Расчет показателей работы турбогенератора

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Определение основных размеров и электромагнитных нагрузок

Номинальная кажущаяся мощность:

Sн = Рн/ = 294 МВ*А

Предварительный диаметр расточки статора:

D1 = 1710 мм.

Предварительный диаметр бочки ротора:

D2 = 1415 мм.

Предварительное значение машинной постоянной Арнольда.

СА = 7,5*1010 мм3/(мин*МВ*А).

Предварительная длина статора:

мм.

Предварительно принимаем длину бочки ротора.

L2 = l1 =5027 мм.

Предварительное значение линейной нагрузки.

А1 = 1450 А/см.

Предварительное значение индукции в зазоре.

Вб = 0,86 Тл.

Предварительное значение полюсного деления.

мм.

Воздушный зазор.

 мм

Окончательно принимаем б = 50 мм.

Окончательные значения диаметра расточки статора и полюсного деления.

D1 = D2 + 2б = 1415+2*50 = 1515 мм

мм

Значение главных технико-экономических показателей.

Полученные значения соответствуют расходу меди на обмотку статора и ротора, близкому к минимальному.

Ожидаемая критическая частота вращения nk1 = 1550 об/мин получается близкой к резонансной частоте, следовательно, при окончательном конструировании ротора выбору его размеров надо уделить особое внимание. Ожидаемая вторая критическая частота nk2 = 4700 об/мин, что приемлемо.

Ожидаемый КПД 98,6 %.

Маховый момент.

т*м2.

Полная масса турбогенератора.

G = 1,2*235 = 280 т

1.1 Выбор обмоточных данных статора

Номинальный ток статора.

А.

Принимаем число параллельных ветвей а = 2 и число активных проводников в пазу Sп1 = 2. Обмотка стержневая петлевая.

Объем тока в пазу.

А.

Предварительно зубцовый шаг по расточке статора.

мм.

Предварительно число пазов статора.

Окончательно принимаем Z1 = 84, что соответствует числу пазов на полюс и фазу.

Окончательные значения зубцового шага и линейной нагрузки.

мм.

А/см.

Линейная нагрузка получилась на 3,5 % выше принятой для двухполюсной машины, что вполне допустимо, так как диаметр D1 в четырёхполюсной машине больше, чем в двух полюсной.

Принимаем относительный шаг = 0,857. При этом первый частичный шаг y1 (1-19) и обмоточный коэффициент равен об1 = 0,932.

Число последовательно соединённых витков в фазе.

Предварительная ширина паза статора.

bп1 = 0,45*t1 = 0.45*56,66 = 25,4.

Двухсторонняя толщина изоляции по ширине паза при напряжении 20 кВ bl1 = 13,4 мм.

Предварительная ширина элементарного проводника при двух проводниках по ширине паза (n1 = 2).

мм,

где: ?I = 0,3 мм - двухсторонняя толщина собственной изоляции проводника.

Принимаем окончательно мм.

Окончательная ширина паза статора.

мм

Предварительная плотность тока = 5,3 А/мм2.

Требуемая площадь поперечного сечения стержня.

мм2

Принимаем комбинированный стержень с тремя сплошными проводниками на один полый (N = 3) и отношение ам.с/ам.п = 0,4.

Ориентировочно задаёмся коэффициентом вытеснения тока ф = 1,6 и отношением . При этом вспомогательная функция = 1,6.

Предварительная высота полого проводника.

мм.

Принимаем окончательно ам.п = 5 мм. Сечение элементарного полого проводника bм1 х ам.п = 5х5 составляет qм.п = 21 мм2.

Предварительная высота сплошного проводника.

мм

Принимаем мм, и сечение сплошного проводника bм1 х ам.с = 5х2 равно qм.с = 9,637.

Площадь сечения меди одной группы.

 мм2.

Требуемое число групп в стержне.

Сечения стержня.

мм2.

Окончательная плотность тока.

