Магистрант Байниязов Н.С., к.т.н. Тулегенов К.К.

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир хана, Казахстан

Исследование технико-экономических характеристик турбогенераторов с полимидной изоляцией

В результате научно-технического прогресса в энергомашиностроении, металлургии, благодаря созданию новых материалов, успехам технологии единичную мощность отечественных турбогенераторов удалось повысить с 0.5 тыс кВт (1924 г.) до 1200 кВт (1975 г.), т.е. за 50 лет она выросла в 2400 раз. Это большое достижение нашей науки и техники, особенно если учесть, что чем мощнее была создаваемая машина, тем сложнее оказывался узел проблем, встававших перед учеными, конструкторами, инженерами. Чтобы получить хотя бы общее представление о том, как достигалось повы-шение мощности, какие основные задачи приходилось решать при этом, рас-смотрим некоторые особенности конструкции современных турбогенерато-ров.

Рисунок 1.1- Общий вид ротора турбогенератора : 1 –корпус 2 – сер-дечник статора; 3 –ротор; 4 – секция водородного охлаждения; 5 – возбудитель.

Ясно, что сделать это можно, повышая частоту вращения ротора: чем она будет больше, тем чаще магнитное поле будет пересекать обмотку стато-ра. Казалось бы, такое решение весьма желательно, так как и паровая турби-на имеет наилучшие технико-экономические показатели при больших часто-тах вращения. Но в действительности возможности в этом направлении стро-го ограничены. В России и Казахстане стандартная частота тока—50 Гц. Следовательно, чтобы при двух полюсах вырабатывать ток такой частоты, ротор должен делать за секунду 50 оборотов, или 3000 оборотов в минуту. Очевидно, мощность турбогенератора можно повышать, увеличивая его га-бариты. Конечно. Ведь чем больше внутренний диаметр и длина статора (со-ответственно и ротора), тем больше размеры магнитной системы машины, а значит, величина магнитного потока, который и наводит э.д.с. в обмотке ста-тора. И действительно, было время, когда конструкторы добивались роста мощности турбогенератора в значительной степени за счет увеличения его габаритов. Однако и эта возможность довольно скоро была практически ис-черпана. Чем же это объясняется?

Рисунок 1.2- Общий вид ротора турбогенератора : 1 – контактные кольца; 2 - кольцевые бандажи; 3 – бочка ротора; 4 – вентилятор; 5 – бак

Длина той части ротора, на которой располагается обмотка (активная длина), не может быть существенно больше 8 м, иначе возникнут недопусти-мые прогибы. Ограничен и диаметр ротора величиной 1,2—1,3 м, так как по условиям прочности линейная скорость точек его поверхности не должна превышать 170—190 м в секунду (а это уже скорость реактивного самолета),

при этом возникают усилия в сотни тонн, стремящиеся вытолкнуть обмотку из пазов. Если сделать ротор диаметром свыше 1,3 м, то даже лучшая легиро-ванная сталь не выдержит — центробежные силы разрушат конструкцию.

Несмотря на значительные успехи металлургической промышленно-сти, активный объем ротора за период с 1937 по 1974 год вырос менее чем в 2 раза (длина — с 6,5 до 8 м, диаметр — с 1 до 1,25 м), в то время как мощ-ность турбогенераторов увеличивалась в 12 раз (со 100 до 1200 тыс. кВт). «Предельные габариты» были фактически достигнуты уже при создании ма-шины в 300 тыс. кВт. Конечно, некоторые, правда, незначительные измене-ния размеров с увеличением мощности турбогенераторов происходили и в дальнейшем. Надо заметить, что, хотя и наблюдается прогресс в улучшении магнитных характеристик сталей, имеющиеся пределы по их насыщению не позволяют сколь-нибудь существенно повысить магнитную индукцию (для увеличения мощности генератора). Теперь становится ясно, что для продви-жения вверх по шкале мощности остается фактически один путь увеличение токовой нагрузки статора. Но чем больше ток, проходящий по обмоткам машины, тем сильнее они нагреваются. Увеличивается ток в два раза, в четыре раза увеличиваются тепловые потери, ток растет в три раза, выделение тепла в девять и т.д. Таков неумолимый закон физики. Путь увеличения токовых нагрузок оказался довольно тернистым. Теперь главным врагом конструкторов стало тепло. И надо было найти эффективные способы отводить его от частей машины раньше, чем их температура успеет превысить допустимые значения. Итак, центральной стала проблема охлаждения турбогенератора и новые виды изоляции.

