Проектирование турбогенератора

Федеральное агентство по образованию РФ

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ  им. В. В. Куйбышева)

Кафедра автоматизации и управления техническими системами

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  ТУРБОГЕНЕРАТОРА

Расчетно-пояснительная  записка

к курсовому  проекту по электрическим машинам

Выполнил студент Э – 6011 гр.

Деркач А.С.

Принял преподаватель 

Проскуренко С.С.

Владивосток

2008

Оглавление

Задание на курсовое проектирование…………....……………………………………….3

1. Определение номинальных величин……………………………………….…….5

2. Выбор основных геометрических размеров……………………………….….…5

3. Расчет числа пазов, размеров зубцовой зоны и обмотки статора………...…..7

4. Расчет числа пазов, зубцовой зоны ротора и обмотки возбуждения………...13

5. Расчет магнитной цепи и определение базисной МДС………………….….…18

6. Индуктивные сопротивления обмоток и постоянные времени…………...…23

7. Токи и моменты при коротком замыкании………………………………….…25

8. Весовые характеристики турбогенератора……………………………..…....…26

9. Диаграмма Потье. Номинальный ток возбуждения. Регулировочная характеристика………………………………………………...……………………27

10. Оценка спроектированного турбогенератора……………………….………….29

Список литературы………………………………………………………………...……....30

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Спроектировать трехфазный синхронный генератор (турбогенератор), имеющий  следующие технические данные:

номинальная мощность (активная) Р_Н  = 190 МВт;

номинальное напряжение                   U_Н = 18 кB;

соединение обмотки статора     -   звезда  (Y);

синхронная частота вращения            n₁ = 3000 об/мин;

частота напряжения                               f₁ = 50 Гц;

охлаждение обмотки ротора непосредственное водородом,

обмотки статора - водой.

Значения КПД,  коэффициента мощности,  отношения  короткого замыкания  должны соответствовать требованиям  ГОСТ 533-85Е.

Вариант технического задания  на проектирование турбогенератора задаётся руководителем проекта.

 

   Согласно заданию необходимо  спроектировать трехфазный синхронный  генератор (турбогенератор) мощностью  190 МВт, частотой вращения поля 3000 об/мин, напряжением 18 кВ при частоте 50 Гц.

   Система охлаждения обмотки  статора – непосредственная водой  обмотки ротора – непосредственно  водородом. В качестве базовой  модели принята конструкция турбогенератора  типа ТВВ. При проектировании  использованы методика и рекомендации, содержащиеся в методическом  указании к курсовому проектированию  по электрическим машинам для  студентов специальностей 140204, 140205.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМИНАЛЬНЫХ ВЕЛИЧИН

1. Число пар полюсов

   где f₁ и n₁ - частота сети и синхронная частота вращения турбогенератора в об/мин.

2. Номинальное фазное напряжение

 

   где U_н - линейное номинальное напряжение в кВ (см. задание на курсовое проектирование).

1.3. Полная номинальная мощность

   где P_н - номинальная активная мощность (смотри задание на курсовое проектирование); cosφ_Н - коэффициент мощности, рис. 1.1.

1.4. Номинальный ток обмотки статора

1.5. Машинная постоянная Арнольда  С_А определяется в зависимости от номинальной мощности по рис. 1.2. Постоянная С_А характеризует использование активного объема турбогенератора и пропорциональна объему расточки статора на единицу мощности машины (произведению квадрата диаметра внутренней расточки статора D₁ на активную длину стали статора l₁).

С_А = 7,7·10¹⁰  мм³ /мин•МВА

2. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ  РАЗМЕРОВ

2.1. Внутренний диаметр статора  находим по рис.1.2 в зависимости  от мощности S_н

D₁ = 1180  мм.

   По рис.2.1 для найденного значения диаметра D₁ уточняем значение постоянной С_А

С_А = 7,65 · 10¹⁰  мм³/мин ·МВА.

   Принимаем С_А=7,65 · 10¹⁰  мм³/мин · МВА.

2.2. Наружный диаметр бочки ротора (предварительно) D₂ находим по рис. 1.2. Полученное значение D₂ = 1010 мм уточняем по нормальному ряду диаметров роторов двухполюсных турбогенераторов

 

D₂ = 1000 мм .

2.3. Активная длина стали статора  (предварительно)

   Принимаем l₁ = 4095 мм.

2.4. Длина активной части бочки  ротора (предварительно)

мм.

Обычно l₁ ≤ l₂ ≤ l₁ + 150.