А/см2

Суммарная толщина изоляции по высоте паза для напряжения 20 кВ составляет hl = 37,5 мм. Высоту клина принимаем hk1 = 25 мм, место на транспозоцию проводников:

hтр = aм.п + ?I = 5.3 мм.

Высота паза статора.

мм.

При этом h1/D1 = 270/1515 = 0,178, а h1/bп1 = 270/24 = 11,2 что соответствует рекомендациям.

Магнитный поток в зазоре при холостом ходе и номинальном напряжении.

Вб.

Принимаем холоднокатаную электротехническую сталь марки 3414, толщиной 0,5 мм. Направление потока - вдоль магнитных линий в зубцах. Допустимая при такой ориентации проката индукция в зубцах статора Вz13 = 1,07*1,6 = 1,71 Тл.

Требуемая площадь сечения зубцов статора для получения заданной индукции.

м2.

Эффективная длина стали.

мм,

где:

мм.

мм.

Окончательно принимаем le = 4440 мм.

Длина активной стали без каналов.

 мм

статор магнитный полюсной

Принимаем ширину пакета bp = 50 мм и ширину канала bk = мм.

Число пакетов.

Принимаем np = 95 и число каналов nk = np - 1 = 94.

Полная длина сердечника статора.

мм.

Индукция в зазоре.

Тл.

Индукция в спинке статора.

Тл.

Требуемая площадь сечения спинки.

м2.

Высота спинки.

 мм.

Внешний диаметр сердечника статора.

мм.

Длина лобовой части стержня.

мм

Длина витка обмотки статора.

мм.

Сопротивление постоянному току обмотки статора при 15°С.

Ом.

Сопротивление постоянному току обмотки статора при 75°С.

Ом.

1.2 Выбор обмоточных данных ротора

Напряжение в зубцах ротора.

Мпа.

Зададимся величинами.

мм.

мм2.

мм.

bп2/bz = 2,32.

Z2'b = 720 мм.

Принимаем ширину меди.

bм2 = 35 мм.

Двухсторонняя толщина изоляции по ширине паза.

2bl2 = 4,5 мм.

Ширина паза.

bп2 = bм2 + 2bl2 = 35 + 4,5 = 39,5 мм.

Ширина зубца в корне.

мм.

Число пазовых делений ротора.

Отношение числа пазов к числу пазовых делений = 0,667.

Число пазов.

Окончательно принимаем.

МДС реакции якоря по прямоугольной волне на один полюс.

А.

МДС короткого замыкания статора, приведённая к обмотке ротора.

А.

Номинальная МДС возбуждения.

А.

Ожидаемая плотность тока.

А/мм2.

При принятой ширине меди bм2 = 35 мм высота меди ам2 = 7,9 мм; сечение проводника q'в2 = 271 мм2. По высоте принимаются два проводника в одном витке катушки. Принимаем высоту клина hk2 = 34 мм и толщину подклиновой изоляции hm = 10 мм. Материал клина - дюралюминий. Высота клина принята несколько меньше ширины паза, так как при р = 2 напряжение в зубцах ротора обычно не велики.

При принятых размерах остаётся место по высоте паза для размещения меди.

мм.

Возможное число витков в катушке будет.

,

здесь h21 = 1 мм - изоляция между витками катушки.

Принимаем Sп2 = 7.

Число витков обмотки возбуждения на полюс.

Окончательная высота паза.

мм,

где: h23 = 0,5.

Окончательная минимальная ширина зубца.

мм.

Предварительно номинальный ток возбуждения.

 А.

Задаёмся индукцией в зубцах ротора Тл.

Необходимое сечение зубцов ротора для получения принятой индукции.

м2.

Диаметр на расстоянии 0,2 h2, считая от дна паза.

мм.

Проекция обмотанной части ротора

Необходимая длина бочки ротора.

мм.

Средняя длина лобовой части обмотки ротора на одну сторону.

мм.

Средняя длина витка обмотки ротора.

мм.

Принимаем относительное сечение канала в витке обмотки ротора.



Расчётное сечение меди.

мм2.

