История электротехники

В перспективе при освоении промышленного выпуска запираемых тиристоров с требуемыми параметрами (ток порядка 1000 А и обратное напряжение 2400–2800 В) комплекты электрооборудования на основе импульсных тиристорных преобразователей могут быть значительно упрощены.

6.2.6. ТУРБОГЕНЕРАТОРЫ

Турбогенераторы являются основной в мире машиной, вырабатывающей электроэнергию переменного тока. Впервые турбогенераторы трехфазного тока с цилиндрическим ротором появились в 1900–1901 гг. После этого шло их быстрое развитие как по конструкции, так и по росту единичных мощностей. Крупнейшие турбогенераторы в период 1900–1920 гг. изготавливались шестиполюсными из-за ограниченных возможностей металлургии по изготовлению поковок для роторов. В 1920 г. в США был изготовлен самый мощный для того времени турбогенератор мощностью 62,5 МВт, частотой вращения 1200 об/мин. Двухполюсные турбогенераторы выполнялись мощностью лишь до 5,0 МВт.

После 1920 г. основное развитие получили двух- и четырехполюсные турбогенераторы. Единичные мощности этих машин быстро росли. Ведущими странами в области турбогенерато-ростроения были и остаются Англия, Германия, Россия, США, Франция, Швейцария, Япония.

Первый турбогенератор в нашей стране мощностью 500 кВт был изготовлен в 1924 г. заводом «Электросила». В том же году были изготовлены еще два турбогенератора мощностью по 1500 кВт. Эти первые машины послужили основой для создания в последующие годы серии турбогенераторов в диапазоне мощностей от 0,5 до 24 МВт при частоте вращения 3000 об/мин. За 1926 и 1927 гг. было сделано 29 таких турбогенераторов. Эти машины создавались под руководством выдающегося инженера — организатора производства А.С. Шварца.

В начале 30-х годов на заводе «Электросила» была создана новая серия турбогенераторов с мощностями от 0,75 до 50 МВт. Существенное значение имело то, что при создании этой серии был широко использован опыт Западной Европы и США в турбогенераторостроении. По сравнению с предшествующей серией удалось снизить массу меди в обмотке статора на 30%, а электротехнической стали на 10–15%. При этом была уменьшена трудоемкость изготовления машин. Все электромагнитные, тепловые, вентиляционные и механические расчеты были выполнены по новым расчетным методикам. Машины изготовлялись из отечественных материалов. Уже к 1 января 1935 г. на отечественных тепловых электростанциях было смонтировано 12 таких турбогенераторов мощностью по 50 МВт.

На основе турбогенераторов последней серии были проведены разработки и началось изготовление быстроходных турбодвигателей мощностью от 1 до 12 МВт с частотой вращения 3000 об/мин для турбовоздуходувок и турбокомпрессоров.

Особое значение имеет цикл исследований и разработок, завершившихся изготовлением в 1937 г. самого мощного в мире турбогенератора на 100 МВт с частотой вращения 3000 об/мин и косвенным воздушным охлаждением. Основные трудности были связаны с ротором. Металлурги справились с созданием поковки больших размеров из высококачественной стали, а электромашиностроители — с ее механической обработкой, потребовавшей исключительно высокой точности.

Под руководством Р.А. Лютера и А.Е. Алексеева были выполнены расчеты и разработаны конструкции предвоенных серий турбогенераторов и отдельных машин.

В последующие годы возникла необходимость в освоении турбогенераторов большей мощности — 200 и 300, а в последующие годы 500, 800, 1000 и даже 1200 МВт при частоте вращения 3000 об/мин (рис. 6.2). Основные проблемы при создании турбогенераторов таких мощностей создает ограничение диаметра ротора и расстояния между его опорами. В первом случае ограничение обусловлено механической прочностью, а во втором случае — вибрациями. В этих условиях увеличение мощностей достигается за счет применения более интенсивных способов охлаждения, позволяющих повысить плотность тока в обмотках. Сложность при этом состоит в необходимости не только сохранения, но и некоторого повышения КПД, а также уменьшения вибраций. Все это потребовало очень большого объема теоретических и экспериментальных исследований, создания опытных машин и строительства уникальных испытательных стендов.

