Курсовая работа: Техническая эксплуатация и ремонт гидрогенераторов

В зарубежной практике иногда различают зонтичное и полузонтичное исполнения, понимания при этом под первым выполнение ротора в виде усеченного конуса благодаря изогнутой.

Горизонтальное исполнение до недавнего времени применялось в основном для быстроходных гидрогенераторов, спариваемых, как правило, с одной или двумя (по обе стороны агрегата) ковшевыми турбинами. Горизонтальные гидрогенераторы при достаточно высоких частотах вращения оказываются более компактными и легкими по сравнению с вертикальными.

К горизонтальному расположению вала прибегали также при создании некоторых типов небольших прямоточных и приплотинных установок, не получивших, однако, сколько-нибудь существенного распространения и не имеющих большого энергетического значения. Вместе с тем развитие работ по прямоточным машинам привело к созданию нового типа энергетического оборудования – капсульного гидроагрегата, состоящего из капсульного гидрогенератора и поворотно-лопастной турбины, совмещенных в одном корпусе и расположенных под водой.

Такие агрегаты нашли широкое применение для низконапорных русловых, а также приливных ГЭС. Они характеризуются относительно небольшими частотами вращения и искусственно уменьшенными у генераторов радиальными размерами, что достигается использованием более эффективных, принудительных систем охлаждения. Единичная мощность капсульных гидроагрегатов не превышает 50МВт, однако при необходимости она может быть значительно повышена.

Обоим известным исполнениям вертикальных гидрогенераторов соответствуют свои модификации капсульных машин: подвесному – конструктивная схема с размещением подпятника и контрподпятника между турбиной и генератором, зонтичному – компоновка с расположением подпятника и контрподпятника со стороны, противоположной турбине.

Известны также весьма редкие установки небольших гидроагрегатов с наклонной осью.

Наряду с положением оси вращения в качестве другого классификационного признака для гидрогенераторов может быть предложена и их функциональная роль в энергосистеме. В этом плане все гидрогенераторы делятся на две группы: генераторы обычного исполнения, предназначенные в основном для выработки в сеть электрической энергии, и обратимые машины, в различное время работающие в генераторном (турбинном) или двигательном (насосном) режиме.

Оснащенные обратимыми гидроагрегатами гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), называемые иногда также насосно-аккумулирующим (НАЭС), служат для покрытия пиков нагрузки энергосистем либо переводятся в режим потребления активной мощности, выравнивания общий график нагрузки системы и перекачивая при этом воду из нижнего бассейна в верхний.

Обратимые гидроагрегаты в зависимости от того, совмещают или нет входящие в них единицы оборудования различные функции, могут быть четырехмашиными, трехмашиными и двухмашинными. Последние (турбина – насос и генератор – двигатель), как наиболее компактные, дешевые и простые в обслуживании, обычно предпочтительнее и с освоением обратимых машин нашли самое широкое применение.

Обратимые гидрогенераторы могут быть вертикальными и горизонтальными, зонтичными и подвесными. Особенности капсульных генераторов изложены ниже.

Заслуживает быть отмеченным отдельно, несмотря на пока единичный пример осуществления (Иовская ГЭС), асинхронизированный тип гидрогенератора (АС-генератор), позволяющий в отличие от обычных синхронных машин при вращении агрегата с различными скольжениями относительно синхронной скорости обеспечивать постоянную и номинальную частоту сети. Достигается это созданием бегущего относительно ротора с частотой скольжения магнитного поля возбуждения.

От обычных машин АС-гидрогенераторы Иовской ГЭС отличаются конструкцией ротора, выполненного неявнополюсным и снабженного двумя распределнными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга на 90 электрических градусов. Быстродействующая система регулирования тока возбуждения в каждой из обмоток по определенным законом автоматически обеспечивает равенство частоты вращения поля ротора относительно самого ротора (с учетом ее направления) разности синхронной частоты и частоты вращения ротора.

По сравнению с обычными машинами, имеющими те же номинальные данные, АС – генераторы характеризуются несколько большими размерами и стоимостью, меньшим КПД и затрудненными условиями обслуживания, так как требуют для замены стержней любой обмотки выема ротора или подъема статора, но обладают и значительными преимуществами в отношении устойчивости их работы в сети. Асинхронизированные генераторы могут найти применение в системах, где требуется особо высокая точность поддержания частоты.