Сопротивление обмотки ротора при 15°С.

Ом.

Сопротивление обмотки ротора при 75°С.

Ом.

Сопротивление обмотки ротора при 100°С.

Ом.

Напряжение возбуждения в номинальном режиме.

В

Относительная высота паза ротора.

Относительная площадь пазовых делений ротора.

Окончательная площадь пазовых делений.

мм2.

Шаг по пазам ротора.

мм

2. Электромагнитный расчёт

2.1 Расчёт точки холостого хода при номинальном напряжении.

мм.

мм.

мм.

мм.

Коэффициент ответвления потока в паз.

мм.

мм.

Проекция обмотанной части ротора на поперечную ось.

Сечение ярма статора на основании.

м2.

Сечение зубцов статора.

м2.

Сечение зазора.

 м2.

Сечение ротора по зубцам.

м2.

м2.

Сечение спинки ротора.

м2.

Диаметр центрального отверстия ротора.

мм

Коэффициент зазора, определяемый зубчатостью статора.

Коэффициент зазора, определяемый зубчатостью статора.



Коэффициент наличия вентиляционных каналов статора.

Рифление бочки ротора не предусмотрено.

Суммарный коэффициент зазора.

Коэффициент ответвления части магнитного потока в паз параллельно зубцу.

Индукция в ярме статора.

Тл.

Индукция в зубцах статора.

Тл.

Индукция в зазоре.

Тл.

Основная кривая намагничивания холоднокатаной электротехнической стали марки 3413 (поперёк проката) А/см.

Длина силовых линий в ярме статора.

мм.

Средний диаметр спинки статора.

мм.

МДС на ярмо.

А.

МДС на зазор.

А.

Переходная МДС.

А.

Высота меди и межвитковых прокладок в пазу ротора.

 мм.

Проводимость потока рассеяния зубцовой зоны, проходящего поперёк пазов.

Гн.

Поток рассеяния ротора.

Вб.

Полный поток ротора при холостом ходе.

Вб.

Индукция в зубцах ротора и ярме.

Тл.

Тл.

Тл.

Основная кривая намагничивания роторных поковок.

А/см.

А/см.

А/см.

МДС на зубцы и ярмо ротора.

А.

А.

Ток холостого хода при номинальном напряжении.

А.

Ток холостого хода, соответствующий МДС на зазор, при номинальном напряжении.

А.

Коэффициент насыщения магнитной цепи при холостом ходе и номинальном напряжении.

2.2 Расчёт тока возбуждения в номинальном режиме

Выражение для индуктивного сопротивления рассеяния пазовой части обмотки при соединении фаз звездой.

%,

где:

мм.

мм.

Выражение для корзиночной обмотки при немагнитном бандаже ротора.

%.

Сопротивление рассеяния статорной обмотки.

%.

Индуктивное сопротивление Потье.

%.

Ток возбуждения, эквивалентный реакции якоря.

А.

Номинальный ток возбуждения при нагрузке

А.

Окончательно плотность тока ротора.

 А/мм2.

Напряжение возбуждения ротора при номинальном токе возбуждения в горячем состоянии.

В.

Ток возбуждения, соответствующий номинальному току статора при установившемся трёхфазном коротком замыкании.

А

Статическая перегружаемость.

%.

