История электротехники - Коллектив авторов

К наиболее крупным достижениям зарубежных фирм в области турбогенераторов относятся следующие. Фирма «Альстом-атлантик» выпустила серию четырехполюсных турбогенераторов мощностью 1600 MB∙А для атомных электростанций; предельная мощность четырехполюсных турбогенераторов для атомных электростанций фирмы «Сименс» составляет около 1300 MB∙А. Фирма ABB освоила выпуск турбогенераторов мощностью 1500 MB∙А, 1800 об/мин, 60 Гц и турбогенераторов мощностью 1230 MB∙А, 3000 об/мин, 50 Гц. Американские и японские фирмы выпускают турбогенераторы наибольшей мощностью около 1100 MB∙А. Все фирмы, за исключением «Сименс», используют водородно-водяное охлаждение. Фирма «Сименс» применяет водяное охлаждение для обмоток не только статоров, но и роторов.

Необходимо обратить внимание на все увеличивающийся выпуск турбогенераторов средних мощностей — до 250 МВт для тепловых электростанций с комбинированным циклом (две газовые турбины и одна паровая).

В последние годы началось использование парогазовых установок. Поскольку предельная мощность газовых турбин в настоящее время составляет 150–200 МВт, то парогазовая система мощностью 450–600 МВт состоит из трех блоков: два с газовыми турбинами и один с паровой. Поскольку для таких блоков нужны турбогенераторы сравнительно небольших мощностей (150–200 МВт), для упрощения их конструкции вернулись к воздушному охлаждению. Первый турбогенератор мощностью 150 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с воздушным охлаждением изготовлен для Северо-западной ТЭЦ в 1996 г. в АО «Электросила».

К особому классу относятся ударные турбогенераторы кратковременного действия. Они применяются для испытания выключателей, для экспериментальных установок термоядерного синтеза на базе токамаков, крупных плазмотронов, установок ускорения масс и др. Для экспериментального токамака со сверхсильным полем были разработаны и выполнены четыре двухполюсных турбогенератора мощностью по 200 МВт (242 MB∙А). Такие турбогенераторы созданы впервые в мировой практике (рис. 6.3). В них применяется косвенное воздушное охлаждение. С целью снижения габаритов генераторы выполнены с повышенным насыщением магнитной цепи. На общем валу с генератором находится инерционный накопитель, сделанный на основе ротора турбогенератора мощностью 800 МВт. Запасенная энергия в генераторе равна 100, а в маховике — 800 МДж. Удельная энергоемкость ротора генератора составляет 5, а маховика — 10 Дж/г. Длительность импульса равна 5 с. Во время выдачи накопленной энергии частота вращения уменьшается до 70%. Таким образом, используется 50% энергии. Удельная стоимость накопленной энергии получается наименьшей по сравнению со стоимостью энергии других видов накопителей. Количество энергии может быть доведено до 2500 МДж за счет использования более прочной стали и увеличения диаметра маховика. Пуск установки осуществляется асинхронным двигателем с фазным ротором на валу агрегата или преобразователем частоты с питанием от сети. И.А. Глебовым, Э.Г. Кашарским и Ф.Г. Рутбергом разработаны методы расчета, выполнены технические проработки различных вариантов и их сопоставление, обоснование турбогенераторного исполнения в отличие от гидрогенераторного, применяемого в зарубежной практике [6.32]. Проект был выполнен Г.М. Хуторецким, а металлургические проблемы решены A.M. Шкатовой.

Следует заметить, что в начале 20-х годов XX в. русские ученые М.П. Костенко и П.Л. Капица сделали проект и осуществили первый ударный генератор для создания сильных магнитных полей.

В Томском политехническом институте под руководством и при непосредственном участии Г.А. Сипайлова была создана научная школа в области электромашинного генерирования импульсных мощностей в автономных режимах [6.33, 6.34]. Были проведены многочисленные исследования, разработаны методы расчета и создан ряд импульсных генераторов. К числу оригинальных решений относятся электромашинные генераторы с неявнополюсным шихтованным ротором и импульсной форсировкой возбуждения за счет намагничивания в несимметричных режимах при последовательных коммутациях обмоток статора и ротора.

Принципиально новым направлением являются сверхпроводниковые турбогенераторы, имеющие в 2 раза меньшую массу и потери. Вполне естественно, что вначале создавались опытные сверхпроводниковые машины небольшой мощности (синхронные, униполярные, постоянного тока) [6.35–6.37].

