Проектирование турбогенератора

Проектирование турбогенератора

Введение

Турбогенераторами называются электрические генераторы, механическим приводом которых являются паровые турбины. С целью получения высоких технико-экономических показателей паровые турбины выполняют быстроходными. Турбогенераторы для работы на тепловых электростанциях строят на максимальные частоты вращения ротора 3000 об/мин с двумя полюсами при частоте напряжения 50 Гц.

Турбогенераторы для атомных электростанций (АЭС) выполняют четырех полюсными с частотой вращения ротора 1500 об/мин, что связано с относительно низкими параметрами пара, получаемого от реакторов АЭС.

В связи с высокими частотами вращения и значительными механическими напряжениями в теле ротора турбогенераторы изготавливают как неявнополюсные машины горизонтального исполнения.

Развитие страны предусматривает опережающий рост энергетики, главным образом, за счет возведения тепловых и атомных электростанций, оснащенных современными мощными турбогенераторами.

Турбогенераторы являются сложными и современными электрическими машинами, при проектировании которых постоянно находят применение последние достижения науки и техники.

Проектирование электрических машин - это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, умеющих применять вычислительную технику, и талантом инженера, создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.

Прогресс в развитии вычислительной техники, появление современных компьютерных технологий позволяют автоматизировать процесс проектирования электрических машин.

Но прежде, чем заниматься вопросами автоматизации и оптимизации проектирования, необходимо освоить методику проектирования турбогенераторов, связанную с выбором основных размеров, электромагнитными и другими расчетами турбогенераторов.

.

. Определение основных размеров и электромагнитных нагрузок

)Полная номинальная мощность:

)Синхронная частота вращения:

)Предварительный диаметр расточки статора:

;

)Выбираем предварительную нагрузку A и магнитную индукцию для заданного типа охлаждения и номинальной полной мощности:

;

Величина немагнитного зазора:

)Предварительный диаметр бочки ротора:

6)Выбираем диаметр бочки ротора из нормализованного ряда:

;

)Уточняем внутренний диаметр статора:

Определяем предварительную длину магнитопровода (сердечника) статора:

Здесь обмоточный коэффициент принят , угловая скорость:

8)Определяем предварительную длину бочки ротора:

9)Проверяем отношения:

Отношение , находится в допустимых пределах.

2.Проектирование статора

Для данного проекта выбираем двухслойную петлевую обмотку с укороченным шагом.

Номинальное фазное напряжение при соединении обмоток статора звездой:

Номинальный фазный ток в обмотке статора:

Принимаем число параллельных ветвей обмотки статора:

;

Число эффективных проводов (стержней) в пазу (по высоте):

Объем тока в пазу статора:

Предварительное, пазовое (зубцовое) деление статора:

Предварительное число пазов (зубцов) статора:

Принимаем Z1=48, тогда число пазов на полюс и фазу

Уточняем пазовое деление статора:

Проверяем отношение:

Число последовательно соединенных витков фазы статора:

Полюсное деление выраженное числом пазовых делений:

11)Принимаем укорочение шага: . Шаг обмотки по пазам: Действительное значение

Определяем угол сдвига по фазам в электрических градусах:

По расчетным данным построена звезда пазовых ЭДС и схема трехфазной петлевой обмотки статора (листы 1 и 2 приложения).

Коэффициент укорочения обмотки:

Коэффициент распределения обмотки:

Обмоточный коэффициент статора:

Уточняем линейную нагрузку:

Полученная уточненная линейная нагрузка отличается от ранее выбранной менее, чем на 3%.

Магнитный поток основной гармонической при холостом ходе:

Уточняем предварительную длину магнитопровода (сердечника) статора:

Принимаем длину магнитопровода (сердечника) статора

В данном проекте принята радиальная система вентиляции активной стали. С учетом заданного принципа охлаждения, принимаем длину пакетов длину радиальных вентиляционных каналов

Число пакетов в сердечнике статора:

Длина стали сердечника статора (без каналов):

Длина крайних пакетов принята

Полная длина сердечника статора:

Сердечник статора из горячекатаной стали. Ориентация направления прокатки - поперек зубца. Принимаем магнитную индукцию в коронке зубца при холостом ходе: Определяем предварительную ширину коронки зубца:

Ширина паза статора предварительно:

