Форсировка охлаждения лобовых частей обмотки ротора

Если причиной увеличения средней температуры обмотки, ограничивающей допустимую нагрузку генератора, являются местные перегревы отдельных участков обмотки, то снижать эту температуру целесообразно за счет форсированного охлаждения перегретых мест путем перераспределения расхода охлаждающего газа. Этот способ более эффективен, чем общее повышение давления газа, так как не вызывает увеличения вентиляционных потерь.

У генераторов серий ТВ и ТВ2 наиболее напряженным в тепловом отношении узлом является обмотка ротора, лобовая часть которой в заводском исполнении имеет худшие условия охлаждения по сравнению с пазовой частью. При средней температуре всей обмотки 120—130 °С температура лобовых частей может достигать 150—180 °С, что снижает надежность работы ротора и сокращает его срок службы. Это объясняется недостаточным расходом охлаждающего газа и плохо организованным использованием его в подбандажном пространстве.

Охлаждающий газ поступает в подбандажиое пространство через вентиляционные окна звездочки ротора в месте посадки на него центрирующего кольца. В турбогенераторах с центробежными вентиляторами в зоне забора воздуха в ротор — у торца центрирующего кольца — создается разрежение, ухудшающее условия входа газа в подбандажиое пространство. Кроме того, и основной поток газа, засасываемый вентилятором со скоростью 40—60 м/с, создает эжектирующий эффект по отношению к струе газа, направляющейся в ротор. Для увеличения расхода газа через лобовые части целесообразно отделить зону у входа в окна звездочки вала от входной зоны вентилятора. С этой целью на специально проточенные поверхности звездочки вала насаживаются с предварительным нагревом направляющие воронки, выполненные из стальной или алюминиевой поковки.

Вместо воронок у входа в окна звездочки можно прикреплять с помощью винтов из стали повышенной прочноcти специальные лопасти-заборники, слегка изогнутые по винтовой линии, аналогично лопастям пропеллерного вентилятора. При вращении они создают некоторый дополнительный напор, что способствует увеличению расхода газа через лобовые части обмотки. Материалом для них служит листовая сталь или алюминий толщиной 1,5—3 мм. Для снижения местного аэродинамического сопротивления и создания оптимальных условий входа газа под центрирующее кольцо следует дополнительно обрабатывать входные кромки зубцов звездочки вала, срезав их по направлению вращения ротора. Обработка производится после установки ротора на опорной раме с помощью сверлильного станка типа 2А-592 с соответствующей головкой или приспособлением, выполненным на базе электро- или пневмосверлильной машины типов ИЭ-2005, ИП-1020.

Газ, поступивший в подкатушечное пространство зоны лобовых частей через вентиляционные каналы ротора, после того как он охладит лобовые части обмотки, необходимо вывести в зазор машины. Для этого в торцевой зоне зубцового слоя выполняются выходные отверстия или шлицы в зависимости от размера зубцов. При этом учитываются технологические возможности ремонтного предприятия и объем ремонтных работ (с перемоткой или без перемотки обмотки ротора).

Для сверления аксиальных отверстий в зубцах ротор устанавливается на рамное устройство. Снятая с основания колонка сверлильного станка устанавливается на строганую плиту. Для сверления используются удлиненные сверла Р-9, Р-18. Режимы резания для отверстий диаметром 8—15 мм: частота вращения шпинделя 800—600 об/мин; подача 0,03—0,05 мм за один оборот; охлаждение — жидкостью (эмульсией).

Отверстия высверливаются строго по оси зубца. Отклонения осей отверстий от оси зубца не должны превышать 0,5 мм. Отклонения до 1,0 мм допускаются в виде исключения. В этом случае кроме растягивающих напряжений, возникающих в зубце под действием центробежных сил собственного веса и веса обмотки, появляются значительные напряжения изгиба, прямо пропорциональные отклонению оси отверстия. У входного и выходного концов каждого отверстия необходимо снять фаски размером 2X45° для снижения аэродинамического сопротивления отверстия и для снятия местных концентраторов напряжения. Фрезеровка шлицев в зубцах для выпуска газа производится приспособлением, выполненным на базе сверлильного станка.

Сравнительная газопропускная способность отверстий и шлицев в зубцах ротора была проверена аэродинамическими испытаниями, выполненными на натурных моделях. Испытания показали, что наиболее эффективной конструкцией выходной зоны являются шлицы в зубцах размером 60x80x5 мм, обладающие меньшим аэродинамическим сопротивлением, чем отверстия, при той же степени ослабления прочности зубца. К тому же шлицы можно выполнять без снятия обмотки, т. е. проводить работы при любом ремонте, связанном с выемкой ротора и снятием бандажей. Лобовые части обмотки ротора расклинены в аксиальном и тангенциальном направлениях изоляционными клиньями и распорками, фиксирующими их относительное положение и организующими циркуляцию в подбандажном пространстве. При обычной расклиновке клиньями с просверленными в них аксиальными каналами охлаждающий газ обтекает боковые поверхности катушек преимущественно в районе их прямолинейных участков. Поток газа, проходя последовательно через отверстия клиньев, расставленных с интервалом, претерпевает серию сжатий расширений, на что тратится значительная доля напора, обеспечивающего циркуляцию газа. Повышенное аэродинамическое сопротивление этой системы расстановки, клиньев ограничивает расход газа через лобовые части. Кроме того, дуговые участки катушек, между которыми нет организованной циркуляции газа, охлаждаются только за счет того потока, который обтекает нижнюю поверхность нижних витков, что ставит эти участки катушек в худшие условия охлаждения.