Во ВНИИэлектромаше были созданы следующие сверхпроводниковые машины: коллекторный двигатель постоянного тока мощностью 3 кВт, синхронный генератор мощностью 18 кВт, униполярный генератор с током 10 кА при напряжении 24 В и синхронный генератор мощностью 1200 кВт. Первые четыре машины были созданы под руководством и при непосредственном участии В.Г. Новицкого и В.Н. Шахтарина. В разработку и исполнение двигателя постоянного тока 3 кВт существенный вклад внес также Г.Г. Борзов. Синхронный генератор мощностью 1200 кВт был разработан и выполнен под руководством В.В. Домбровского.

Первый генератор средней мощности (20 MB∙А) был создан во ВНИИэлектромаше в 1979 г. (рис. 6.4) [6.38]. Машина была подробно исследована и испытана на стенде института и при работе в Ленэнерго [6.39, 6.40]. Ротор имеет обмотку из ниобий-титанового сплава. Она охлаждается жидким гелием (4,2 К), который поступает внутрь ротора через неподвижную трубку в центральном отверстии вала. Возврат гелия в газообразном состоянии происходит также через вал. Для защиты сверхпроводящей обмотки от теплопритока из внешней среды ротор имеет три цилиндра, пространство между которыми вакуумировано.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромеханики (ВНИИЭМ) завершились созданием ряда сверхпроводниковых машин [6.35]. Первая машина имела мощность 600 Вт. Это был генератор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения на статоре и трехфазной обмоткой на роторе. Следующей машиной был коллекторный электродвигатель мощностью 25 кВт, а далее генератор переменного тока мощностью 100 кВт со сверхпроводящим индуктором, криодвигатель переменного тока 200 кВт с неподвижным криостатом, модельные синхронные генераторы с вращающимся криостатом, уникальный синхронно-асинхронный двигатель с передачей вращающего момента без механических сочленений машин. Руководителем, организатором производства и соисполнителем исследований и разработок был Н.Н. Шереметьевский. Основным разработчиком сверхпроводящих индукторов являлся А.С. Веселовский, а якорей — A.M. Рубенраут.

Создателем синхронного сверхпроводникового неявнополюсного генератора мощностью 200 кВт на харьковском заводе «Электротяжмаш» был В.Г. Данько.

В Физико-техническом институте низких температур (ФТИНТ, г. Харьков) инициатором, организатором и научным руководителем всех работ в области использования явления сверхпроводимости был Б.И. Веркин [6.36]. Существенное значение для исследований, разработок и исполнения машин имели труды Ю.А. Кириченко, А.В. Погорелова и Г.В. Гаврилова.

Во ФТИНТ были созданы: криотурбогенератор мощностью 200 кВт с неподвижной обмоткой возбуждения и теплым вращающимся якорем, турбогенератор мощностью 2 и 3 МВт со сверхпроводниковыми роторами (совместно с объединением «Электросила»). Последние две машины создавались с участием специалистов объединения «Электросила» И.Ф. Филиппова и И.С. Житомирского. Большая работа проведена в области униполярных сверхпроводниковых машин: двигатель с якорем дискового типа мощностью 100 кВт, машина мощностью 150 кВт с цилиндрическим ротором, а затем двигатели мощностью 325 и 850 кВт.

Существенный вклад в теорию и методы расчета электрических машин с использованием явления сверхпроводимости внесли ученые Московского авиационного института А.И. Бертинов, Б.Л. Алиевский, Л.К. Ковалев и др. [6.37].

В генераторе 20 MB∙А внешний цилиндр ротора имеет комнатную температуру, внутренний — температуру жидкого гелия, а средний — 70 К. Обмотка образована рейстрековыми катушками разной ширины и находится при вращении в гелиевой ванне, образованной внутренним цилиндром и торцевыми частями. В связи с очень большой МДС отпадает необходимость в использовании для ротора стали. В этих условиях статор можно делать беспазовым, что увеличивает количество меди и мощность приблизительно в 2 раза. Для малой внешней магнитной индукции в статоре применяется ферромагнитный экран. Исследования, разработка методов расчета и технологических процессов, изготовление и испытания проводились под руководством и при непосредственном участии И.А. Глебова, Я.Б. Данилевича, А.А. Карымова, Л.И. Чубраевой и В.Н. Шахтарина.