Доп. вопросы по гидрогенераторам

(А.И. Абрамов Проектирование ГГ и СК М. 2001)

1. Какова в России примерная доля гидроэлектростанций в общей мощности всех электростанций? Каковы особенности ГЭС по сравнению с тепловыми в плане себестоимости электроэнергии, экологии, маневренных качеств? (стр.5)

Гидроэнергетике принадлежит существенная роль в обеспечении отрасли экономики электрической энергии. Установленная мощность всех ГЭС в стране на начало 2000 г. была 43,9 млн кВт, что составляло 20,4% от установленной мощности всех электростанций страны (тепловых, атомных и гидравлических). При этом себестоимости электроэнергии на ГЭС почти в 6,5 раза меньше себестоимости электроэнергии на тепловых электростанциях. ГЭС являются экологически чистыми объектами по сравнению с ТЭС, сжигающими кислород, дорогостоящее топливо и выбрасывающими в атмосферу окислы серы, азота и другие вредные для человека микроэлементы. Вследствие высоких маневренных ГЭС в отношении быстрого набора электрической нагрузки в пиковых режимах и при необходимости сброса нагрузки повышается устойчивость работы энергосистем и представляется возможность эксплуатировать тепловые и атомные электростанции в оптимальных для них режимах.

2. Как определить электрическую мощность на ГЭС, в каких примерных диапазонах находятся к.п.д. турбины и к.п.д. генератора? (стр. 5-6)

Электрическая мощность (кВт) на ГЭС:

=0,85…0,92; =0,97…0,99

3. Чем обычно отличаются ГЭС и ГАЭС в плане близости к потребителю и почему?(стр. 6)

4. Какие существуют четыре типа турбин, при каких напорах они применяются? На какие два вида можно разделить осевые турбины? (стр. 7-10)

Ковшовые турбины (Пельтона) применяют при напорах 400…600 м и выше.

Радиально-осевые турбины (Френсиса) применяют при средних напорах до 300…400 м.

Осевые применяют также при средних напорах до 300…400 м.

При низких напорах (примерно до 50м) применяют поворотно-лопастые турбины (Каплана).

Осевые турбины могут быть пропеллерные или диагональные.

5. Почему для остановки ротора ГГ всегда приходится использовать механические тормоза?(стр. 8)

6. Как на практике спроектированная номинальная частота вращения турбины зависит от изменения величины напора и величины мощности гидроагрегата? (стр. 10-11)

На равнинных реках, где напоры воды невелики, устанавливают тихоходные гидрогенераторы с частотой вращения n≤100 об/мин. На горных реках, где напоры воды могут быть большими, устанавливают относительно быстроходные гидрогенераторы с частотой вращения n≥200 об/мин.

Чем больше мощность гидроагрегата, тем ниже частота вращения турбины.

7. Почему гидрогенераторы обычно изготавливаются по частям и собираются непосредственно на ГЭС? Чем определяются размеры и массы этих отдельных частей? (стр. 11)

Современные мощные гидрогенераторы имеют диаметр корпуса более 20 м при аксиальной его длине 3,5..4 м, а их масса часто превосходит 1000..1500 т. Их невозможно транспортировать целиком от производителя до ГЭС. Поэтому конструкция таких машин должна предусматривать изготовление их на заводе по отдельным частям и полную сборку машины непосредственно на гидроэлектростанции.

Размеры и массы отдельных частей и узлов гидрогенератора, доставляемых к месту монтажа, определяются требованиями предельных железнодорожных габаритов и грузоподъемностью транспортных средств.

8. Как выбор типа проектируемого гг (вертикальный или горизонтальный) зависит от его размеров и массы, а также от его частоты вращения? (стр. 11)

Большие размеры и большие массы определяют обычно вертикальный тип ГГ, соответственно, малые размеры и массы – горизонтальный тип.

Вертикальные ГГ выполняют при малых частотах вращения, а горизонтальные ГГ выполняют при больших частотах вращения.

9. Как расшифровываются обозначения св, вгс, сг, свф, сгкв, сгк, сво гидрогенераторов? (стр. 13-14)

СВ, ВГС- синхронные вертикальные с косвенным воздушным охлаждением;

СГ- синхронные горизонтальные с косвенным воздушным охлаждением;

СВФ- синхронные вертикальные с непосредственным охлаждением обмотки ротора воздухом;

СГКВ- синхронные горизонтальные капсульные с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора водой;

СГК- синхронные горизонтальные капсульные с воздушным охлаждением обмоток;

СВО- синхронные вертикальные обратимые двигатель-генераторы (для ГАЭС) с воздушным охлаждением.

