Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Форсировка охлаждения пазовых частей обмотки ротора

Способы форсировки охлаждения лобовых частей обмоток позволяют значительно повысить эффективность эксплуатации модернизированных генераторов, однако одних этих работ недостаточно, чтобы заметно повысить располагаемую мощность рассматриваемых машин. Для того чтобы эксплуатировать генераторы серий ТВ и ТВ2 с мощностями, которые могут развивать спаренные с ними турбины, необходимо форсировать охлаждение частей их роторных обмоток, переведя их на непосредственное охлаждение.

При непосредственном охлаждении возникающий в витках обмотки тепловой поток отводится охлаждающим газом непосредственно с поверхности меди, в которой он циркулирует по специальным каналам. При этом тепловому потоку на пути к охлаждающему газу не приходится (как при косвенном охлаждении) преодолевать сопротивления стенки пазовой гильзы и зубца ротора. Температура обмотки ротора при таком охлаждении определяется в основном двумя факторами — температурным перепадом между поверхностью меди и охлаждающим газом и перегревом газа в каналах обмотки. Обе эти составляющие находятся в прямой зависимости от давления газа в очень широком диапазоне давлений. Поэтому в генераторах с обмотками с непосредственным охлаждением повышение давления газа до 0,4—0,5 МПа достаточно эффективно (в отличие от обмоток с косвенным охлаждением).

Способ непосредственного охлаждения широко применяется в современных мощных турбогенераторах и позволяет значительно повысить уровень тепловых нагрузок активных материалов с одновременным снижением температуры обмоток. При переводе роторов на эту систему охлаждения наибольшее распространение получили конструкции с вентиляционными каналами на боковых поверхностях катушек и со щелевыми каналами в витках.

При выполнении каналов на боковых поверхностях кадушек принята система, применяемая в роторах мощных генераторов ЛПЭО Электросила. На боковых поверхностях пазовой части катушек ротора фрезеруется параллельный ряд наклонных V-образных вентиляционных каналов прямоугольного сечения. Охлаждающий газ циркулирует по этим каналам под действием аэродинамического напора, создаваемого при вращении ротора системой заборников и дефлекторов. Последние представляют собой наклонные отверстия в пазовых клиньях, расположенные соответственно против и по направлению вращения ротора. Для улучшения напорных характеристик газозаборной системы верхняя плоскость пазового клина выполняется наклонной с выступающим козырьком над поверхностью бочки ротора, в которой в этих местах фрезеруются наклонные лунки полукруглого сечения. Скорость газа в вентиляционных каналах обмотки составляет примерно 0,2—0,25 линейной скорости поверхности ротора (30—40 м/с).

Войдя через отверстие заборннка, газ по наклонному каналу проходит до дна паза, затем через поперечную прорезь, выполненную в нижнем, сдвоенном витке, перепускается в канал, расположенный на противоположной стороне катушки, и через отверстие в дефлекторе выбрасывается в воздушный зазор. Группы входных и выходных отверстий в клиньях образуют отдельные впускные и выпускные зоны, согласованные с входными и выходными отсеками статора генератора, что усиливает эффект самовентиляции ротора за счет разности статических давлений в отсеках.

Однако четкое секционирование вентиляционных каналов ротора на входные и выходные зоны создает благоприятные условия для появления перетоков газа помимо каналов — через боковые зазоры между внешней поверхностью витков обмотки и внутренней поверхностью пазовой гильзы. Перепад давлений между крайним правым заборником входного и крайним левым дефлектором выходного отсека равен полному давлению, создаваемому этой парой при вращении ротора. Если ширина щели между обмоткой и стенкой паза достигает 0,3—0,5 мм, то при высоте паза около 100—120 мм аэродинамическое сопротивление щели между точками оказывается в 2—3 раза меньше сопротивления вентиляционного канала. Это вызывает соответствующее перераспределение потоков газа, и интенсивность охлаждения вдоль вентиляционного канала падает, что приводит к местным повышенным нагревам обмотки.

Для локализации указанного дефекта необходимо при перемотке рассматриваемых роторов добиваться максимальной плотности укладки обмотки в пазы, особенно на тех участках, где расположена граница между входными и выходными збнами вентиляционных каналов. Указанный дефект отсутствует в обмотке со щелевыми вентиляционными каналами. В этой обмотке, выполняемой также из стандартных медных проводников прямоугольного сечения, в пазовой части каждого витка и прямых участках лобовых частей штамповкой или фрезеровкой выполняются узкие сквозные щели прямоугольного профиля. В четных и нечетных витках эти щели сдвинуты по длине относительно друг друга так, что при укладке в пазы ротора образуют систему вертикальных проемов, соединенных аксиальными каналами. Стенки каналов образованы боковыми поверхностями щелей и плоскими сторонами соседних витков. Каждая пара соседних вертикальных проемов служит для распределения газа по аксиальным каналам и сборным коллекторам перед выходом газа в зазор. Пазовые клинья, закрывающие витки на участках указанных проемов, снабжены попеременно заборниками (во входном проеме) и дефлекторами (в выходном).

Для равномерного распределения газа по аксиальным каналам в середине каждого проема после укладки витков устанавливаются изоляционные трапециевидные прокладки, образующие в проемах пару суживающихся книзу вертикальных каналов. Эти прокладки уменьшают также свободную длину щелей, исключая возможность деформации боковых частей резрезанного участка, что угрожало бы сужением или перекрытием канала.

