Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Повышение расхода охлаждающего газа

Для повышения эффективности охлаждения увеличение расхода охлаждающего газа эквивалентно повышению его давления: в обоих случаях улучшается интенсивность теплоотдачи и снижается перегрев охлаждающего газа. Повышение расхода газа может оказаться более эффективной мерой, чем повышение давления, если оно получено за счет уменьшения непроизводительных потерь в самом вентиляторе и повышения его гидравлического КПД.

Для каждого типа турбогенератора существует оптимальный расход охлаждающего газа, при котором температура его активных частей минимальна. Увеличение этого расхода сверх оптимального приводит к росту потерь на вентиляцию, при котором весь дополнительно продуваемый объем газа будет расходоваться на теплоотвод потерь, создаваемых этим избытком газа. Если расход газа меньше оптимального, температура активных частей оказывается выше допустимой, что заставляет ограничивать мощность генератора. Обычно турбогенераторы в заводском исполнении работают в условиях, когда вентиляторы, ротора обеспечивают расход газа, близкий к оптимальному. Однако иногда это условие не выполняется, и недостаток расхода газа компенсируют повышением его давления, что вызывает увеличение вентиляционных потерь и снижение эффективности эксплуатации данной машины. В подобных случаях целесообразней путем модернизации повысить расход газа в результате улучшения КПД вентиляторов.

Рассматриваемые турбогенераторы серий ТВ, ТВ2, ТВФ и ТВВ снабжены центробежными или осевыми вентиляторами, вписанными в ограниченные габариты между валом ротора и расточкой статора. Максимальная компактность в компоновке современных турбогенераторов ставит вентиляторы в невыгодные условия работы из-за ограниченного свободного пространства перед и после их рабочего колеса, вследствие чего нарушается основное правило, обеспечивающее высокий КПД вентилятора - отсутствие резких поворотов и изменений сечения вблизи рабочего колеса.

Обычно поток газа, подходящий к вентилятору перед поступлением на рабочее колесо, проходит в непосредственной близости от открытого участка вала. Вследствие этого поток газа интенсивно закручивается в тангенциальном направлении. Закрутка газа в ту же сторону, что и направление вращения вентилятора, вызывает уменьшение относительной скорости, с которой поток газа подходит к рабочим лопаткам вентилятора. Это вызывает уменьшение развиваемого вентилятором статического напора, так как последний прямо пропорционален относительной скорости соударения лопаток вентилятора с частицами газа. Снижение напора вызывает и соответствующее снижение, расхода газа через машину.

Поток газа, вышедшей из вентилятора, также интенсивно закручен в направлении вращения ротора, причем тангенциальная составляющая его скорости оказывается значительно выше аксиальной (расходной) составляющей. Это обстоятельство также приводит к непроизводительной затрате мощности, подведенной к вентилятору. Указанные причины отрицательно сказываются на эффективности работы вентиляторов турбогенераторов, обычно работающих со сравнительно низкими значениями гидравлического КПД (не более 0,5); в промышленных вентиляторных установках КПД достигает 0,8—0,85. В соответствии с указанным модернизация, направленная на улучшение работы вентиляторов, обычно сводится у центробежных вентиляторов к обеспечению плавного подхода газовой струи к рабочему колесу, а у аксиальных (пропеллерных) вентиляторов к ликвидации закрутки газа перед и после вентилятора.

Повышение КПД вентиляторов. Если у генератора с центробежным вентилятором отсутствует воздухонаправляющая воронка, условия ухода газовой струи на рабочие лопатки оказываются неудовлетворительными: газ «мнется» у входной кромки лопаток, часть поверхности которых экранируется внешней шайбой вентилятора и в его полезной работе не участвует. Для обеспечения безударного входа газа на лопатки перед вентилятором устанавливается разъемное воздухо-направляющее кольцо. Кольцо выполняется из стали (сварное с последующим отжигом) или из силумина (литое) и прикрепляется болтами к внутреннему щиту.

Статический напор и расход газа через машину после модернизаций повысились соответственно на 45 и 30%, а температура активных частей генератора снизилась на 10—15°С.

Для выпрямления газового потока перед входом и после выхода из аксиального вентилятора устанавливаются направляющий и спрямляющий аппараты, представляющие собой комплект лопаток, аналогичных по форме рабочим лопаткам вентилятора, устанавливаемых неподвижно соответственно перед или после вентилятора. Лопатки выполняются из немагнитной стали или дюралюминия и закрепляются на направляющей воронке внутреннего щита резьбовым хвостовиком с гайкой или фланцами с болтовым соединением.

