Глава 1. ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

Активные части турбогенератора – сердечник статора и ротор, с обозначением размеров показаны на рис. 1.1. Турбогенератор выполняется с радиальной системой вентиляции сердечника статора. Сердечник статора подразделяется на пакеты толщиной , между которыми выполняются вентиляционные каналы шириной .

Рис. 1.1. Размеры активного железа сердечника статора, ротора

и кольцевых бандажей ротора турбогенератора

 

К основным размерам турбогенератора обычно относят диаметр расточки и длину сердечника статора (рис.1.1). Основные размеры выбирают на основании опыта проектирования турбогенераторов, положительно зарекомендовавших себя в эксплуатации [1, 2, 4, 5]. Выбор основных размеров турбогенератора следующий.

На основании исходных данных к проектированию определяются расчётная мощность турбогенератора

,

синхронная частота вращения, об/мин

где – номинальная мощность, кВт, – коэффициент мощности, – частота сети, Гц, – число пар полюсов турбогенератора.

По рис. 1.2 определяется машинная постоянная Арнольда , а по рис. 1.3 – диаметр расточки статора .

 

Рис. 1.2. Зависимость машинной постоянной от мощности и

системы охлаждения турбогенератора: а – косвенное воздушное (Т);

б – косвенное водородное (ТВ, ТВС); в – непосредственное водородное ротора (ТВФ); г – непосредственное водородное ротора, водяное

статора (ТВВ)

 

Рис. 1.3. Зависимость диаметра расточки статора от мощности и

системы охлаждения турбогенератора: а – косвенное воздушное (Т);

б – косвенное водородное (ТВ, ТВС); в – непосредственное водородное ротора (ТВФ); г – непосредственное водородное ротора, водяное

статора (ТВВ)

Активная длина сердечника статора рассчитывается по формуле

.

После определения основных размеров и проверяется отношение , которое в правильно спроектированных турбогенераторах находится в пределах от 2 до 6. С точки зрения критических частот вращения ротора целесообразно, чтобы .

Использование активных материалов обмоток и железа магнитопровода, потери и КПД турбогенератора зависят от электромагнитных нагрузок. К электромагнитным нагрузкам относят линейную нагрузку статора и величину индукции в воздушном зазоре . Предварительно линейная нагрузка определяется по рис. 1.4, а индукция – по рис. 1.5.

 

Рис. 1.4. Зависимость линейной нагрузки от диаметра и системы

охлаждения турбогенератора: а – косвенное воздушное;

б – косвенное водородное; в – непосредственное водородное ротора;

г – непосредственное водородное ротора и водяное статора

 

Линейная нагрузка характеризуется величиной тока статора на единицу длины расточки статора. Электрические потери в обмотке статора зависят от линейной нагрузки. Чем больше линейная нагрузка, тем больше электрические потери.

Линейная нагрузка в зависимости от размеров турбогенератора (диаметра расточки статора ) и системы охлаждения изменяется в пределах (5…25)·10⁴ А/м. При одной и той же системе охлаждения с увеличением улучшаются условия охлаждения. Поэтому с ростом диаметра имеется возможность несколько увеличить линейную нагрузку.

 

Рис. 1.5. Зависимость индукции от диаметра расточки статора

 

Индукция в воздушном зазоре характеризует плотность магнитного потока в зазоре. Чем больше индукция, тем больше потери в железе магнитопровода статора. Выбор индукция в зазоре практически не зависит от системы охлаждения турбогенератора. С увеличением диаметра улучшаются условия охлаждения, что позволяет несколько увеличивать индукцию. В зависимости от диаметра индукция изменяется в пределах 0, 65…0, 95 Тл (рис. 1.5).

Статор и вращающийся ротор (рис. 1.1) разделены воздушным зазором . Рекомендации по выбору воздушного зазора приведены в [5]. Воздушный зазор должен удовлетворять условиям статической устойчивости и монтажа турбогенератора. Из условия статической устойчивости минимальная величина воздушного зазора определяется по формуле

,

где ОКЗ – отношение короткого замыкания.