На выбор основных размеров гидрогенераторов влияет большое число факторов: требования к параметрам и режимам работы, условия охлаждения, размещения и компоновки генератора, характеристики используемых материалов и т.д. Но наиболее важными, определяющими ограничениями при проектировании каждого нового типа гидрогенератора являются следующие:

1. Уровень нагрева активных частей, и в первую очередь обмотки статора, являющейся, как правило, лимитирующей в тепловом отношении, не должен превышать допустимых значений. При системе косвенного воздушного охлаждения это требование практически сводится к тому, что градиент перепада температуры в изоляции обмотки статора должен находиться в известных пределах, определяемых характеристиками самой изоляции.

В отдельных случаях при повышенных требованиях в отношении значения синхронного индуктивного сопротивления по продольной оси, а также в ряде мощных быстроходных гидрогенераторов лимитирующей в тепловом отношении может оказаться обмотка возбуждения.

2. Гидрогенератор должен быть рассчитан на заданную угонную частоту вращения ( – коэффициент угона). При этом средние механические напряжения во всех элементах ротора, в том числе и в его обычно наиболее напряженном узле-ободе, не должен превосходить предела текучести материалов (принимаемый запас составляет, как правило, не менее 10-20%), а упругая радиальная деформация не должна достигать определенной доли размера воздушного зазора.

3. По условиям статической и динамической устойчивости работы генераторов на линию электропередачи их основные индуктивные сопротивления – синхронное и переходное -не должны превышать заданных значений. Величина определяется в значительной мере линейной нагрузкой статора А и поэтому оказывает большое влияние на размеры машин. Синхронное индуктивное сопротивление, будучи функцией размера воздушного зазора, влияет на требуемую мощность возбуждения и нагрев обмотки ротора и потому также может сказываться на выборе основных размеров гидрогенератора.

4. По условиям регулирования гидравлической турбины, прочности напорного турбопровода и ограничения максимального повышения частоты вращения при сбросах нагрузки динамический момент инерции гидрогенератора должен быть не менее определенного значения. Одной из задач конструктора является достижение последнего соответствующим выбором размеров генератора без искусственного утяжеления ротора.

1.2 Основные зависимости между размерами и параметрами

Постоянные и получены из условий постоянства перепада температуры в изоляции обмотки статора и пропорциональности индуктивного сопротивления пазового рассеяния обмотки переходному индуктивному сопротивлению.

В отличие от постоянной Арнольда или коэффициента Эссона, изменяющихся в широком диапазоне в функции основных данных машины 9мощность и частота вращения), постоянные и не зависят не только от них, но и от переходного индуктивного сопртивления и типа изоляции обмотки статора.

“Естественный” динамический момент инерции, достигаемый без искусственного утяжеления обода ротора, в килограммах-метрах в квадрате может быть рассчитан по следующей эмпирической зависимости:

Анализ взаимосвязей уровня механических напряжений в ободе ротора и значения махового момента в функции размеров машины и угонной частоты вращения позволяет получить следующие приближенные выражения: для динамического момента инерции

и механической постоянной ротора

Здесь -ширина обода ротора, см; -коэффициент ослабления обода ротора (в среднем 1,6 для шихтованных роторов); б-среднее механическое напряжение в ободе ротора при угоне, МПа; -высота сердечника полюса с полюсными башмаком см; -коэффициент Эссона, кВ·А/ (·об/мин).

Одним из важнейших размеров электрических машин является размер воздушного зазора, который в конечном итоге определяет синхронное индуктивное сопротивление и статическую перегружаемость генераторов, мощность возбуждения и плотность потерь на поверхности полюса ротора.

В крупных быстроходных гидрогенераторах, когда по режимным условиям требуется пониженное значение синхронного индуктивного сопротивления, необходимо электромагнитное использование машин для сохранения МДС ротора в допустимых пределах, определяемых возможностями охлаждения обмотки возбуждения.

МДС ротора на пару полюсов может быть с некоторым приближением рассчитана по формуле

Если плотность тока в обмотке возбуждения не обеспечивает требуемого уровня ее температуры, необходимо либо снизить МДС ротора, либо изыскать возможности по размещению на полюсах дополнительного объема меди обмотки, либо перейти на более эффективную систему охлаждения ротора.