конструкция которой во многом определяет максимальную мощность машины. Используются два вида изоляции высокого напряжения обмотки статора:
«сухими» лентами - укладка стержня в формы или в статор, где происходит пропитка и отверждение. Изоляционная лента наматывается на стержни или катушки статора с помощью робота, гарантирующего плотность намотки толщину и натяжение ленты, нужное перекрытие ленты; пропитанными лентами — стержень оборачивают антиадгезионной пленкой, прессуется и термообрабатывается. Существенно повышающей качество изоляции является полная вакуум-нагнетательная пропитка (ВНП) изоляции статора. Успешно применявшийся ранее для мощных электродвигателей, этот процесс позволяет, кроме того, значительно повысить механическую прочность статора. Это также весьма важно для турбогенераторов с воздушным охлаждением.
Преимущества полного погружения - высокая механическая прочность стержня, хороший теплоотвод при эксплуатации, недостаток — сложность ремонта при выходе хотя бы одной секции обмотки.
В последние 30 лет ВНП-технология применяется как для изолировки отдельных стержней, так и для полной пропитки изоляции всей обмотки. В последнем случае в пазы статора вкладываются стержни, обмотанные сухими, непропитанными эпоксидной смолой лентами. Процесс укладки такой обмотки в пазы сердечника достаточно технологичен. Сердечник статора с обмоткой помещается в бак, где создается вакуум для удаления
воздуха из пор и полостей изоляции. Затем происходит пропитка эпоксидной смолой, проникающей под давлением в полости изоляции, запечка и отверждение смолы. Такое технологическое решение существенно проще, чем технология индивидуальной пропитки, запрессовки и отверждения отдельных стержней и последующей укладки их в пазы статора.
Следует отметить типовую разъемную конструкцию статоров турбогенераторов с воздушным охлаждением, предусматривающую разделение сердечника и корпуса. При такой конструкции упрощается процесс пропитки и запечки обмотанных сердечников, снижаются монтажные веса, повышается доступность внутренних элементов, обеспечивается низкий уровень вибрации и шума. Например, для турбогенератора мощностью ПО МВт удалось снизить монтажную массу статора до 95 т., тогда как в неразъемном варианте она равняется 130 т. Массогабаритные характеристики такого генератора позволяют установить его на фундамент генератора ТВФ с водородным охлаждением мощностью 120 МВт (монтажная масса статора 112 т) при помощи существующего кранового оборудования [70].
Полная пропитка и отверждение смолы позволяет получить удовлетворительные механические характеристики пакета сердечника, помещаемого в корпус статора. Также, как в случае ВНП-процесса на отдельных стержнях, изоляция вплоть до лобовых частей непрерывна, никаких переходов между пазовой и лобовой частями нет. Это повышает сопротивляемость к перенапряжениям во время эксплуатации и усилиям на выходе из паза, что было подтверждено при испытаниях на срок службы при повышенном напряжении.
Процесс ВНП с погружением статора дает жесткую механическую связь всем частям обмотки между собой и по отношению к статору, что позволяет повысить сопротивляемость температурным изменениям во время работы и препятствует эрозии изоляции. Однако в режимах генератора с
Исследования в области конструкции и технологии изготовления высоковольтной изоляции обмотки статора
В электрических машинах высокого напряжения корпусная изоляция является наиболее нагруженным элементом, подвергающимся одновременному воздействию сильного электрического поля, температуры и циклических термомеханических напряжений, электродинамических усилий и вызываемых ими вибраций.
Обширные испытания и длительный (начиная с 1965 года) опыт эксплуатации большого числа турбогенераторов и гидрогенераторов показал, что разработанная и применяемая «Электросилой» изоляция «слюдотерм», отвечает самым жестким эксплуатационным требованиям и имеет значительные возможности повышения ее использования. Последнее в наибольшей мере необходимо для создания современных мощных турбогенераторов с воздушным охлаждением. Предельная мощность таких машин существенно зависит от рабочей напряженности в изоляции, повышение которой, во-первых, позволит уменьшить потери за счет замены изоляции медью и, во-вторых, улучшит теплопередачу.