Если ОКЗ не задано, то при выборе ОКЗ можно воспользоваться табл. 1.1.

Таблица 1.1

, МВт	0...200	200 и выше
ОКЗ	0, 80...0, 60	0, 60...0, 4

 

Величина воздушного зазора, выбранная по рис. 1.6, удовлетворяет условиям монтажа турбогенератора (, где – диаметр бандажного кольца рис. 1.1). Окончательно воздушный зазор выбирается наибольшим, чтобы он удовлетворял условиям статической устойчивости и монтажа турбогенератора.

 

Рис. 1.6. К выбору воздушного зазора из условия монтажа

турбогенератора: а – косвенное воздушное; б – косвенное

водородное; в – непосредственное водородное ротора;

г – непосредственное водородное ротора, водяное статора

 

После выбора воздушного зазора определяются размеры ротора. Конструкция ротора турбогенераторов представлена в [4, с. 219 – 266]. При выборе диаметра бочки ротора целесообразно придерживаться нормализованного ряда диаметров бочки ротора , м: 0, 475; 0, 575; 0, 664; 0, 728; 0, 814; 0, 93; 1, 0; 1, 075; 1, 125; 1, 20; 1, 25.

Предварительно определяется диаметр бочки ротора

и из нормализованного ряда выбирается диаметр ротора , ближайший к рассчитанному диаметру .

После этого необходимо уточнить внутренний диаметр расточки статора

.

Ротор является самой нагруженной в механическом и магнитном отношении частью турбогенератора. С целью снижения магнитного насыщения ротора рекомендуется длину бочки ротора (рис. 1.1) брать на 50...150 мм больше длины сердечника статора ,

.

Рассчитывается отношение и по рис. 1.7, необходимо убедится, что частота вращения ротора не лежит в зоне критических частот.

 

Рис. 1.7. Зависимости первой и второй критической частоты вращения ротора от отношения

 

Максимально возможные размеры бочки ротора для двухполюсного турбогенератора = 8 м, = 1, 25 м.

Для контроля качества поковки ротора в теле ротора (рис. 1.1) выполняется центральное отверстие

,

причем, меньшее значение предела относится к меньшим диаметрам ротора. Центральное отверстие может быть использовано для осуществления токоподвода от контактных колец к обмотке ротора.

При радиальной системе вентиляции сердечник статора разбивается на отдельные пакеты, разделенные между собой вентиляционными каналами (рис. 1.1).

У машин с косвенным охлаждением толщина пакета составляет 0, 03...0, 04 м при воздушном охлаждении и 0, 04...0, 05 м при водородном охлаждении. Ширина вентиляционного канала =0, 01 м.

При непосредственном охлаждении обмотки статора толщина пакета может быть увеличена до 0, 075 м при =0, 01 м или уменьшена ширина вентиляционного канала до 0, 005 м при =0, 04...0, 05 м.

Число вентиляционных каналов рассчитывается по формуле

и округляется до целого числа.

Длина активной части сердечника статора без вентиляционных каналов

.

Эффективная длина сердечника

,

где – коэффициент заполнения пакета железом.

Для электротехнической стали с лаковым покрытием = 0, 93 при толщине листа 0, 5 мм и =0, 9 при толщине листа 0, 35 мм. Для турбогенераторов обычно применяется холоднокатаная сталь и реже горячекатаная.

При выборе размеров ярма сердечника статора в турбогенераторах стремятся обеспечить виброустойчивость сердечника. Для обеспечения виброустойчивости наружный диаметр статора (рис. 1.1) должен быть

.

Окончательно наружный диаметр сердечника статора уточняется после расчета магнитной цепи с учетом условия обеспечения виброустойчивости и допустимой индукции в ярме статора.

Для сборки пакетов сердечника применяются листы (сегменты), выштампованные из электротехнической легированной холоднокатаной стали марки 3413 или горячекатаной марки 1513 толщиной 0, 5 мм. Для турбогенераторов, проектируемых на частоту напряжения сети 60 Гц, используется электротехническая сталь толщиной 0, 35 мм.