Исследования, разработки и производство мощных турбогенераторов проводились в СССР на трех заводах: «Электросила» (г. Ленинград), «Электротяжмаш» (г. Харьков) и «Сибэлектромаш» (г. Новосибирск). На каждом заводе создавались свои конструкции и технологические процессы.

На заводе «Электросила» впервые в мировой практике было предложено и освоено водородное охлаждение роторов с заборниками и дефлекторами, а также водяное охлаждение обмотки статора. Все работы проходили вначале под руководством главного инженера завода Д.В. Ефремова, главных конструкторов Е.Г. Комара и Н.П. Иванова, а затем главного инженера Ю.В. Арошидзе, главного конструктора турбогенераторов Г.М. Хуторецкого и руководителя научно-технических и опытно-конструкторских работ завода Л.В. Куриловича. Водород является лучшим хладагентом по сравнению с воздухом. Использование водорода началось с турбогенератора мощностью 100 МВт и частотой вращения 3000 об/мин, который был изготовлен в 1946 г. Он имел косвенное водородное охлаждение для роторной и статорной обмоток. Вполне естественно, что система охлаждения сердечника статора была в принципе такой же, как и при воздушном охлаждении. Потребовался переход от косвенного охлаждения обмоток к непосредственному. В катушках ротора выполнялись диагональные каналы, подача водорода в которые осуществлялась заборниками, а отвод — дефлекторами. Заборники и дефлекторы — клинья для крепления обмотки с профильными отверстиями для прохождения газа. При увеличении мощностей требовалось повышение давления водорода. Таким образом, газ непосредственно соприкасался с медью ротора. Стержни обмотки статора выполнялись из полых медных проводников, между которыми укладывались сплошные проводники. Вода, протекая по полым проводникам, обеспечивала непосредственное охлаждение статорной обмотки.

Для радикального снижения вибраций корпусов машин применялась эластичная связь между сердечником и корпусом. Это достигалось с помощью продольных прорезей в ребрах прямоугольного сечения, на которых собирается сердечник.

Особые трудности возникли при создании турбогенератора мощностью 800 МВт. В связи с очень большими электродинамическими силами и условиями работы, близкими к резонансным, оказались неприемлемыми обычные способы крепления лобовых частей обмоток. Монолитное крепление было достигнуто с помощью новых крепящих материалов: мягкого материала, формирующегося при комнатной температуре, т.е. в процессе изготовления машины, и твердеющего при повышенной температуре, а также самоусаживающихся лавсановых шнуров.

Под руководством А.Б. Шапиро и И.А. Кади-Оглы были разработаны оригинальные турбогенераторы с еще более интенсивным водяным охлаждением обмоток ротора и статора, сердечника статора и некоторых конструктивных элементов. Первый турбогенератор с полностью водяным охлаждением мощностью 63 МВт и частотой вращения 3000 об/мин был введен в эксплуатацию в 1969 г. В дальнейшем были сделаны еще три таких машины. В 1980 г. был включен турбогенератор мощностью 800 МВт и частотой вращения 3000 об/мин. В дальнейшем начали работать еще четыре машины. В их конструкции подача и слив воды осуществлялись помимо вала. Вода из неподвижной трубы поступает в зону фасонного кольца на роторе и удерживается в нем центробежными силами. Далее вода идет в нижние выводы катушек из прямоугольных проводов с отверстиями и под действием центробежных сил попадает в верхние выводы и сливное кольцо. Такая система называется самонапорной. Следует заметить, что во всем мире подача воды в обмотку ротора и ее отвод происходят через отверстия в валу, что делает конструкцию очень сложной и менее надежной. Преимуществом этого класса турбогенераторов является исключение водорода и заполнение корпуса воздухом при атмосферном давлении.