Общий размер толщины изоляции в пазу по ширине паза, с учетом прокладок и зазора на укладку для напряжения 10,5 кВ:

Ширина изолированного элементарного проводника (предварительно) (при двух столбцах элементарных проводников в пазу):

Ширина не изолированного элементарного проводника (предварительно):

,0054-0,00033=0,00507 м;

э =0,33 мм - двухсторонняя толщина изоляции ПСД по меньшей стороне аэ ()

Магнитная индукция находится в пределах рекомендуемых значений ()

Плотность тока в стержне обмотки статора при косвенном водородном охлаждении:

где, - допустимый перепад температур в пазовой изоляции, - удельная электрическая проводимость меди при расчетной температуре , - удельная теплопроводность термореактивной изоляции при охлаждении водородом, - суммарный размер элементарных проводников без изоляции по ширине паза. Если стержень из двух столбцов, то

Плотность тока находится в пределах рекомендуемых значений.

Принимаем по справочным данным, второй размер проводника ;

Число элементарных проводников в стержне (так как стержень по ширине состоит из двух столбцов, то число элементарных проводников должно быть четным и целым):

, площадь сечения элементарного проводника, взятое из справочных данных, по размерам: и ;

Уточняем сечение стержня:

Уточняем плотность тока:

Полученное значение коэффициента вытеснения тока находится в пределах рекомендуемых значений ().

Высоту клина выбираем в соответствии с рекомендациями:

Высота всех изолированных элементарных проводников одного стержня:

где,

Высота паза статора при двух одинаковых стержня размещенных в пазу:

В соответствии с расчетами выполнен чертеж заполненного паза статора (лист 3, приложения) по таблице №1.

Таблица № 2.1

№ поз. Лист 3Содержание пазаРазмеры, ммпо высотепо ширине3Изоляция переходов (миканит гибкий ГФС или ГМС толщиной 0,2 мм)0,44Прокладка между полустержнями (ткань стеклянная, пропитанная эпоксидно-фенольным лаком)0,52Выравнивающая масса (шпатлевка ЭШ-211)0,40,26Накладка (стеклотекстолит СТЭФ-1)17, 8Изоляция от корпуса (лента стеклослюденитовая ЛТСС-3, вполнахлеста, толщиной 0,17мм; лента стеклянная толщиной 0,1 мм)889Полупроводящее покрытие (лента асболавсановая, покрытая, полупроводящим лаком )11Двухсторонняя толщина изоляции9,71Прокладка на дно паза (электронит)110Прокладка между стержнями (стеклотекстолит СТЭФ-2)511Прокладка под клин1Зазор на укладку0,50,5Общий размер толщины изоляции в пазу прокладок и зазора на укладку29,110,2

Проверяем отношение высоты паза статора к диаметру:

Величина отношения находится в пределах рекомендуемых значений ().

Отношение высоты паза статора к его ширине:

Величина отношения находится в пределах рекомендуемых значений ().

Высота ярма (спинки) статора:

где индукция ярма (спинки) статора по справочным данным.

Внешний диаметр сердечника статора:

=2,43 м;

Проверяем отношение внешнего диаметра статора к внутреннему:

Полученная величина отношения незначительно отличается от рекомендуемых значений (

Длина витка обмотки статора:

где

Активное сопротивление фазы обмотки статора постоянному току при температуре 75 :

В относительных еденицах:

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора в относительных единицах:

где, расчетная длина поля рассеяния с учетом вентиляционных каналов ( число вентиляционных каналов);

; (

где, толщина прокладки на дне паза,

односторонняя толщина изоляции.)

Индуктивное сопротивление рассеяния лобовых частей обмотки в относительных единицах при немагнитных бандажах ротора:

где, длина лобовой части полувитка.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора:

Дифференциальным рассеянием можно пренебречь, так как число пазов на полюс и фазу

.Проектирование ротора

Возможное число пазовых делений ротора:

Принимаем

Число реальных обмотанных пазов и отношение :

По справочным данным для и рекомендации: для быть четными кратным 4; для быть по возможности наименьшим. Принимаем:

По справочным данным принимаем:

Определяем глубину паза ротора (предварительно):

Пазовое деление в основании зубцов ротора:

Выбираем паз ротора с параллельными стенками. Предварительную ширину паза выбираем из соотношений:

отсюда ширина паза ротора:

Ширина зубца в наиболее узком месте (в основании):

Полученное значение ширины зубца находится в пределах рекомендуемых значений для ().