10. Как расшифровать число, стоящее после буквенного обозначения гидрогенератора, например 525/150-20? (стр. 14)

За буквенным обозначением следует дробное число, числитель которого равен внешнему диаметру (см), а знаменатель – длина сердечника статора. Число после черточки означает количество полюсов. После количества полюсов ставят иногда еще букву, означающую особенность исполнения, например Т-тропическое.

11. Что такое активные и конструктивные части ГГ, что входит в активную часть? (стр. 14)

В ГГ, как и в других электрических машинах, различают активные и конструктивные части. К активным частям, непосредственно участвующим в процессе преобразования энергии, относятся магнитопроводы ротора и статора с расположенными на них обмотками. Все остальные части, надежно обеспечивающие работу активных частей, называют конструктивными.

12. Из каких трех частей состоит статор ГГ? (стр. 14)

Статор ГГ состоит из корпуса, представляющего собой сложную сварную конструкцию из стали. В корпусе укреплен магнитопровод, в пазах которого размещена обмотка статора.

13. Из каких четырех частей состоит ротор ГГ, из чего состоят полюса ГГ?

Ротор ГГ состоит из остова, насаженного на вал, на котором укреплен магнитопроводящий обод ротора. К ободу ротора прикреплены полюсы, состоящие из магнитопроводов и обмоток.

14. Что такое подпятник ГГ? Какие три вида усилий он должен выдерживать, каких значений они достигают? (стр. 14)

Характерной особенностью конструкции вертикальных ГГ является наличие мощного опорного подшипника, который называется подпятником.

Он выдерживает усилия, создаваемые массами ротора ГГ, массами ротора турбины, а также вертикальной составляющей давления воды на рабочее колесо турбины. Значения этих усилий достигают нескольких тысяч тонн.

15. Зачем нужны направляющие подшипники ГГ, сколько их, где они располагаются? (стр. 14, стр. 16)

Чтобы сохранить вертикальное положение оси вала ротора и центрирование его относительно статора, используют два направляющих подшипника, расположенных выше и ниже остова ротора. Верхний размещается в верхней крестовине. Нижний находится под ротором в нижней крестовине. Плюс направляющий подшипник турбины – это третий направляющий подшипник вала ГГ. Если расстояние между верхним направляющим подшипником генератора и направляющим подшипником турбины невелико, то нижний направляющий подшипник ГГ можно не устанавливать и их тогда всего будет два.

16. Зачем в гг нужны крестовины, сколько их, зачем нужны масляные ванны и маслоохладители? (стр. 14, стр. 18)

В крестовинах (верхняя и нижняя) обычно располагаются направляющие подшипники, и в одной из них обычно располагается подпятник. Бывают зонтичные ГГ, в которых в верхней крестовине расположен возбудитель, т.к. направляющий подшипник отсутствует. Бывают зонтичные ГГ без нижней крестовины, т.к. подпятник опирается на крышку турбины, а направляющий подшипник отсутствует. Маслоохладители и масляные ванны служат для отвода водой (протекающей по трубкам маслоохладителя) потерь мощности на трение в подпятнике и в верхнем направляющем подшипнике.

17. Зачем на роторе ГГ укрепляют специальные лопатки? Зачем на роторе нужны контактные кольца? (стр. 16)

Потери мощности в активных частях гидроагрегата, потери на трение ротора о воздух и другие отводятся воздухом. Циркуляция воздуха в ГГ происходит за счет вентиляторного центробежного эффекта вращающихся частей ротора и специальных лопаток. Постоянный ток к вращающемуся ротору подводится через контактные кольца.

18. В каких ГГ и каким образом можно обойтись без вала? (стр. 21)

19. От чего зависит выбор подвесного или зонтичного исполнения ГГ? (стр. 21-22)

Выбор подвесного или зонтичного исполнения ГГ в основном зависит от соотношения главных размеров: внутреннего диаметра магнитопровода статора и его аксиальной длины, которые в основном определятся соотношением мощности и частоты вращения, а также типом турбины.

20. Каковы три преимущества ГГ подвесного типа, какого типа ГГ обычно имеют большую высоту и вес? (стр. 22)

1. Размещение подпятника и верхнего направляющего подшипника в верхней крестовине облегчает доступ к ним при обслуживании.

2. Пары масла из масляной ванны не попадают внутрь машины и не замасливают обмотки.

3. Большая механическая устойчивость ротора, так как центр его тяжести лежит ниже точки опоры.

ГГ подвесного типа имеют большую высоту и больший вес по сравнению с зонтичными ГГ.