Для забора газа из зазора применяются типовые заборники и дефлекторы, а охлаждение лобовых частей обмотки может осуществляться любым из известных способов в зависимости от конкретных условий модернизации (специальная расклиновка с винтовыми или волновыми каналами, однопоточная и двухпоточная схемы охлаждения и др.). При модернизации ротора указанными способами можно использовать медные проводники обмотки ротора, проделав в них вентиляционные каналы (строганием, фрезеровкой или штамповкой). Пазовая гильза при непосредственном охлаждении меди перестает быть проводником теплового потока, поэтому толщина ее стенок может быть увеличена без заметного ухудшения теплового состояния ротора, как это имело бы место в обмотке с косвенным охлаждением. Во избежание выветривания стенок гильзы потоком газа, охлаждающего витки обмотки, гильзы выполняются из стеклотекстолита, так же как и витковая изоляция. Для предотвращений замыкания верхнего виткз на корпус поверхностным разрядом, особенно при испытаниях повышенным напряжением, толщина подклиновой изоляции увеличивается до 10 мм.

Увеличение толщин витковой и подклиновой изоляций, а также применение нижнего сдвоенного витка для перепуска газа с одной стороны катушки на другую приводят к уменьшению числа эффективных витков в пазу по сравнению с заводским исполнением, поэтому ток возбуждения приходится увеличивать на 12—20% (с учетом повышения мощности на 8-12%).

Модернизацию роторов по рассмотренным схемам целесообразно совмещать с плановыми перемотками обмоток, проводимыми из-за естественного старения изоляций или значительной деформации меди и выполнять их на ремонтных предприятиях, заменяя на это время ремонтируемый ротор резервным. Эффективность рассмотренных схем охлаждения очень высока, и ередняя температура обмотки ротора снижается по сравнению с температурой ротора заводского исполнения при номинальном режиме на 30—40 °С. Максимально допустимая температура для роторов с непосредственным охлаждением в зависимости от числа зон выпуска газа составляет 110—115°С. Поэтому после модернизации в роторах появляется значительный тепловой запас (около 20—30 °С), позволяющий эксплуатировать генераторы с повышенной по сравнению с номинальной мощностью.

Уменьшение сечения витков обмотки из-за выполнения в них вентиляционных каналов и уменьшение числа витков из-за увеличения толщин витковой и подклиновой изоляций вызывают соответствующее увеличение плотности тока, однако заметного роста токовых потерь не происходит вследствие значительного снижения рабочей температуры обмотки.

Для генератора ТВ2-150-2 эти же потери до и после модернизации составляют приблизительно 280—305 кВт.

Циркуляция газа в развитой системе вентиляционных каналов обмотки требует дополнительной затраты мощности на покрытие вентиляционных потерь (на преодоление местных аэродинамических сопротивлений: сопротивления входа и выхода струи, трение о стенки каналов, поворотов, сужений, расширений и т. д.). Кроме того, выступающие в зазор козырьки заборников-дефлекторов при вращении ротора создают дополнительные вентиляционные потери (по сравнению с гладким ротором), подогревая охлаждающий газ и снижая КПД генератора. Так, например, заборник, питающий вентиляционный канал длиной 900 мм и выступающий на 6 мм над поверхностью ротора диаметром около 1 м, создает дополнительные потери примерно 0,1 кВт (при воздушном охлаждении). Общее количество заборников на модернизированном роторе генератора серии ТВ2 мощностью 100—150 МВт достигает 3000—3400 шт. При давлении водорода 0,1 МПа дополнительные вентиляционные потери, создаваемые заборниками, составляют 50—70 кВт.

При работе с повышенной по сравнению с номинальной мощностью на модернизированных турбогенераторах ТВ-50-2, ТВ-60-2, ТВ2-100-2 и ТВ2-150-2 следует поддерживать то же давление водорода в корпусе, при котором они эксплуатировались до перевода их роторов на непосредственную систему охлаждения. В этом случае экономическая эффективность обеспечивается за счет возможности более полно реализовать имеющиеся резервы путем выработки дополнительной электроэнергии.

При работе модернизированных генераторов с номинальной нагрузкой для повышения эффективности следует несколько снизить давление охлаждающего газа по сравнению с тем, при котором этот генератор эксплуатировался перед модернизацией. Высокая эффективность охлаждения модернизированного ротора и достаточный тепловой запас статора обеспечивают и при сниженном давлении допустимые температуры обмоток, в то же время вентиляционные потери (за счет снижения плотности газа) уменьшаются. Уменьшаются также и потери за счет утечек газа из корпуса и увеличиваются сроки старения изоляции ротора, работающей при более низких температурах.

Поставим условие, чтобы сумма потерь генератора при номинальной нагрузке до и после перевода ротора на непосредственное охлаждение сохранилась неизменной, и определим с учетом этого условия, насколько необходимо снизить давление газа на модернизированном генератора по сравнению с тем, при котором он работал до реконструкции.

Выводы. Эффективным средством снижения температуры обмоток роторов турбогенераторов серии ТВ является их модернизация в процессе капитальных ремонтов оборудования: форсирование охлаждения наиболее нагретых узастков обмотка (лобовых частей) и перевод всей обмотки ротора на систему непосредственного охлаждения. Повышение эффективности обеспечивается или повышением располагаемой мощности, или эксплуатацией при пониженном давлении газа.

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

Экспертиза

на главную