Ориентировочная ширина обмотки возбуждения:

где, общая двухсторонняя ширина изоляции по ширине паза.

Выбираем из справочных данных для обмотки возбуждения провод прямоугольного сечения:

Уточняем ширину паза ротора:

Проверяем ширину зубца в наиболее узком месте:

Согласно расчетом выполнен чертеж схемы обмотки возбуждения (лист 5 приложения).

.Электромагнитный расчет

Проводим магнитный расчет зубцов ротора по двум сечениям, на высоте: Расчет диаметра сечений:

Расчетные площади сечений зубцов ротора:

где ;

(так как паз имеет параллельные стенки).

Ширина зубца статора в поперечном сечении:

где диаметр расчетного сечения.

Расчетная площадь сечения стали зубцов статора на полюсном делении эквивалентной явнополюсной машины:

Расчетная площадь сечения немагнитного зазора на полюсном делении эквивалентной явнополюсной машины:

где, поправочный коэфициент.

Площадь сечения стали ярма статора:

Площадь сечения ярма ротора:

где

. Характеристика холостого хода

Расчёт характеристики холостого хода проводят для ряда значений ЭДС:

;

коэффициент, учитывающий радиальные вентиляционные каналы сердечника статора:

коэффициент, учитывающий рифление поверхности ротора:

для косвенного охлаждения принимаем шаг рифления ширина канавки =0,006 м.

коэффициент, учитывающий ступенчатость крайних пакетов сердечника статора:

Расчетная средняя длина индукционных магнитных линий ярма статора:

Коэффициент магнитной проводимости для потока пазового рассеяния ротора при прямоугольном пазе:

где - толщина подклиновой прокладки из текстолита или миканита);

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния по коронкам зубцов ротора:

Так как, значение магнитной индукции , находим коэффициент ответвления потока в паз:

Так как, значение магнитной индукции в ярме ротора превышает рекомендуемые значения. Заполняем магнитным материалом (стальной стержень) центральное отверстие для снижения магнитной индукции (). Находим площадь сечения ярма ротора:

Расчетная длинна индукционных линий ярма ротора (радиус по дну пазов):

6. Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения при номинальной нагрузке. Регулировочная характеристика

Магнитодвижущая сила обмотки статора на один полюс при номинальном токе якоря:

Коэффициент приведения по 1-ой гармоники МДС якоря к условиям обмотки возбуждения:

Приведенная МДС обмотки якоря, при номинальной нагрузке к условиям обмотки возбуждения:

Индуктивное сопротивление рассеяния Потье:

Для определения МДС обмотки возбуждения турбогенератора была построена, в относительных единицах, векторная диаграмма (лист 4) неявнополюсной машины (диаграмма Потье).

в относительных единицах:

в именованных единицах:

ЭДС обмотки статора при по рис. :

Изменение напряжения при сбросе нагрузки от номинальной до нуля:

Для построения регулировочной характеристики в относительных единицах были построены векторные диаграммы для ряда токов нагрузки (лист 4): .

Две точки регулировочной характеристики известны ; Так как в относительных единицах, можно построить регулировочную характеристику

Охлаждения обмотки ротора - косвенное водородом. За расчетную температуру обмотки ротора принимаем . Удельное сопротивление меди с присадкой серебра при температуре :

при температуре :

Для предварительного определения площади поперечного сечения эффективного проводника обмотки возбуждения требуется определить среднюю длину витка:

средняя длина лобовой части полувитка обмотки возбуждения;

по табл. 9.3 и рис. 9.10.

Предварительная площадь сечения эффективного проводника обмотки возбуждения:

где .

Выбираем из справочных данных два проводника с размерами: Площадь эффективного сечения проводника:

Высота эффективного проводника:

Число эффективных проводников по высоте паза ротора (предварительно):

где толщина витковой изоляции.

Принимаем

Уточняем высоту паза ротора с учетом размеров изоляции:

+0,009+0,0357=0,145 м.

Так как окончательная высота паза меньше предварительной, а ширина паза осталась неизменной проверку допустимой ширины зубца ротора не делаем.