21. Каково преимущество гг зонтичного типа, какого типа гг обычно имеют меньшую высоту и вес? (стр. 22)

К основному преимуществу ГГ зонтичного исполнения следует отнести их лучшие экономические показатели. Меньшая высота зонтичных ГГ определяет меньшую их стоимость, а также меньшие размеры и стоимость машинного зала.

ГГ зонтичного типа имеют меньшую высоту и вес.

22. Каковы недостатки гг подвесного и зонтичного типа? (стр. 22)

Недостатки ГГ подвесного типа в том, что они имеют большую высоту и вес, а значит большую стоимость, в т.ч. машинного зала.

Недостатки ГГ зонтичного типа в том, что: затруднен доступ к подпятнику и нижнему направляющему подшипнику при обслуживании, т.к. они в нижней крестовине; пары масла из масляной ванны попадают внутрь машины и замасливают обмотки; небольшая механическая устойчивость ротора.

23. В каких ГГ (подвесных, зонтичных) потери в подпятнике больше и почему? (стр. 22-23)

Потери мощности в подпятнике ГГ зонтичного исполнения несколько больше чем в ГГ подвесных, так как подпятник в ГГ зонтичного исполнения имеет большие размеры, чем в ГГ подвесного типа по условиям проноса фланца нижнего конца вала через подпятник.

24. Для чего нужен корпус статора ГГ, какие три части в нем различают и в какой из них расположен магнитопровод? Что такое сердечник? (стр. 23)

Корпус статора служит для передачи на фундамент усилий от веса размещенных на нем узлов и деталей и электромагнитных усилий.

В корпусе статора различают верхнюю, среднюю и нижнюю части. К средней части крепят магнитопровод статора.

25. Зачем в наружной обшивке корпуса статора ГГ оставляют окна? (стр. 25)

В наружной обшивке корпуса оставляют окна для выхода горячего воздуха из машины. В этих местах устанавливают воздухоохладители.

26. Какими двумя способами можно осуществить стык частей корпуса статора ГГ? Какой формы бывает наружная часть корпуса статора? (стр. 25)

Первый способ: по обоим торцам секторов корпуса статора приваривают стыковые плиты. При помощи шпилек, вставленных в отверстия плит, два смежных сектора соединяют между собой. Второй способ: конструкция частей корпуса статора без стыковых плит. Отдельные части статора стягиваются шпильками, а полки статора скрепляются между собой массивными стальными накладками.

Наружная часть корпуса обычно цилиндрическая. В ряде конструкций по условиям компоновки ГГ, его изготовления или по условиям монтажа на ГЭС наружную часть корпуса статора выполняют многогранной.

27. Из каких типов материалов и какой толщины собирают магнитопровод статора ГГ? Всегда ли он состоит из сегментов? Какие четыре типа сегментов могут использоваться? (стр. 25)

28. Какого типа и какой формы делают пазы в магнитопроводе статора ГГ? (стр. 26)

29. Как обеспечивается монолитность сердечника ГГ? Что такое нажимные гребенки? (стр. 28)

30. Для чего крайние пакеты сердечника статора ГГ делают ступенчатыми? (стр. 29)

Чтобы уменьшить потери мощности и большие местные нагревы, вызванные торцевым магнитным полем.

31. На какие три пары типов разделяются обмотки статора ГГ, и какая обмотка применяется наиболее часто и почему? (стр. 30-31)

Обмотки статоров ГГ выполняют одно- или двухслойными, катушечными или стержневыми, волновыми или петлевыми. Обычно применяют двухслойные обмотки, так как в них можно сделать практически такое укорочение шага, при котором значительно улучшаются формы кривых МДС и ЭДС, в однослойных укорочение невозможно. Обычно применяют стержневые обмотки, но там, где это невозможно, т.к. потребовалось бы слишком большое число пазов (в генераторах малой мощности), применяют катушечные. Обычно применяют волновые, т.к. они не требуют многочисленных соединений между катушками, как петлевые.

32. По какой причине при проектировании ГГ приходится отказываться от стержневых обмоток и переходить на катушечные? (стр. 30-31)

Применение стержневых обмоток становится невозможным в ГГ небольшой мощности и относительно высокого напряжения, т.к. по расчетам получается слишком большое число пазов, и каждый паз в результате настолько мал, что стержневая обмотка там не помещается.

33. Каким образом в ГГ с катушечной обмоткой статора уменьшают добавочные потери от поля пазового рассеяния? (стр. 31)

Элементарные проводники в выводных концах катушек тренспонируют (перекручивают) на 180 градусов при соединении с последующими катушками.

