Глава первая
КОНСТРУКЦИЯ СИНХРОННЫХ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ
§ 1-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Гидрогенераторами называют синхронные генераторы трехфазного тока, приводимые во вращение гидравлическими турбинами. В зависимости от расположения оси ротора (вала) различают горизонтальные и вертикальные гидрогенераторы. По скорости вращения гидрогенераторы делят на тихоходные, средней скорости вращения и быстроходные. По мощности гидрогенераторы разделяют на маломощные, средней мощности и мощные. Резкой границы между этими делениями нет, но, как правило, гидрогенераторы со скоростью вращения до 100 об/мин относят к тихоходным, от 100 до 200 об/мин — к средней скорости, свыше 200 об/мин — к быстроходным. Быстроходные гидрогенераторы строят как горизонтальными, так и вертикальными. Тихоходные и средней скорости генераторы строят обычно вертикальными.
В Советском Союзе крупные реки, на которых строят электростанции, в основном являются равнинными реками. Напор на таких гидростанциях невелик и поэтому устанавливаемые на них гидроагрегаты являются тихоходными вертикальными.
Приведем ориентировочные данные на 1960 г. о суммарной мощности установленных гидрогенераторов с различными скоростями вращения, согласно [5].
Наиболее быстроходными мощными вертикальными гидрогенераторами, изготовленными заводом «Электросила», являются гидрогенератор для Помушской ГЭС мощностью 66 000 ква со скоростью вращения 375 об/мин и гидрогенератор для Храмской ГЭС-2 мощностью 68 750 ква со скоростью вращения 428 об/мин. Горизонтальные гидрогенераторы средней и большой мощностей в Советском Союзе не получили широкого применения. Поэтому при описании конструкции в основном рассмотрены вертикальные гидрогенераторы. Конструктивные схемы вертикальных гидрогенераторов изображены на рис. 1-1 и 1-2.
Рис. 1-1. Гидрогенератор подвесного типа на 103500 ква, 83,3 об/мин:
I — кожух генератора; 2 — перекрытие; 3 — контактные кольца; 4 — выгородка масляной ванны; 5 — диск подпятника; 6 — втулка подпятника; 7 — регуляторный генератор; 8 — подвозбудитель; 9 — возбудитель; 10 — подставка под возбудитель;
II — неподвижный сегмент подпятника; 12 — масляная ванна подпятника; 13 — верхний направляющий подшипник; 14 — масляная ванна направляющего подшипника; 15 — верхняя крестовина; 16 — диск ротора; 17 — вентилятор; 18 — обмотка статора; 19 — корпус статора; 20 — полюс; 21 — активная сталь; 22 — обод ротора; 23 — воздухоохладитель; 24 — тормозной сегмент; 25 — нижний направляющий подшипник; 26 — тормоз; 27 — фундаментная плита; 28 — маслоохладитель; 29 — нижняя крестовина; 30 — вал
Рис. 1-2. Гидрогенератор зонтичного типа на 103500 ква, 83,3 об/мин: 1 — воздухоохладитель; 2 — вывод теплого воздуха в машинный зал; 3 — перекрытие; 4 — контактные кольца; 5 — регуляторный генератор; 6 — подвозбудитель; 7 — возбудитель; 8 — верхний направляющий подшипник; 9 — масляная ванна направляющего подшипника; 10 — верхняя крестовина; 11 — маслоохладитель; 12 — вентилятор; 13 — обмотка статора; 14 — корпус статора; 15 — диск ротора; 16 — обод ротора; 17 — полюс; 18 — активная сталь; 19 — втулка ротора; 20 — диск подпятника; 21 — масляная ванна подпятника; 22 — тормоз; 23 — выгородка; 24 — неподвижный сегмент подпятника; 25 — фундаментная плита; 26 — нижний направляющий подшипник; 27 — вал; 2S — нижняя крестовина
В гидрогенераторе, как и в любой другой электрической машине, различают активные и конструктивные части. К активным частям, непосредственно участвующим в процессе преобразования механической энергии в электрическую, можно отнести сердечник статора с обмоткой, сердечник ротора с обмоткой возбуждения. Остальные части, обеспечивающие надежную работу активных частей, называют конструктивными. К ним относятся вал, корпус статора, втулка ротора со спицами, крестовины, подпятник, направляющие подшипники, тормоза, охладители и другие. Сердечник статора 21 (рис. 1-1) с обмоткой 18 укрепляют в корпусе статора 19. Корпус статора опирается на фундаментные плиты 27, заделанные в бетонном основании. На валу, кроме ротора гидрогенератора, размещены якори машин постоянного тока: возбудителя 9, служащего для возбуждения полюсов ротора гидрогенератора, и подвозбудителя 8, предназначенного для питания независимой обмотки возбуждения возбудителя.
Для сохранения вертикального положения оси ротора гидрогенератора и его центрирования относительно статора служат два направляющих подшипника, размещаемых ниже и выше ротора, соответственно в нижней (под ротором) и верхней (над ротором) крестовинах. Может быть и один направляющий подшипник, размещаемый в нижней или верхней крестовине. Тогда вторым направляющим подшипником оси гидроагрегата гидрогенератор — турбина служит подшипник турбины, размещаемой в шахте под генератором. Валы гидрогенератора и турбины соединяют жестко.
Нагрузку от веса ротора гидрогенератора, рабочего колеса турбины и вертикальной составляющей давления воды на рабочее колесо воспринимает опорный подшипник, который называют подпятником. Подпятник передает вертикальные усилия крестовине, которую в этом случае называют грузонесущей или опорной.
В зависимости от расположения подпятника относительно ротора различают подвесные и зонтичные гидрогенераторы.