Уточняем размеры:

Число витков обмотки возбуждения на один полюс:

Номинальный ток возбуждения:

Плотность тока в проводниках обмотки возбуждения при косвенном охлаждении:

Полученное величина находится в пределах допустимых значений.

Электрическое сопротивление обмотки возбуждения постоянному току при температуре :

при

Номинальное напряжение обмотки возбуждения:

Номинальное напряжение на контактных кольцах ротора и возбудителя:

Номинальная мощность возбуждения:

7. Параметры и постаянная времени турбогенератора

Индуктивное сопротивление взаимной индукции по продольное оси:

здесь при (табл. 4.1).

Индуктивное сопротивление взаимной индукции по поперечной оси:

Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси:

Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси:

Коэффициент рассеяния обмотки ротора:

где коэффициент магнитной проводимости для потокосцепления магнитного поля пазового рассеяния для прямоугольных пазов.

Индуктивное сопротивление обмотки возбуждения переменному току при отсутствии короткозамкнутых обмоток или контуров на статоре и роторе:

Индуктивное сопротивления рассеяния обмотки возбуждения:

Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси:

Сверхпереходные индуктивные сопротивления по обмотки якоря по продольной и поперечной осям:

Синхронное индуктивное сопротивление для токов обратной последовательности:

Синхронное индуктивное сопротивление обмотки якоря токам нулевой последовательности при

здесь найденны в пп.25; 37; и 55.

Постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутой обмотки статора с учетом действия вихревых токов в массивной бочке ротора:

где .

Постоянная времени затухания переходной составляющей тока якоря при внезапном трехфазном коротком замыкании обмотки:

Постоянная времени затухания сверхпереходной составляющей тока якоря при внезапном коротком замыкании обмотки:

Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока якоря при внезапном трехфазном коротком замыкании (без учета насыщения):

. Отношение короткого замыкания, токи короткого замыкания и статическая перегружаемость

Отношение короткого замыкания:

Кратность установившегося тока трехфазного короткого замыкания при номинальном возбуждении:

Кратность установившегося тока двухфазного короткого замыкания:

При

Приот.ед.:

Кратность установившегося однофазного тока короткого замыкания:

При

При от.ед.:

Кратность ударного тока:

Статическая перегружаемость:

Масса меди обмотки статора:

Масса меди обмотки ротора:

Полная масса меди обмоток статора и ротора:

Масса стали ярма статора:

Масса стали зубцов статора:

Полная масса электротехнической стали статора:

Расход активных материалов:

Для меди:

Для электротехнической стали:

Потери короткого замыкания.

Основные электрические потери в обмотке якоря при номинальном напряжении и температуре 75 :

Добавочные потери мощности в обмотке якоря:

здесь коэффициент вытеснения тока (пп.46).

Добавочные потери мощности в зубцах и ярме соответственно, от высших гармонических МДС обмотки возбуждения:

здесь удельные потери стали на гистерезис и вихревые токи;

поправочные коэффициенты;

магнитные индукции в зубцах и ярме статора;

коэффициент для горячекатаной стали.

Добавочные потери мощности в зубцах от зубцовых гармонических МДС обмотки возбуждения при коротком замыкании:

где МДС обмотки возбуждения при трехфазном коротком замыкании и токе якоря равном номинальному;

коэффициент учитывающий затухание высших гармонических магнитного поля в зазоре между статором и ротором.

Добавочные пульсационные потери мощности в зубцах статора от зубчатости ротора при коротком замыкании:

Вт;

коэффициент пульсации потерь.

Добавочные потери мощности на поверхности ротора высших гармонических МДС обмотки статора при коротком замыкании:

здесь .

Добавочные потери мощности от зубцовых гармонических МДС обмотки статора при коротком замыкании:

здесь .

Добавочные потери мощности в торцевых частях турбогенератора при коротком замыкании:

Полные потери мощности при коротком замыкании и номинальном токе якоря:

Потери мощности при холостом ходе.

Потери мощности в стали ярма и зубцов статора соответственно:

где ; коэффициенты, учитывающие увеличение потерь в стали из-за ее механической обработки и неравномерности распределения магнитной индукции в сечении ярма и зубцов; - удельные потери в стали.