34. Каким образом в ГГ со стержневой обмоткой статора уменьшают добавочные потери от поля пазового рассеяния? (стр. 31)

Стержни изготавливают из элементарных проводов, транспонированных (переплетенных) определенным образом в пазовой части.

35. Какие два типа провода применяют в обмотке статора ГГ? (стр. 31, стр. 86)

36. Из каких соображений выбирают момент инерции ротора ГГ? (стр. 34)

Чем больше масса ротора, тем больше момент инерции и тем меньше изменение частоты вращения за время срабатывания системы регулирования при изменении нагрузки ГГ.

Обычно значение момента инерции выбирают таким образом, чтобы частота вращения ротора возросла бы не более чем на 30..40% за время срабатывания системы регулирования при полном сбросе нагрузки ГГ от номинальной до нуля.

37. Из какой характеристики ГГ исходят при расчете ротора на механическую прочность? (стр. 34)

Исходят из угонной частоты вращения. Расчитывают так, чтобы механические напряжения материалов ротора не превосходили пределов текучести и при максимальной (угонной) частоте вращения обод ротора деформировался не более чем на величину зазора.

38. Из каких семи основных частей состоит ротор ГГ? Какие четыре функции он выполняет? (стр. 35)

39. Каких двух типов бывают остовы ротора ГГ, какие из них разборные и какие нет? Каких трех типов бывают ободы ротора? (стр. 37)

Остовы выполняют двух основных типов: дисковые и спицевые. Дисковые неразборные, спицевые – разборные. Ободы изготавливают литыми дисковыми, коваными дисковыми или собранными вперекрой из отдельных сегментов стали.

40. Какой вид имеет наружная поверхность остова ротора ГГ и как это связано с числом полюсов? (стр. 37)

Наружную поверхность остова выполняют многогранной, причем число граней равно числу полюсов ротора.

41. Как обеспечивается монолитность дисков остова-обода или сегментов обода? (стр. 38-39, стр. 45-46)

42. Что представляет собой полюс ротора ГГ? С помощью какого крепления обычно полюс ротора ГГ крепят к ободу ротора ГГ, какой формы это крепление применяется чаще всего? (стр. 47)

Полюс к ободу крепят при помощи хвоста, чаще всего хвосты имеют молоткообразную (Т-образную) форму.

43. Из каких трех частей состоит сердечник полюса ГГ? Каких двух типов изготавливают сердечники полюсов ГГ, какие их них наиболее распространены? (стр. 47)

Сердечники полюсов делают двух типов: массивными коваными с последующей механической обработкой или собранными из отдельных листов (шихтованными). Наиболее распространены шихтованные сердечники.

44. Из какого материала и какой толщины собирают шихрованные сердечники полюса ГГ? Как при этом обеспечивается его монолитность? (стр. 47, стр. 234)

45. Как соотносятся между собой массивные и шихтованные полюса ГГ в плане прочности и потерь? (стр. 248, стр. 234)

46. Какие два типа провода применяются при намотке каждой катушки обмотки возбуждения ГГ косвенного охлаждения, какой из них лучше и почему? (стр. 52) Какие два типа провода применяются при намотке каждой катушки обмотки возбуждения ГГ непосредственного охлаждения этой обмотки воздухом? (стр. 81-82)

47. Как выбор типа провода обмотки возбуждения ГГ косвенного охлаждения зависит от радиуса закругления катушки полюса? Что делать, если радиус закругления очень мал, а соотношение сторон провода слишком большое? (стр. 52-53)

Применяют голую шинную медь прямоугольного или специального профиля «топорик», профиль «топорик» лучше, т.к. удобнее наматывать и лучшее охлаждение.

Если радиус закругления катушки полюса относительно небольшой, то невозможно применение шинной меди с большим отношением сторон сечения витка и приходится изготавливать катушку прямоугольной с пайкой на углах.

48. Какие три типа провода применяются при намотке каждой катушки обмотки возбуждения ГГ непосредственного охлаждения этой обмотки водой? (стр. 84, стр. 86)

49. Для чего между катушками соседних полюсов ГГ устанавливают межполюсные распорки, всегда ли они необходимы, из каких материалов делаются? (стр. 54-55)

При вращении ротора катушки испытывают действие центробежной силы. Из-за этого устанавливают межполюсные распорки для предупреждения бокового распора, который может привести к выбрасыванию меди в воздушный зазор и аварии. Необходимость установки распорок определяется путем расчета напряжений в меди при угонной скорости вращения. Материалом для распорок может служить сталь Ст3, но предпочтительным является алюминий и его сплавы.