На электрических станциях страны продолжают эксплуатироваться турбогенераторы, выпущенные много лет тому назад, техническое состояние которых вполне удовлетворительное и замена их на новые машины нецелесообразна. С экономической точки зрения более приемлемым является модернизация таких машин. Модернизация позволяет повысить мощность турбогенератора, увеличить запасы прочности отдельных узлов, уменьшить перегревы в статоре и роторе и продлить срок службы еще на 10-20 лет. Наиболее существенной модернизации подвергается изоляция турбогенераторов серии ТВ и ТВ2 мощностью до 150 МВт. В крупных электрических машинах изоляцию обмоток статоров разделяют на следующие виды:

- корпусная изоляция (между обмоткой и сталью статора);

- междуфазная изоляция (между обмотками различных фаз);

- витковая изоляция (между витками одной секции или катушками);

- изоляция элементарных проводников (между проводниками в одном витке или стержне обмотки).

В зависимости от номинального напряжения, мощности и типа машины, а также от способа охлаждения, применяются разнообразные конструкции корпусной изоляции и различные изоляционные материалы. До 60-х годов все турбогенераторы изготавливались с термопластичной размягчающейся, при повышении температуры, корпусной изоляцией. Полиимиды обладают высокой теплостойкостью и термостабильностью, химической стойкостью к воздействию агрессивных реагентов, радиационной стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, что в сочетании с физиологической без-вредностью в условиях эксплуатации обуславливает их практическое значе-ние. Они способны к образованию высокопрочных термостойких покрытий, пленок, волокон, лаков, клеев . При использовании полиимидной пленки в качестве пазовой изоляции электрических машин, степень заполнения паза проводом или пленкой позволила увеличить коэффициент использования ак-тивных материалов в электродвигателях в 1,5-2 раза и за счет снижения тол-щины изоляции улучшила теплоотдачу. Срок службы проводов и пленок с изоляцией из полиимида при температуре 250 С превышает 2000 часов, а при 257 С - более 600 часов соответственно. Большим достоинством проводов и пленок с полиимидной изоляцией является их не горючесть. Использование их для витковой изоляции и для стержневой изоляции тяговых двигателей 1293 кВт, 560 В позволяет увеличить мощность на 87% при той же массе и габаритах.

Преимущества полиимидной изоляции заключаются в следующем:

1) В отличие от изоляции на тёрмореактивных связующих, которая по природе своей является жесткой и не поддается пластической деформации в процессе укладки обмотки в паз, в изоляцию из полиимидно-фторопластовой пленки на эпоксидном связующем можно вводить пластификатор, например трифенилфофат, который придаст монолитной изоляции пластичность. По-этому не обязательно придавать стержню еще до изолирования совершенно правильную геометрическую форму.

2) Процесс изготовления изоляции полиимидно-фторопластовой изоляции не сопровождается выделением токсичных газов и не требует герметично закрытого оборудования.

Недостатки термореактивной изоляции:

1) изоляция на термореактивных связующих по природе своей является жесткой и не поддается пластической деформации в процессе укладки об-мотки в паз. При изменении формы происходит образование цеков (трещин). Поэтому крайне важно придать стержню еще до изолирования совершенно правильную геометрическую форму и сохранить ее вплоть до полного окон-чания всех технологических операций;

2) процесс изготовления изоляции «Монолит» сопровождается выделе-нием токсичных газов и требует герметично закрытого оборудования и вы-тяжной вентиляции. Разработанный новый вид изоляции (полиимид алицик-лического строения) не имеет указанных недостатков.

Список литературы

1. Проектирование турбогенераторов. А.И. Абрамов, В.И. Извеков, Н.А. Серехин – М. Высшая школа, 1990 г.

2. Турбогенераторы Расчет и конструкция. В.В. Титов, Г.М. Хуторецкий, Г.А. Загородная – «Энергия», Ленинградское отделение, 1967 г.

3. Пособие к курсовому и дипломному проектированию для электроэнергетических специальностей ВУЗов. Под ред. В.М. Блока, - М.: «Высшая школа», 1990 г.