Проведенные технологические исследования, электрические и термоциклические испытания показали, что в изоляции слюдотерм, изготавливаемой по технологии «пропитанных лент», за счет совершенствования технологического процесса и состава лент [12] можно достичь средней рабочей напряженности (Ecp=Uci /d) до 3 кВ/мм. При этом максимальная напряженность на внутренних ребрах (Ем=Еср((1.8d/p)+l) , р -радиус закругления проводника [11]) составит около 6 кВ/мм, что близко к порогу ионизации.
Чтобы обеспечить надежность и долговечность изоляции при таких нагрузках, необходимо совершенствование состава изоляции и ее термо-опрессовки, направленное на сведение к минимуму объема внутренних газовых полостей и сохранение целостности и электрической прочности слюдяных барьеров [94], а также усовершенствование способов контроля монолитности изоляции [82].
Главной проблемой в технологии пропитанных лент является определение условий опрессовки стержня после намотки ленты до чертежного размера, которое сводится к выбору температурно-временного режима прессования и коэффициента опрессовки K=(dH-d0)/d0, где dH, d0 - толщины изоляции после намотки и прессования соответственно.
Режим прессования определяется противонаправленно действующими температурными зависимостями вязкости расплава связующего и времени его желирования.
Однако, даже при оптимальном выборе указанных параметров, электрическая прочность изоляции решающим образом зависит от выполнения опрессовки и наложения изоляции.
Неравномерность нагрева и/или давления по длине стержня при прессовании приводят к образованию «волн» ленты внутри изоляции и повреждению слюдяного барьера. Фотографии срезов изоляции при нарушениях ее структуры по этой причине и в нормальном состоянии приведены на рис. 26а и 266, соответственно.
В первые годы применения изоляции «слюдотерм», а в ряде типов турбогенераторов и до настоящего времени, опрессовка и полное отверждение связующего изоляции производились при температуре 160С в прессах, воспроизводящих точную геометрию стержня обмотки. Этот способ оказался весьма трудоемким и требовались большие затраты на оснастку.
Повышение производительности и снижение затрат было достигнуто при использовании двухэтапной технологии — предварительная подпрессовка пазовой части по укороченному режиму и полное отверждение под давлением 1 МПа в автоклаве с опрессовочной средой — битумом при 160С.
Однако наиболее перспективным является «одноступенчатый» процесс опрессовки и отверждения под давлением в автоклаве, обеспечивающий равномерность температуры и давления. Для этого используются специальной формы опрессовочные планки, формирующие размеры сечения в пазовой и лобовых частях. При этом способе не только уменьшаются затраты труда и вспомогательных материалов, но и, за счет равномерности температуры и давления и одновременности подачи давления на изоляцию, снижается вероятность повреждения слюдяного барьера и увеличивается электрическая прочность.
Изменен также контроль наложения ленты. Ранее, изолировка заканчивалась по достижении заданной толщины намотанной изоляции, и поэтому, в зависимости от содержания связующего и условий измерения (температура, усилие нажатия измерительного инструмента), число слоев ленты могло существенно меняться в изоляции одной номинальной толщины. В усовершенствованном способе задается и контролируется число намотанных слоев, независимо от толщины ленты. Как показал опыт, при давлении опрессовки 1,0 МПа, несмотря на имеющийся разброс содержания связующего в ленте, происходит выдавливание его избытка и обеспечивается стабильность толщины единичного слоя и, следовательно, всей изоляции, повышается ее однородность.
Испытания, проведенные на натурных стержнях гидрогенератора показали, что электрическая прочность изоляции, опрессованной и отвержденной в автоклаве без предварительного прессования, на 10...20% выше, чем у подпрессованной, а отбраковка при цеховых испытаниях высоким напряжением в 3-5 раз ниже. Однако реализация этого способа связана с более строгими требованиями к процессу наложения изоляции (постоянство нахлеста, максимальный натяг) и однородности ленты.