2.5. Отношение   активной   длины   к  диаметру   для   статора   и   ротора соответственно

 

   Отношения λ₁ и λ₂ определяют массу меди обмоток статора и ротора и обычно находятся в пределах (2÷6).

   По полученным значениям λ₁ и λ₂ из рис.2.2 находим в относительных единицах (о.е.) массу меди обмоток статора G_м1 и ротора G_м2.

   Масса меди обмоток статора

G_м1 = 1,01 (о.е.).

    Масса меди обмоток ротора

G_м2 = 1,005 (о.е.).

2.6.   Критические  частоты   вращения  определяем по  рис.2.3

n_к1 = 3000 об/мин,

 n_к2 = 4160 об/мин.

   Частоты n_к1 и n_к2 не находятся в заштрихованной области, значит этот вариант геометрических размеров приемлем для расчета.

2.7. Воздушный зазор машины (предварительно)

 

   где A_Н=1440 А/см - номинальная линейная токовая нагрузка машины, определяется по рис. 2.4;

B_δН=0,87 Тл – индукция   в зазоре машины, (рис.2.4);

ОКЗ=0,52 - отношение короткого замыкания, (рис.2.5);

τ₁ - полюсное деление

 

Окончательно  зазор машины

 

  где δ₂ = 82 мм – зазор машины, найденный по рис. 2.6.

   Принимаем   δ = 80 мм.

2.8. Окончательное  значение диаметра расточки статорам

 

3. РАСЧЕТ ЧИСЛА  ПАЗОВ, РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ  И ОБМОТКИ СТАТОРА

3.1.   Число  параллельных ветвей  α выбирается по табл.3.1

α = 1.

3.2. Объем тока  в пазу

 

   где s_n1 = 2 - число активных проводников в пазу.

   Объем тока в пазу I_n для обмоток статора с непосредственным охлаждением может лежать в пределах (4000 ÷ 30000)А.

3.3. Зубцовый шаг  по расточке статора

 

 По условиям высокого использования сечения паза рекомендованное значение шага при непосредственном охлаждении t₁ = (45 - 120) мм, при этом отношение δ/t₁ должно быть больше 0,5 (δ/t₁ > 0,5).

3.4. Число пазов  обмотки статора (предварительно)                

        

Окончательное значение Z₁ и число пазов на полюс и фазу q нужно выбрать по табл.3.2.   

   Принимаем         Z₁ = 36;

                                   q = 6;

                                   α = 1.

                                                                 

3.5. Окончательное значение зубцового  шага

3.6. Окончательное значение линейной  нагрузки

   Уточненное значение линейной нагрузки A_Н отличается от ранее выбранного (п.2.7)  на 1,696%.

 

3.7. Шаг обмотки  (предварительно)

   где β - относительный шаг обмотки. Предварительно принимается  β = 5/6,

   τ_п  - полюсное деление машины, измеряемое числом пазов

   Шаг округляется до ближайшего целого числа , после чего определяется окончательное значение относительного шага

3.8. Коэффициент укорочения обмотки  для первой гармоники

   обмоточный коэффициент k_об1 находится по табл.3.3  k_об1 = 0,924.

3.9. Число последовательно соединённых  витков в фазе обмотки

 

3.10.    Полный   поток   первой   гармоники   МДС   при   холостом   ходе   и номинальном напряжении, при соединении обмотки в звезду

 

3.11. Ширина паза  статора (предварительно)

 

   где b_n1/t₁ = 0,37 – отношение ширины паза к зубцовому делению рекомендуется принять в пределах 0,3 ÷ 0,45.

3.12. Ширина элементарного  проводника (предварительно)

 

   где Δ  = 12.8 мм – общая двухсторонняя толщина изоляции на паз по ширине, табл.3.4;

   n_ш - число элементарных проводников по ширине паза, n_ш=2;

   Δb_М1 - толщина изоляции элементарного провода, Δb_М1 = 0,3 мм.

   По условиям оптимального заполнения паза медью по его ширине необходимо, чтобы выполнялось условие 2Δb_М1 ≥ Δ , b_М1 < 12,5 мм,             b_М1 > 7,5 мм.

   Окончательно ширина проводника b_М1 принимается по табл. 3.5 в соответствии с существующими нормалями на медь обмоточную.

b_М1 = 11.8 мм.

3.13. Предварительно  плотность  тока  в  обмотке   статора определяется по рис. 3.1

j₁ = 6.2  А/мм².