Рисунок 1. Характеристика холостого хода и диаграмма Потье

Таблица 1. Расчёт характеристики холостого хода

U/Uн	0,7	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4
Ф0 Вб	2,79	3,98	4,38	4,78	5,17	5,57
Ва1 Тл	0,924	1,32	1,45	1,58	1,72	1,85
В1/3 Тл	1,20	1,71	1,88	2,05	2,22	2,39
На1 А/см	2,22	8,8	29	63,8	117	275
Нz1 А/см	2,43	8,4	30	242	693	1145
Fa1 A	138	546	1810	3981	7301	17160
F?? A	25100	43270	49330	54520	62370	67500
F' A	25238	43816	51140	58501	69611	84660
Фs Вб	0,172	0,290	0,348	0,398	0,473	0,576
Ф2 Вб	4,15	4,27	4,32	4,37	4,45	4,55
Bz0.2 Тл	1,81	1,86	1,88	1,90	1,94	1,98
Bz0.7 Тл	1,53	1,57	1,59	1,61	1,64	1,67
Ba2 Тл	0,857	0,882	0,890	0,902	0,919	0,940
Hz0.2 А/см	19,64	230	675	1360	2085	2910
Hz0.7 А/см	14,49	48,2	99	280	860	1700
Ha2 А/см	12,27	12,51	13,31	14,19	15,09	16,35
Fz2 A	274	2240	6231	13200	23710	37110
Fa2 A	473	482	513	547	582	611
F0 A	25985	46583	57884	72248	93903	122381
Io A	472	1330	1653	2064	2682	3496
I о.е.	0,67	1	1,2	1,55	2,07	2,77

2.3 Весовые характеристики

Масса меди обмотки статора.

кг.

Масса меди обмотки ротора.

кг.

Площадь спинки.

м2.

Масса спинки сердечника статора.

кг.

Площадь пазов статора.

мм2.

Площадь зубцов.

м2.

Масса зубцов сердечника статора.

кг.

Удельные расходы меди.

кг/(кВ*А).

Удельные расхода стали.

кг/(кВ*А).

Машинная постоянная Арнольда.

мм3/(мин*МВ*А).

3. Расчёт параметров

Индуктивное сопротивление реакции якоря.

%.

Продольное синхронное индуктивное сопротивление.

%.

Коэффициент рассеяния обмотки возбуждения.

.

Коэффициент магнитной проводимости.

Полное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки вобуждения.

%.

Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси.

%.

Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси.

 %.

Сверхпереходное индуктивное сопротивление по поперечной оси.

%.

При двухфазном коротком замыкании.

%

Индуктивное сопротивление для токов нулевого следования фаз при соединении фаз звездой.

%,

где:

мм.

мм.

мм.

Постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора.

 с.

Увеличенная постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора.

с.

Постоянная переходной составляющей тока при трёхфазном коротком замыкании обмотки статора.

с.

Постоянная сверхпереходной составляющей тока при трёхфазном коротком замыкании обмотки статора.

c.

Апериодическая составляющая тока статора затухает с постоянной времени.

с.

Сверхпереходные, переходные и установившийся токи при трёхфазном коротком замыкании.

о. е.

о. е.

о. е.

Ток внезапного двухфазного и однофазного короткого замыкания.

о.е.

о.е.

Номинальный вращающий момент.

Н*м.

Амплитуда пульсирующего с основной частотой момента при трёхфазном и двухфазном коротком замыкании.

Н*м.

Н*м.

Момент, пульсирующий с двойной частотой.

Н*м.

4. Расчёт потерь и КПД

Потери холостого хода

Основные электромагнитные потери холостого хода определяются в спинке сердечника статора и его зубцах.

Потери в спинке.

кВт.

Потери в зубцах.

кВт.

Ориентировочные добавочные потери холостого хода.

кВт.

Сумма потерь холостого хода.

кВт.

Потери короткого замыкания.

Основными электромагнитными потерями в режиме короткого замыкания считаются омические потери в меди проводников статора всех трёх фаз.

кВт.

Число сплошных проводников в пазу по высоте.

.

Число сплошных проводников в реальном пазу по высоте.

.

Число проводников в пазу по высоте при полых проводниках.

.

Число полых проводников по высоте в реальном стержне.

.

Если в пазу расположены два стержня, обтекаемые одинаковыми токами, то средний коэффициент вытеснения тока при частоте 50 Гц для паза будет.

.

Характеристики полых проводов прямоугольного сечения марки ПСДП по ГОСТ 16774--78.

Коэффициент вытеснения тока для паза с двумя стержнями, набранными из полых проводников.

.

Добавочные потери в меди проводников обмотки статора.

кВт.

