История электротехники

На заводе «Сибэлектротяжмаш» (г. Новосибирск) был освоен турбогенератор мощностью 500 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с масляным охлаждением обмотки статора и сердечника и водяным охлаждением обмотки ротора. Внутрь расточки статора вводится и герметично закрепляется в щитах цилиндр из стеклоленты. Масло с одной стороны статора проходит в другую через каналы в стержнях обмотки и через аксиальные отверстия в сердечнике. Вода к обмотке ротора поступает через валопровод. Напряжение статорной обмотки равно 35 кВ, что существенно облегчает токоподводы от генератора к повышающему трансформатору.

В организацию производства, методы расчета, технологические процессы и конструкции рассмотренных уникальных турбогенераторов решающий вклад внесли П.Е. Базунов, К.Ф. Потехин и К.Н. Масленников.

Существенные работы были проведены на Лысьвенском турбогенераторном заводе (г. Лысьва, Пермской обл.) в области турбогенераторов средней мощности. Особенно высокую оценку получили синхронные двухполюсные двигатели мощностью 630–12 500 кВт, напряжением 6 и 10 кВ. Они применяются в приводах нефтяных насосов магистральных нефтепроводов, нагнетателей магистральных газопроводов, воздуходувок доменных печей, газовых компрессоров химических производств и др. Их освоение было закончено в 1980 г.

По сравнению с предыдущей серией масса двигателей новой серии снижена в 1,5–2 раза, повышен КПД на 0,5–2%, снижена трудоемкость изготовления в 1,5 раза и увеличен объем выпуска в 3 раза без увеличения производственных площадей. По своему техническому уровню двигатели превысили показатели лучших мировых образцов. Наиболее существенный вклад в расчеты и конструкции двигателей внесли Э.Ю. Флейман и В.П. Глазков, а в системы возбуждения — С.И. Логинов.

Подводя итоги исторического развития турбогенераторов в послевоенные годы, следует отметить успехи научно-технической деятельности коллективов нескольких заводов, в результате чего были созданы и освоены в производстве турбогенераторы различных конструкций. Однако наличие различных конструкций усложняет проектирование и строительство электростанций, монтажные, наладочные и ремонтные работы, а также обеспечение запасными частями. Поэтому в рамках одной страны становится желательным выпуск машин единой конструкции. В зарубежной практике (Франция, Англия, Швеция, Швейцария) эта проблема решается путем объединения электротехнических фирм и специализации производства. В нашей стране с целью создания единой унифицированной серии турбогенераторов для всех заводов была разработана и выполнена обстоятельная программа исследований и разработок машин единой серии (научный руководитель И.А. Глебов, зам. научного руководителя Я.Б. Данилевич, главный конструктор Г.М. Хуторецкий, главный технолог Ю.В. Петров). Требования к новой серии формулировались с участием специалистов стран-членов Совета экономической взаимопомощи. В основу серии были положены турбогенераторы с водоводородным охлаждением производства объединения «Электросила», поскольку их число было наибольшим и имелся положительный опыт их эксплуатации во всем диапазоне мощностей от 63 до 800 МВт при частоте вращения 3000 об/мин. Освоение турбогенераторов единой унифицированной серии началось в 1990 г.

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.

^{Рис. 6.3. Общий вид ударного турбогенератора (инерционного накопителя энергии)}

^{1,2,3 — подшипник, статор и вал ротора турбогенератора 200 МВт соответственно; 4,5,6 — подшипник, вал, кожух маховика соответственно; 7 — асинхронный двигатель; 8 — фундаментные плиты} 

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.

^{Рис. 6.4. Испытательный стенд со сверхпроводниковым турбогенератором мощностью 20 MB•А (в центре рисунка)} 

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.