Установка направляющих и спрямляющих аппаратов обеспечивает увеличение расхода газа через машину примерно на 25%, что приводит к заметному снижению температуры активных частей, при этом потери в генераторах на вентиляцию сохранились на прежнем уровне, так как повышение расхода газа было получено за счет ликвидации непроизводительных затрат мощности на закрутку газового потока.

Увеличение расхода газа на турбогенераторе ТГВ-200 с 11,5 до 16 м3 (после установки направляющего аппарата) дает возможность использовать полученную прибавку расхода газа на форсирование вентиляции торцевой зоны стали статора и нажимной плиты со стороны турбины, перегревающихся до 115—120°С. Для этого в первом крайнем отсеке статора со стороны турбины во внутренней обшивке к существующим 32 отверстиям диаметром 20 мм сверлятся дополнительно 128 отверстий диаметром 10 мм, позволяющих увеличить расход газа через этот отсек. Отверстия сверлятся специальным приспособлением с применением угловой сверлильной пневмомашины типа ИП-1103.

Одновременная установка направляющего аппарата и сверловка дополнительных отверстий обеспечивают снижение максимальных перегревов концевых пакетов статора генератора ТГВ-200 на 12—15 °С, а нажимных плит и пальцев — на 8—9°С. Сверловка этих отверстий без одновременного увеличения общего расхода охлаждающего газа не может быть рекомендована, поскольку в этом случае снижается расход газа через остальные пакеты сердечника, что приводит к их дополнительному перегреву.

Эффективность работы вентиляторов зависит также от зазоров между его вращающимися и неподвижными деталями, величина которых определяет размер бесполезного расхода газа через его «паразитные» перетоки со стороны высокого давления на сторону низкого давления вентилятора. Циркулирующий через эти зазоры постоянный лоток газа, параллельный главному потоку, не выполняет полезной работы, потребляя на свою циркуляцию известную долю мощности, поэтому чем меньше эти зазоры, тем эффективней работа вентилятора.

Минимальный зазор определяется допусками при обработке соответствующих деталей, точностью сборки и амплитудой вибрации ротора при проходе через критическую частоту вращения и при всех условиях должен исключать возможность задевания вентилятором прилегающих неподвижных деталей (диффузора, обтекателя, газонаправляющего кольца и т. д.) в любом нормальном или переходном режиме работы генератора.

Особенно заметно на расход газа влияет радиальный зазор между лопатками и направляющей воронкой у аксиального вентилятора. Поэтому увеличенные (по сравнению с рекомендуемыми) зазоры следует уменьшать путем установки соответствующего промежуточного кольца из алюминия, которое крепится винтами к воздухонаправляющей воронке или внутреннему щиту статора.

Статический напор и расход газа пропеллерного вентилятора зависят также от установочного угла, под которым повернута плоскость вентиляторных лопаток относительно оси вентилятора. В результате любого изменения установочного угла (если оно не предписано заводом-изготовителем или специальным циркуляром) может снизиться производительность вентилятора. Поэтому повторная установка вентиляторных лопаток на ступицу (снятых, например, перед выводом ротора из статора) должна производиться точно по заводской маркировке.

Непроизводительный переток газа в генераторе может возникнуть и на участках, расположенных на границе между областями с высоким и низким давлением газа. Так, например, в турбогенераторах ТГВ-200 и ТТВ-300 таким местом является торцевая зона статора со стороны возбудителя, где установлено кольцо, уплотняющее воздушный зазор генератора. Разность давлений но обе стороны уплотнительного кольца приблизительно равна полному напору, создаваемому компрессором (около 10 кПа).

Непроизводительный переток газа происходит через кольцевой зазор между уплотнительным кольцом и наружной поверхностью бандажного кольца и через аксиальные щели—зазоры, образованные стенками паза статора и статорными стержнями и клиньями.

Аэродинамическое сопротивление указанных мест перетока газа невелико (200—300 Па), поэтому расход газа через них может достигать 1,5—2 м3/с, что составляет около 10% всей производительности компрессора. Поэтому при ликвидации указанных щелей и уменьшении кольцевого зазора под уплотнительным кольцом до 1,0—1,2 мм повышается расход газа через активные части машины, температура которых снижается на 3,5—5 °С.

Щели в торцевой зоне пазов статора устраняют, уплотняя их лаково-эпоксидной замазкой, состоящей из 95—96% эпоксидной смолы марки ЭД-6 и 6—4% дициандиамида или полиэтиленкомпаунда, эпоксидной шпатлевкой марки Э-4021 (ВТУ И-8-55), эпоксидной замазкой, приготовленной на основе эпоксидной смолы марки ЭД-6, 3% наполнителя № 5 и 36% отвердителя к этой смоле. Замазку используют сразу после приготовления.