3.14. Площадь сечения  стержня обмотки статора  (предварительно)

 

3.15. Высота полого  элементарного проводника при  коэффициенте вытеснения тока  k_ф = 1,6 (предварительно)

 

   где Км = 0,702 - отношение площади меди к полному сечению полого проводника, включая и канал, находится по табл.3.5;

   Ψ = 1,6 -   функция,   зависящая   от   отношения   высот   сплошного   и   полого проводников.

   Для  α_мспл/ α_мпол = 0,4,  N = 3,  Ψ = 1,6.

   Окончательно  высота полого проводника принимается  по табл. 3.5

α_мпол= 5мм.

   Высота сплошного проводника

 

   Окончательные размеры полого проводника по табл. 3.5

(b_М1×α_мпол) = 11.8×5 мм,   q_мпол = 41.1 мм².

   Окончательные размеры сплошного проводника по табл. 3.6

(b_М1×α_мспл) = 11.8×2 мм,   q_мспл = 23,24 мм².

3.16. Сечение меди  одной группы

q_г = q_мпол + Nq_мспл = 41.1 + 3·23.24 = 110.82 мм².

3.17. Число групп  в одном стержне

 

   Принимаем m_г =10.

   Уточняем сечение стержня

q_a1 = m_г · q_г = 10 · 110.82 = 1108,2  мм²,

 плотность  тока в обмотке статора

  

и проверяем произведение А_н j₁, которое для турбогенераторов серий ТВВ обычно составляет (6500-20000) А² /(см×мм²)

 

 

   Уточненное значение плотности тока j₁ отличается от ранее выбранного (п.3.13)  на 4,35 %.

3.18. Окончательная ширина паза

b_n1 = n_ш · (b_м1 + Δb_м1) + Δ = 2 · (11.8 + 0,3) + 11.8= 37 мм .

   Найденное значение b_n1 незначительно (менее чем на 2 мм) отличается от полученного в пункте 3.11 значения.

3.19. Высота паза

   где  h_тр - место по высоте стержня для транспозиции

h_1С  = 36.3 мм – суммарная толщина изоляции по высоте паза (табл.3.4);

h_кл - высота клина

   принимаем h_кл = 37 мм.

  

3.20. Проверка отношений  h₁/D₁  и  h₁/b_n1

h₁/D₁ = 206/1160 = 0,178,   h₁/D₁ = (0,16 - 0,21);

h₁/b_n1 = 206/37 = 5.568        (h₁/b_n1) ≤ 7-8.

    

3.21. Окончательное значение длины  сердечника статора

 

   Принимаем  l₁ = 4330 мм.

   Длина    l₁    отличаться    от    значения,    определенного в пункте  2.3,  на ≈303 мм.

3.22. Число    радиальных    вентиляционных    каналов   для    радиальной вентиляции  активной стали сердечника статора

   где b_р - ширина пакета, b_р = 50-75 мм, принимаем b_р = 62 мм;

   b_к - ширина вентиляционного канала, обычно b_к = 5-10 мм,

принимаем b_к = 7 мм.

   Число каналов округляем  до целого числа

n_к = 62.

3.23. Активная длина стали без  каналов

3.24. Эффективная длина стали

   где  k_С  - коэффициент заполнения пакета сталью. Для лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм  k_С  =0,93.

3.25. Площадь спинки статора

   где B_a1 - индукция в спинке статора, Тл, выбирается по табл.3.7.

B_a1 = 1,45 Тл

3.26. Высота спинки статора

 

 

3.27. Внешний диаметр  сердечника статора

   Принимаем D_a =2375 мм.

  

3.28. Длина витка обмотки статора

   где l_S1 - длина лобовой части обмотки

l_S1 = 2,5 · D₁ = 2,5 · 1160 = 2900 мм.

3.29. Сопротивление обмотки статора  постоянному току при 15° и  75° С

 

 

 

3.30. Сопротивление  обмотки статора в относительных  единицах  (о.е.).

 

   Сопротивление  r_1(75)*  должно находиться в пределах 0,002÷0,008.

Чертеж паза статора  и спецификация (Приложение 1).

 

4. РАСЧЕТ ЧИСЛА  ПАЗОВ, ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ РОТОРА  И ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

4.1. Напряжение  в корне зубцов ротора σ_z определяется по рис.4.1

σ_z = 240 МПа.

4.2.  По номограмме  из приложения 2 определяются следующие  величины:

h₂ = 152,42 мм – высота паза для обмотки возбуждения (предварительно);

Σq_n - площадь пазовых делений

 мм,

где - число пазовых делений на поверхности ротора,

b_n2 - ширина паза;

σ₀ = 207 МПа – напряжение  на поверхности центрального отверстия от центробежных сил;