В подвесном гидрогенераторе (рис. 1-1) подпятник находится над ротором в верхней грузонесущей крестовине. Направляющих подшипников может быть два или один. При одном направляющем подшипнике он размещается в верхней крестовине, часто в одной ванне с подпятником.
В зонтичном гидрогенераторе (рис. 1-2) подпятник находится под ротором в нижней крестовине, которая в этом случае является грузонесущей. Направляющих подшипников может быть два или один, расположенный в верхней или в нижней крестовине.
Установить точные границы целесообразного применения подвесного или зонтичного типа гидрогенератора довольно трудно. Обычно рассматривают все преимущества и недостатки обоих типов гидрогенераторов конкретно для каждой проектируемой машины.
В гидрогенераторе подвесного типа значительно выше механическая устойчивость (особенно если машина имеет сравнительно небольшой диаметр и большую длину), обеспечивается более свободный доступ к подпятнику и другим частям машины. Поэтому этот тип генератора является предпочтительным до тех пор, пока он практически осуществим без значительных конструктивных усложнений. Применение гидрогенератора подвесного типа определяется диаметром статора и нагрузкой на подпятник, от которых в свою очередь зависят вес и размеры верхней опорной крестовины, возможность ее изготовления и транспортирования по железной дороге. К недостаткам подвесного типа гидрогенератора следует отнести его несколько большую высоту по сравнению с зонтичным типом при прочих равных условиях.
Подвесными обычно выполняют гидрогенераторы со средними и высокими скоростями вращения, имеющие большую длину и относительно небольшие диаметры статоров. В мощных тихоходных гидрогенераторах при больших давлениях на подпятник и большом диаметре статора верхняя грузонесущая крестовина в подвесном типе получается очень громоздкой. Поэтому целесообразно применение зонтичного типа гидрогенератора. Опорной крестовиной в зонтичном гидрогенераторе является нижняя крестовина, опирающаяся на выступы в шахте турбины и имеющая поэтому значительно меньший диаметр и вес, чем верхняя грузонесущая в подвесном гидрогенераторе. Дальнейшим развитием гидрогенераторов зонтичного типа явился отказ в некоторых конструкциях от нижней грузонесущей крестовины и расположение подпятника на конусообразной опоре, установленной на крышке турбины.
Такая конструкция применена, например, в гидрогенераторах Камской, Цимлянской и Волжских ГЭС. Эта модификация зонтичного типа гидрогенератора, несмотря на некоторое усложнение крышки турбины, позволяет получить значительную экономию не только в весе агрегата, но и в стоимости здания станции. Выполнение волжских (рис. 1-3) гидрогенераторов зонтичными без опорных крестовин с установкой подпятника на крышке турбины позволило сократить высоту агрегата примерно на 2 ж и сэкономить около 150 т конструкционной стали на каждый агрегат.
Один из построенных в последнее время гидрогенераторов для Братской ГЭС (рис. 1-4) имеет мощность 264 700 ква при скорости вращения 125 об/мин. Несмотря на большие размеры (диаметр расточки статора 10 500 мм, длина активной стали 2500 мм), он выполнен подвесным. Нагрузка на подпятник, достигающая 1600 т, передается на мощную верхнюю крестовину, состоящую из центральной части и 12 отъемных лап двутаврового сечения. Генератор выполнен без нижней крестовины. Это позволило сэкономить около 50 т стали и уменьшить высоту генератора примерно на 1 м.
Рис. 1-4. Гидрогенератор Братской ГЭС
Стремление удешевить строительство гидроэлектростанции приводит к созданию машин меньшего веса и размеров, к росту единичной мощности машин путем применения более эффективного непосредственного охлаждения меди обмоток воздухом и жидкостного охлаждения обмоток. Охлаждение обмоток водой, например, дает возможность увеличить почти в два раза мощность гидрогенератора в тех же габаритах по сравнению с машинами воздушного охлаждения. При этом расход активной стали на 1 ква уменьшается примерно в 1,5 — 2 раза, меди — в 3 — 4 раза.
В настоящее время разработаны проекты гидрогенератора для Красноярской ГЭС мощностью в 590 000 ква (500 000 кет), что примерно равно мощности Днепрогэса. Выполнение такой машины с обычным воздушным охлаждением затруднительно, поэтому необходимо применять форсированное воздушное охлаждение или охлаждение водой.
В табл. 1-1 приведены основные технические данные двух вариантов гидрогенератора для Красноярской ГЭС по проектам, выполненным на заводе «Уралэлектроаппарат». Вариант 1 — форсированное воздушное охлаждение статора и внутрипроводниковое воздушное охлаждение обмотки ротора.
Вариант 2 — внутрипроводниковое водяное охлаждение обмотки статора и внутрипроводниковое воздушное охлаждение обмотки ротора. В обоих вариантах обмотку возбуждения выполняют из алюминия, что позволяет сэкономить около 70 т меди на каждую машину по сравнению с вариантом обычного исполнения обмотки возбуждения без внутрипроводникового охлаждения.
Из табл. 1-1 видно, что применение водяного охлаждения обмотки статора (вариант 2) позволяет в значительной степени снизить размеры генератора, вес электротехнической стали, меди и общий вес генератора по сравнению с вариантом 1, в котором применено форсированное воздушное охлаждение статора. Надо полагать, что непосредственное охлаждение обмоток водой будет применяться в дальнейшем не только в наиболее мощных гидрогенераторах, но и в гидрогенераторах средних мощностей, так как это дает большую экономию активных и конструктивных материалов, уменьшает размеры машин и приводит к удешевлению строительства гидроэлектростанций.