Потери в торцевой зоне турбогенератора.

кВт.

Добавочные потери в активной зоне машины.

кВт.

Суммарные потери короткого замыкания.

кВт.

Потери на возбуждение.

 кВт.

Механические потери.

Приблизительная масса ротора.

кг.

Диаметр шейки вала.

мм.

Длина шейки вала.

мм.

Потери в двух подшипниках.

кВт.

Потери на трение бочки ротора и бандажей о воздух.

 кВт.

При давлении водорода в корпусе в 4 раз выше атмосферного потери на трение будут составлять.

кВт.

Отводимые водородом потери.

кВт.

Расход водорода.

м3/с.

Напор вентилятора.

Па

Потери на вентиляцию.

кВт.

Сумма механических потерь.

 кВт.

Сумма потерь и КПД при номинальной нагрузке.

кВт.

%.

5. Тепловой расчёт

Сердечник статора

Принимаем одноструйную систему вентиляции с числом горячих струй nc = 1. По воде последовательно соединяются два стержня nвп = Z1 = 84.

Расход водорода через один вентиляционный канал.

м3/с.

Средняя скорость водорода в зоне спинки и в зубцовой зоне.

м/с.

м/с.

Коэффициент теплоотдачи для узких вентиляционных каналов сердечника статора.

Вт/(м2*К).

Вт/(м2*К).

Суммарная поверхность охлаждения сердечника статора.

м2.

Средний коэффициент теплоотдачи сердечника в вентиляционном канале.

 Вт/(м2*К).

Потери в сердечнике по длине одного пакета и канала.

Вт.

Превышение температуры активной стали над температурой холодного водорода.

°С.

Обмотка статора.

Расход охлаждающей воды в обмотке.

м3/с.

Превышение температуры меди.

°С.

Скорость воды в обмотке статора.

м/с.

Обмотка ротора.

Предварительна длина отсека с забором и выпуском водорода.

мм.

Число горячих отсеков.

Окончательная длина отсека с забором и выпуском водорода.

мм.

Окружная скорость ротора при fн = 50 Гц.

м/с.

Скорость водорода в канале.

м/с.

Расход водорода через один отсек и паз.

м3/с.

Потери в пазу обмотки возбуждения по длине двух смежных отсеков.

Вт.

Сопротивление обмотки возбуждения по длине двух смежных отсеков.

 Ом.

Нагрев водорода внутри обмотки.

°С.

Коэффициент a для каналов типа трубок с круглым или прямоугольным сечением.

Вт/(м2*К).

Площадь поверхности охлаждения каналов в пределах двух смежных отсеков.

м2.

Температурный перепад между медью и водородом в канале.

°С.

Среднее превышение температуры меди обмотки над температурой входящего водорода.

°С.

6. Механический расчёт

6.1 Зубец и клин ротора

Шаг по верху зубца.

мм.

Размер по верху зубца.

мм.

Диаметр по основанию клина.

мм.

Шаг по основанию клина.

мм.

Размер по основанию клина.

мм.

мм.

мм.

Диаметр по дну паза.

 мм.

Шаг по дну паза.

мм.

Размер зубца по дну паза.

мм.

Диаметры центров тяжести:

головки зубца и клина.

мм.

меди и изоляции.

мм.

зубца.

мм.

Удельная масса меди в пазу.

кг/мм.

Удельная масса меди лобовой части обмотки на одну сторону.

 кг/мм.

Удельная масса изоляции.

кг/мм.

Удельная масса клина.

кг/мм.

Удельная масса головки зубца.

кг/мм.

Удельная масса зубца, включая головку.

кг/мм.

Разгонная частота вращения ротора.

об/мин.

Центробежная сила при разгонной частоте вращения ротора:

содержимого паза.

Н/мм.

головки зубца.

Н/мм.

зубца.

Н/мм.

где:

l/с2.

Равнодействующая сила, растягивающая зубец.

Н/мм.

Напряжения растяжения в корне зубца от центробежных сил зубца и обмотки.