Исследование динамических и прочностных характеристик статора турбогенератора
Статор крупного турбогенератора является сложным узлом, состоящим из большого количества деталей, которые совместно воспринимают механические нагрузки. При расчёте прочности, жесткости и других механических характеристик статора аналитическими методами приходится делать большое количество необходимых предположений и допущений о работе деталей и их взаимодействии, не всегда достаточно обоснованных, что сказывается на достоверности результатов [18, 26, 30, 77, 78]. Особенно большие сомнения в достоверности расчётов возникают при исследовании статоров турбогенераторов с воздушным охлаждением, имеющих тонкие коробчатые корпуса с большой податливостью и малой массой. Большое значение имеет также точное определение воздействия статора на фундамент, а также их совместных динамических характеристик. В связи со сложностью конструкции проведение механических расчётов методом конечных элементов статора в сборе (что позволяет учесть многие особенности конструкции) до последнего времени не представлялось возможным, однако, в связи с развитием вычислительной техники и программных средств, предпринята попытка более обоснованного расчёта динамических характеристик и прочности статора турбогенератора.
В качестве первого объекта выбран статор генератора ТЗФГ-160-2М [5, 52]. Расчёты проводились с использованием программы «ANSYS 5.7». Постановка задачи и полученные результаты представлены ниже.
Для моделирования взята половина корпуса вместе с продольной балкой по длине (вдоль оси), балка под подшипником взята соответствующей стороне турбины (без траверсы), симметрия относительно продольной вертикальной плоскости не учитывается ввиду нечётного числа рёбер подвески сердечника, а также для уменьшения числа вариантов граничных условий при расчётах.
Ниже перечислены основные элементы модели и особенности их моделирования.
Сердечник, который смоделирован объёмными элементами, разбит на две зоны — спинки и зубцовую. Плотность 6000 кг/м выбрана, чтобы обеспечить общую массу 102000 кг (статор обмотанный минус рёбра и стенки каркаса). Модуль Юнга спинки взят 180000 МПа, модуль Юнга зубцовой зоны 40000 МПа. Стяжные рёбра предполагаются шарнирно закреплёнными на сердечнике, их форма, включая прорези и угольники крепления к стенкам, задана подробно, и ребро моделируется большим числом элементов. Каждое ребро выделено в отдельный суперэлемент.
Каркас сердечника моделируется трёхмерными конечными элементами.
Корпус генератора моделируется плоскими оболочечными элементами 16, 25, 30, 40, 50 мм толщиной и балочными элементами соответствующего профиля в местах прохождения рёбер и стяжек.
Балки под корпусом и подшипником смоделированы плоскими оболочечными элементами толщиной 50 и 70 мм, а опорная лапа трёхмерными элементами.
Подшипник смоделирован трёхмерными элементами, модуль Юнга 200000 МПа, плотность 2500 кг/м ,чтобы обеспечить общую массу 5900 кг.
Введено демпфирование в материале статора, логарифмический декремент 5=1,5%.
При моделировании всех деталей используются изопараметрические конечные элементы второго порядка. Всего модель включала в себя около 12000 конечных элементов при общем числе степеней свободы 150 000.
Закрепление балок осуществляется по площадкам опирання на фундамент. Стянутые болтами детали считаются плотно соединёнными без зазоров и проскальзываний. Модель не учитывает направляющий аппарат вентиляторов и торцевые щиты, предполагая, что их влияние на закрепление сердечника несущественно. Не включены в модель также воздухоохладители, они обладают малой жёсткостью, их влияние на собственные частоты статора не превышает 1 Гц, а обилие парциальных частот охладителей существенно затрудняет анализ.
Кроме основной модели, для выявления влияния податливости корпуса на подвеску, проведены в частичном объёме расчёты для дополнительных моделей: в первой предполагался практически жёсткий корпус - модуль
Стендовые испытания асинхронизированного турбогенератора типа ТЗФА-110-2УЗ
На стенде испытательного центра КМТ "Электросилы" проведены приёмочные испытания головного образца асинхронизированного турбогенератора типа ТЗФА-110-2УЗ, изготовленного для ТЭЦ №22 ОАО "Мосэнерго". Помимо испытаний в режимах косвенной нагрузки (холостой ход и короткое замыкание) программой было предусмотрено проведение испытаний методом взаимной нагрузки на нагрузочный генератор типа ТЗФГ-160-2УЗ в режимах, представляющих характерные точки диаграммы мощности (как с выдачей реактивной мощности, так и с потреблением).