Повышение эффективности вентиляции в зазоре. В турбогенераторах серии ТВВ весь объем газа, циркулирующий через генератор, проходит вдоль поверхности ротора через узкое кольцевое сечение воздушного зазора. Ротор с выступающими над его поверхностью дефлекторами-заборниками при вращении увлекает за собой прилегающие к нему слои газа. Вследствие этого весь объем газа в воздушном зазоре машины, двигаясь аксиально от середины к торцам статора со средней скоростью около 30— 40 м/с, закручивается и в тангенциальном направлении со скоростью 100—120 м/с (вблизи поверхности бочки ротора при диаметре ее около 1 м). Этот эффект оказывает отрицательное влияние на вентиляцию и ротора, и статора.

Кроме бесполезной затраты мощности на закручивание газа в результате такой закрутки снижается скорость заборников относительно газа, а следовательно, и напор, создаваемый заборниками, и расход газа через каналы обмотки ротора. Из-за этого снижается эффективность охлаждения и повышается температура обмотки. Кроме того, масса газа, вращающаяся с большой частотой в воздушном зазоре, благодаря своей центробежной силе вызывает в зазоре напор, противодействующий напору, создаваемому вентиляторами генератора. Для генераторов ТВВ-165-2, ТВВ-200-2 и ТВВ-320-2 этот «противонапор» достигает 1,0—1,5 кПа, что составляет около 15—20% полного статического напора, создаваемого вентиляторами (6,0—8,0 кПа).

Статический напор над спинкой статора в средней области машины, который и обеспечивает циркуляцию газа через радиальные каналы железа статора этой зоны, значительно ниже указанного полного напора и составляет всего 1,5—2,0 кПа. Поэтому при неблагоприятных условиях, снижающих расчетный статический напор, развиваемый вентилятором (дефекты изготовления или сборки), может возникнуть приблизительное равенство статических напоров над спинкой статора и в воздушном зазоре. В этом случае расход газа через радиальные каналы статора в средней зоне машины снизится до минимума или (в пределе) вообще станет равным нулю. Это вызовет значительные местные перегревы средних пакетов стали статора, теплота от которых будет отводиться уже не газовым потоком, а водой, охлаждающей стержни обмотки статора.

Поэтому для повышения эффективности вентиляции рассматриваемых машин следует максимально уменьшить частоту вращения газа в воздушном зазоре, создав дополнительные -сопротивления на его пути. Хороший результат дает установка в нескольких, пазах статора специальных пазовых клиньев, выступающих в воздушный зазор машины.

Выступающая часть клиньев образует по всей длине зазора серию барьеров, заставляющих газовый поток под каждым из них претерпевать сжатие-расширение, что значительно увеличивает аэродинамическое сопротивление. Очевидно, что эти местные сопротивления будут тем больше, чем больше выступают клинья в зазор и чем резче струя газа, проходящего под ними, изменяет свое сечение.

Установка выступающих клиньев в трех — восьми пазах статора перекрывающих зазор на 2/3—1/2 номинального размера, достаточна для того, чтобы тангенциальная скорость газового потока (скорость его закрутки) была снижена в 2—3 раза. При указанном стерекрытии зазора использование жесткого выступающего клина создало бы трудности при вводе и выводе ротора из-за возможного их повреждения выступающими за поверхность ротора роторными бандажами. Поэтому выступающая часть клиньев выполняется в виде эластичного элемента из вакуумной термо- и маслостойкой резины, которая свободно деформируется при монтаже ротора, а после проноса бандажа выпрямляется, занимаем свое нормальное положение и обеспечивает заданное перекрытие зазора. Конструктивно эластичный элемент выполняется в виде плоской пластины или трубчатого тела, отгибающегося в сторону или принимающего эллиптическую форму в момент проноса бандажа.

В турбогенераторах со сравнительно малым воздушным зазором при сильно выступающих в зазор клиньях следует принимать меры против случайного повреждения плоского эластичного элемента при заводе ротора. Для этого перед заводом ротора следует натянуть вдоль всего зубца статора рядом с выступающими клиньями лавсановый шнур (ТУ 17-4814-71) и загнуть под него резиновое пластины клиньев. После завода ротора шнур снимается. Выступающие клинья должны располагаться равномерно по окружности статора, при этом один из интервалов между ними должен находиться внизу статора, в зоне, где при вводе и выводе ротора укладывается стальной лист, по которому закатывается монтажная тележка, поддерживающая передний конец вала ротора.