Мпа.

Напряжения растяжения в ослабленном сечении головки зубца.

Мпа.

Коэффициент характеризующий увеличение напряжений в клине за счет вентиляционных отверстий в нем

Максимальные напряжения среза в головке зубца и в клине.

Мпа.

Мпа.

6.2 Тело бочки ротора

Отношение диаметра центрального отверстия к диаметру бочки ротора по дну паза.

мм.

Высота спинки бочки ротора.

мм.

Центробежная сила спинки бочки ротора.

Н/мм.

Центробежная сила, действующая на спинку бочки ротора от зубцовой зоны.

 Н/мм.

Тангенциальные напряжения на поверхности центрального отверстия.

Мпа.

Предел текучести материала вала.

МПа.

Принимаем вал с пределом текучести Мпа.

Допустимое напряжение среза в дюралюминиевом клине.

Мпа

6.3 Расчёт бандажного узла

Средняя радиальная толщина бандажного узла.

мм.

Осевая длина центрирующего кольца.

мм.

Осевая длина бандажного кольца.

мм.

Диаметр посадки бандажного кольца на центрирующее кольцо.

мм.

Наружный диаметр бандажного кольца.

мм.

Диаметр посадки бандажного кольца на заточку ротора.

мм.

Диаметр посадки центрирующего кольца на вал.

мм.

Площадь радиального сечения бандажного кольца.

мм2.

Отношение внутреннего диаметра бандажного кольца к наружному.

.

Диаметр центра тяжести центрирующего кольца.

мм.

Площадь радиального сечения центрирующего кольца.

мм.

Отношение внутреннего диаметра центрирующего кольца к наружному.

.

Центробежная сила бандажного кольца при 1000 об/мин.

Н.

Центробежная сила лобовой части обмотки при 1000 об/мин.

Н.

Средняя центробежная податливость бандажного кольца.

мм/Н.

Коэффициент деформации бандажного кольца по внутреннему диаметру.

мм.

Центробежная сила центрирующего кольца при 1000 об/мин.

Н.

Средняя центробежная податливость центрирующего кольца.

мм/Н.

Коэффициент деформации центрирующего кольца по наружному диаметру.

мм.

Коэффициент деформации зубцов.

.

.

.

.

Коэффициент деформации зубцов ротора.

мм.

Средняя центробежная податливость бочки ротора.

мм2/Н.

Коэффициент деформации бочки ротора.

мм.

Разделительные частоты вращения: бандажного и центрирующего колец об/мин, бандажного кольца и бочки ротора об/мин, центрирующего кольца и вала об/мин.

Податливость бандажного кольца от посадочных усилий.

мм2/Н.

Натяг посадки бандажного кольца на бочку ротора.

мм.

Натяг посадки бандажного кольца на центрирующее кольцо.

мм.

Остаточный натяг бандажного кольца на бочку ротора при разгонной скорости вращения.

мм.

Остаточный натяг бандажного кольца на центрирующее кольцо при разгонной скорости вращения.

мм.

Усилие между элементами посадки бандажного кольца на бочку ротора.

Н.

Усилие между элементами посадки бандажного кольца на центрирующее кольцо.

Н.

Напряжение бандажного кольца от центробежных сил.

 Мпа.

Напряжение бандажного кольца в месте посадки на бочку ротора.

Мпа.

Напряжение бандажного кольца в месте посадки на центрирующее кольцо.

Мпа.

Напряжение центрирующего кольца от центробежных сил.

Мпа.

Напряжение центрирующего кольца от посадки.

Мпа.

Суммарные напряжения.

Мпа.

Мпа.

Мпа.

Температура нагрева бандажного кольца, необходимая для насадки его на центрирующее кольцо.

°С.

Температура нагрева бандажного кольца, необходимая для насадки его на бочку ротора.

°С.

Список используемой литературы

1. Г.М. Хуторецкий, М.И. Токов, Е.В. Толвинская - Проектирование турбогенераторов.

Размещено на Allbest.ru