Конструктивной особенностью турбогенераторов типа ТЗФА является наличие на роторе двух обмоток возбуждения, магнитные оси которых взаимно перпендикулярны. Кроме того, сами эти обмотки не совсем идентичны конструктивно. В одной из них (верхней) все витки лежат в пазах одной глубины, тогда как во второй (нижней) часть витков располагается в более глубоких пазах. В связи с этим представляет интерес определение характеристик при питании обеих обмоток ротора одним током при их последовательном соединении и при питании каждой обмотки отдельно. На рис. 47 и 48 представлены характеристики холостого хода и трехфазногоКПД 97,98 соответствует ТУ (98,1%). Результаты определения индуктивных сопротивлений и постоянных времени обмоток представлены в табл. 17.
Результаты тепловых испытаний в данном разделе рассматриваются с точки зрения оценки теплового состояния основных активных частей генератора, определяемого средствами штатного контроля (обмотка и сердечник статора — методом заложенных термопреобразователей сопротивления), средняя температура обмотки ротора — методом сопротивления. Температура охлаждающего воздуха и воды воздухоохладителей также определялась по штатным термопреобразователям сопротивления. Все измерения производились с помощью автоматизированной системы сбора данных на основе цифровых измерительных преобразователей с передачей на персональные компьютеры, что дает возможность следить на экране монитора за процессом в реальном времени, периодически печатать результаты опроса, оценивать динамику нагрева (скорость температурных изменений) и сохранять данные на диске. Полученные результаты совместно с результатами измерений по дополнительным датчикам дают представление об уровнях нагрева всех перечисленных элементов машины, как в ее номинальном режиме работы, так и в характерных точках диаграммы мощности.
Испытания на нагревание данного генератора проводились в два этапа. Первый этап - испытания в режимах косвенной нагрузки - холостого хода и
Для испытаний генератора ТЗФА-110-2УЗ в качестве нагрузочной машины был использован турбогенератор ТЗФГ-160-2 УЗ с номинальными данными: 160000 кВт, 188235 кВА, Ожр = 0.85, 15750 В, 6900 А.
Предварительно выполненные расчеты (см. раздел 3.2.2, табл.20) показали, что для обеспечения номинального режима испытуемого генератора требуется подача тока в обе обмотки возбуждения по 2325 А и установка угла между магнитными осями роторов (сумма углов нагрузки Е0) 130 градусов (ротор испытуемого генератора опережает ротор нагрузочной машины), при этом в программе испытаний были предусмотрены режимы при одном неизменном угле сдвига осей роторов и при последовательном соединении обмоток роторов для сокращения количества вариантов нагрузок в связи с ограничением времени, отведенного на испытания.
Для определения исходного расхождения магнитных осей роторов, первоначально установленных в произвольном положении друг относительно друга, был применен используемый традиционно метод нахождения положения магнитной оси ротора каждой машины относительно магнитного поля одноименных фаз статоров (в данном случае фаз А-В). При этом на вывода указанных фаз обмотки статора подавался небольшой ток, и измерялось напряжение, индуктируемое на обмотке ротора. Для измерения величины и фазы напряжения использовался описанный ниже метод. Поворачивая с помощью мостового крана ротор небольшими ступенями, находили момент прохождения напряжения на кольцах ротора через 0, т.е. положение поперечной оси. Отсчет углов делался по стрелке, укрепленной на стояке подшипника относительно размеченной ленты миллиметровой бумаги, укрепленной на полумуфте генератора. После определения исходного расхождения магнитных осей роторов был вычислен угол, на который следует повернуть вал ротора генератора, чтобы получить требуемый угол сдвига. Полумуфты были соединены с точностью, определяемой шагом по отверстиям полумуфт, что ограничило возможность точной установки требуемого угла.
Окончательное измерение угла сдвига произведено после соединения полумуфт всеми болтами. Схема измерений представлена на рисунке 49. Шинопроводы, соединяющие вывода статоров, были рассоединены, агрегат приведен во вращение приводным двигателем до номинальной частоты вращения, и в обмотки роторов был подан ток с соблюдением заданной полярности. Измерение угла сдвига напряжения одноименных фаз дало результат 140 град.
Ниже приводится табл. 18 электрических параметров режимов испытаний. Несмотря на указанное отклонение установленного угла сдвига от расчетного значения, испытания проведены в режимах максимальной токовой нагрузки (номинальный ток в обмотке статора и в последовательно соединенных обмотках ротора) при несколько пониженном напряжении.