В местах установки выступающего клина в зазоре поток газа испытывает местное сжатие, связанное с появлением перепада давлений непосредственно перед и после его выступающей части, при этом перед клином вследствие лобового удара газового потока о препятствие возникает некоторый подпор давления, а после клина (в зоне завихрения) — разрежение. Эти зоны оказываются соединенными друг с другом через радиальные вентиляционные каналы железа статора и пространство над его спинкой. Если напор над спинкой статора, создаваемый в этой зоне вентиляторами генератора, оказывается недостаточным, в указанных местах могут образоваться локальные зоны, в которых появляются местные «паразитные» вентиляционные потоки, направленные в обратную сторону (от воздушного зазора к спинке статора). Это приводит к тому, что на фоне общего снижения температуры стали статора генератора по сравнению с генератором в заводском исполнении на его спинке в местах, расположенных против пазов с выступающими клиньями, появляются ограниченные области повышенного нагрева.

Во избежание этого отрицательного эффекта выступающие клинья следует устанавливать через определенные интервалы, перемежая их нормальными пазовыми клиньями, не выступающими за пределы расточки статора. В выступающих клиньях в местах, расположенных против вентиляционных каналов статора, сверлятся сквозные поперечные отверстия, соединяющие напрямую местные зоны повышенного и пониженного давления с набегающей и сбегающей сторонами клина. Отверстия в клиньях и зазоры между ними не дают образовываться зонам местного подпора и значительно снижают интенсивность перетоков газа.

Положительный результат дает также увеличение числа пазов, в которых устанавливаются выступающие клинья, с четырех до восьми. В этом случае разница в температуре стали статора перед и после клина снижается с 20—25 (при четырех клиньях) до 5—12 °С (при восьми клиньях), а перегрев газа в зазоре снижается для турбогенераторов ТВВ-165-2 соответственно с 40 до 33 °С. Наилучший эффект создает установка эжекторных клиньев, специальная форма которых исключает возможность появления «паразитных» перетоков газа.

В роторах с непосредственным охлаждением перегрев обмотки при заданном давлении газа определяется в основном двумя составляющими — перегревом охлаждающего газа в вентиляционных каналах, пропорциональным расходу газа через каналы (скорости газа), и температурным перепадом с поверхности канала, также зависящим от скорости газа в каналах.

Скорость газа в каналах обмотки ротора пропорциональна скорости заборников относительно газа в зазоре, поэтому уменьшение скорости закрутки газа в 1,5—2 раза дает значительное снижение средней температуры ротора. Особенно эффективна модернизация, при которой установка выступающих клиньев статора сопровождается одновременной установкой спрямляющих аппаратов к вентиляторам.

Установку выступающих статорных клиньев можно также рекомендовать для генераторов серий Т2, ТВ и ТВ2 в тех случаях, когда роторы не переведены на непосредственное охлаждение и сохраняют заводскую систему охлаждения. Повышение эффективности теплоотдачи с поверхности ротора происходит за счет увеличения скорости ротора относительно затормаживаемого клиньями газа в зазоре.

Средние температуры обмоток роторов после установки выступающих клиньев снижаются: у генераторов Т2-25-2 на 5—10°С, ТВ-50-2 на 8—12°С, ТВ2-100-2 на 10— 15°С. Максимальные температуры местных перегревов снижаются на 20-30 °С. Температура сердечника статора сохраняется на прежнем уровне, за исключением нескольких точек, попадающих в зону разрежения после клиньев, где местная температура обмотки и сердечника статора может повыситься на 5—8°С.

Выпускающее турбогенераторы ТВВ-320-2 ЛПЭО «Электросила» изготавливало их сначала с одноструйной вытяжной системой вентиляции, затем в связи с изменением конструкции корпуса статора генераторы стали выпускать с радиально-тангенциальной системой вентиляции. В связи с этим одна из машин этого типа первого выпуска была реконструирована в станционных условиях: одноструйная вытяжная система была переделана на радиально-тангенциальную.

Пространство между корпусом и сердечником статора генератора было разделено перегородками на четыре продольные камеры (две холодные и две горячего газа). Со стороны расточки лотовые части обмотки закрыты стекло-текстолитовыми листами, которые с помощью бандажей прикреплены к стержням обмотки статора. Зазор между ротором и статором у торцов последнего перекрыт стекло-текстолитовыми кольцами.

Из рассмотрения приведенных способов модернизации следует, что в конструкциях действующих турбогенераторов заложены потенциальные возможности увеличения теплового резерва их активных частей или соразмерного увеличения их располагаемой мощности. Модернизация отдельных узлов этих машин, проводимая в условиях действующих электростанций, является действенной мерой реализации указанных резервов и повышения эффективности эксплуатации оборудования.

Выводы. Для снижения общей температуры турбогенераторов целесообразно повысить расход охлаждающего газа путем увеличения аэродинамического КПД вентиляторов ротора, за счет строгого соблюдения минимально допустимых зазоров между егр вращающимися и неподвижными деталями, установки направляющих и спрямляющих аппаратов соответственно до и после вентилятора, установки специальных выступающих статорных клиньев.

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

Экспертиза

на главную