Кольцевое пространство между хвостовиком вала и нижней поверхностью катушек разделено на четыре (для двухполюсных роторов) автономных отсека четырьмя продольными изоляционными перегородками. Перегородки устанавливаются под нижними витками первых катушек от торца ротора до центрирующего кольца. Благодаря этому прямолинейные и дуговые участки лобовых частей охлаждаются двумя парами параллельных потоков газа, каждый из которых циркулирует в своей зоне.

Областью разделения потоков являются незаклиненные участки между углами катушек. Один поток проходит по каналам клиньев, установленных между прямолинейными участками катушек, охлаждает их и выбрасывается через шлицы или аксиальные отверстия в малых зубцах ротора; другой поток, пройдя по каналам распорок, установленных между дуговыми участками лобовых частей, выходит в подкатушечное пространство против полюса ротора и через его вентиляционные каналы выбрасывается в воздушный зазор машины. Эта вентиляционная схема применяется на роторах с отставленными и двухпосадочными бандажами, которые посажены только на центрирующее кольцо или на центрирующее кольцо и бочку ротора, в малых зубцах которого могут быть выполнены (по условиям прочности) отверстия или шлицы для выхода газа.

Применяются схемы, где охлаждение прямого и дугового участков каждой катушки происходит одним и тем же потоком газа последовательно. Для этого кроме продольных перегородок под прямолинейными участками катушек устанавливаются два сплошных изоляционных листа, не доходящих до торца бочки ротора. Газ поступает в пространство между валом и листом, доходит до торца бочки ротора и затем, пройдя по вентиляционным каналам в клиньях и распорках, поступает в отсек, образованный продольными перегородками и поверхностью вала против полюсов ротора, отсюда газ через вентиляционные пазы в полюсах выбрасывается в воздушный зазор машины.

Клинья и распорки выполняют из пресс-материала АГ-4 в специальных пресс-формах, что в 2 раза сокращает затраты на их изготовление по сравнению с клиньями, изготавливаемыми из стеклотекстолита механической обработкой. При выполнении расклиновки лобовых частей сохраняется та же схема вентиляции, что и рассмотренная выше. Однако каналы прямоугольного сечения выполнены на боковых поверхностях клиньев и распорок волнообразной формы и каждый поток газа, протекающий по ним, охлаждает боковую поверхность «своей» катушки — той, к которой прилегает данная сторона клина.

Основным условием эффективной работы указанных схем вентиляции является отсутствие перетоков газа, шунтирующих вентиляционные каналы. Для этого необходимо тщательное уплотнение поверхностей прилегания разделительных перегородок к нижним виткам катушек, к поверхности вала ротора, а также к нижним торцам клиньев и распорок. На соответствующих поверхностях перегородок выполняются канавки: прямоугольного профиля, куда укладывается уплотняющий шнур из теплостойкой резины. Небольшие щели 0,5—1 мм, образующиеся из-за неплотного прилегания боковых поверхностей клиньев к катушкам и вызывающие протечки охлаждающего газа в соседние каналы, допустимы и не отражаются существенно на эффективности вентиляции.

Рассмотренные способы форсирования охлаждения лобовых частей обмотки обладают высокой эффективностью и позволяют снизить местные перегревы в обмотках роторов турбогенераторов серий ТВ и ТВ2 при номинальной нагрузке на 30—50 °С, что обеспечивает снижение средней температуры роторов при прочих равных условиях на 15—30 °С.

Некоторые турбогенераторы (ТВФ-60-2, ТВФ-100-2, ТВВ-320-2) имеют однопоточную схему охлаждения лобовых частей обмотки ротора, выполненных из меди коробчатого профиля с внутренними вентиляционными каналами. Охлаждающий газ попадает в эти каналы через отверстия в стейках витков, которые располагаются в зоне дуговой части против оси полюсов ротора. Каждый поток газа последовательно охлаждает свою половину дугового и прямолинейного участков лобовой части полукатушки, выходя затем в зазор машины через отверстия в пазовых клиньях торцевой зоны ротора. Вследствие этого для указанных генераторов характерны местные перегревы участков обмотки у выхода из паза.
Устранить этот дефект можно при плановых перемотках указанных роторов, применив для охлаждения их лобовых частей двухпоточную параллельную систему вентиляции. Для этого на углах катушек во всех витках выполняются дополнительные отверстия, а пространство между нижними витками катушек и поверхностью вала ротора разделяется перегородками на автономные отсеки. После такой реконструкции каждая лобовая часть охлаждается двумя параллельными потоками, из которых один, зайдя во вновь выполненные отверстия на углах катушек, охлаждает их прямолинейные участки и выходит в старые выходные отверстия в торцевом отсеке бочки ротора. Другой поток, зайдя в те же отверстия на углах катушек, охлаждает дуговой участок лобовых частей и выходит в подбандажное пространство через те отверстия в витках, которые в заводском исполнении выполняли роль входных отверстий. Затем этот поток газа выбрасывается в зазор через вентиляционные пазы в полюсах ротора, при этом количество охлаждающего газа увеличивается более чем в 2 раза, а максимальная температура лобовых частей снижается на 20—30 °С.

Азбукин Ю. И., Повышение эффективности эксплуатации турбогенераторов. — М.: Энергеатомиздат, 1983