Основные потери мощности при холостом ходе:

Добавочные потери мощности в магнитопроводе статора от высших гармонических МДС обмотки возбуждения при холостом ходе:

Добавочные потери мощности в магнитопроводе статора от зубцовых гармонических МДС обмотки возбуждения при холостом ходе:

Добавочные пульсационные потери мощности в зубцах статора от зубчатости ротора при холостом ходе:

Добавочные потери мощности на поверхности ротора от зубчатости статора при холостом ходе:

Добавочные потери мощности при холостом ходе в торцевых частях:

Сумма потерь мощности в стали при холостом ходе:

Потери мощности на возбуждение.

Потери мощности на возбуждение при номинальной нагрузке и температуре 75 :

здесь падение напряжения в щеточном контакте;

КПД возбудителя, присоединенного непосредственно к валу турбогенератора.

Механические потери мощности.

Потери мощности на трение в двух подшипниках скольжения:

Диаметр и длину шейки вала (цапфы) определяем из соотношений:

где рекомендуемое давление в подшипниках скольжения.

Принимаем

Потери на трение ротора об газ, при давлении водорода

:

и :

Потери мощности на трении торцевых поверхностей канавок рифления о газ определяем из следующих формул

.

Потери на трение щеток о контактные кольца:

суммарная поверхность всех щеток одной полярности;

коэффициент трения при скольжении щеток по кольцу;

давление щеток на кольцо;

внешний диаметр кольца.

здесь подогрев газа при водородном охлаждении;

подогрев газа на вентиляторе при водородном охлаждении.

Потери мощности на вентиляцию:

Вт;

где Па - давление, равное гидравлическому сопротивлению вентиляционной системы для турбогенераторов с водородным охлаждением;КПД осевого вентилятора.

Полные механические потери мощности:

Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке:

Постоянные потери мощности независящие от нагрузки:

Потери мощности короткого замыкания:

где значение тока при постоянном напряжении и постоянном коэффициенте мощности пропорционально мощности нагрузки:

Потери мощности на возбуждение:

где - по регулировочной характеристике для соответствующей нагрузки.

Коэффициент полезного действия при любой нагрузке :

Заключение

электромагнитный турбогенератор замыкание ток

Отечественные турбогенераторы, не уступая по электрическим параметрам и коэффициенту полезного действия лучшим зарубежным аналогам, имеют несколько большие значения удельных расходов материалов и меньшее количество пусков в год (маневренность - 50-100 пусков в год по сравнению с 300 у зарубежных аналогов). В связи с повышенными требованиями маневренности и надёжности турбогенераторов создана единая серия турбогенераторов мощностью от 63 до 800 МВт, 3000 об/мин.

Единая унифицированная серия турбогенераторов спроектирована на базе серии ТВВ и ТВФ. В единой серии турбогенераторов применены только проверенные и оправдавшие себя в эксплуатации конструктивные решения основных узлов турбогенераторов. В этих турбогенераторах использованы схемы охлаждения, которые обеспечивают стабильное тепловое состояние и оптимальные условия работы изоляции. Выбранные конструктивные решения и электромагнитные нагрузки обеспечивают стабильный и низкий уровень вибрации, а также необходимые запасы для работы в маневренных и аномальных режимах. В единой серии турбогенераторов приняты следующие основные технические решения:

.косвенное водородное охлаждение обмотки статора турбогенератора 63 и 110 МВт и непосредственное водяное охлаждение обмотки статора турбогенераторов большой мощности;

2.непосредственное водородное охлаждение обмотки ротора;

.заполнение корпуса турбогенератора водородом;

.термореактивная изоляция обмотки статора;

.жесткое монолитное крепление лобовых частей обмотки статора, плотное закрепление обмотки статора в пазу;

.жесткое крепление сердечника статора в корпусе турбогенераторов 63 и 110 МВт и эластичное присоединение сердечника статора к корпусу турбогенераторов большей мощности;

.выносные стояковые опорные подшипники.

С повышением электромагнитных нагрузок в единой серии стало возможным сократить габаритные размеры и снизить удельное использование материалов.

В данном курсовом проекте представлен расчет турбогенератора типа ТВВ с косвенным водородным охлаждением обмотки статора и обмотки ротора. Основные параметры спроектированного турбогенератора сведены в таблицу.

Список литературы

1.Извеков В.И. и др. Проектирование турбогенераторов - М: Изд-во МЭИ, 2005г.