Размеры, масса и конструкция

Гидрогенераторы – это самые большие генераторы из всех существующих по массе, габаритным размерам и крутящему моменту (рис.3.3) [6].

 

Рис.3.3. Статор гидрогенератора [45]

Причина этого: небольшая частота вращения гидрогенераторов при большой номинальной мощности, что с учетом формулы (3.4) может быть реализовано при значительных размерах генератора:

D ² l º P/АВ _δ n (3.5)

Отличия в размерах гидрогенераторов от турбогенераторов сопоставимой мощности

Турбогенераторы имеют относительно небольшие диаметры ротора (1,3м – 1,8 м) и сравнительно большую длину (до 6 м).

Гидрогенераторы при их малых частотах вращения могут иметь (и имеют) очень большие диаметры ротора – до 16 м (корпуса – до 20 м [9]) и относительно небольшую длину – до 3,5 м.

Примеры:

- диаметр ротора гидрогенераторов Красноярской ГЭС: 16 м [7].

- диаметр ротора гидрогенераторов Братской ГЭС: 10 м [7].

Масса крупных гидрогенераторов превышает тысячу тонн, например:

- масса гидрогенератора на Саяно-Шушенской ГЭС: 1790 тонн.

- масса гидрогенератора на Красноярской ГЭС: 1640 тонн [7].

- масса гидрогенератора на Братской ГЭС: 1450 тонн[7].

Для генераторов, имеющих большие радиальные размеры или вращающихся с большой частотой вращения n, большое внимание следует уделять вопросам механической прочности ротора.

Важным параметром здесь является окружная скорость, т.е. линейная скорость точек поверхности ротора, [м/с]:

V =π Dn /60,

где D - диаметр ротора гидрогенератора

Окружная рабочая скорость гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС составляет 88,5 м/с, угонная окружная скорость (см. Раздел 3.16.3) – 174 м/с [44].

По конструкции гидрогенераторы можно разделить на:

а) горизонтальные (с горизонтальным расположением вала);

Среди них отдельно выделим капсульные гидрогенераторы для малых ГЭС (рис.3.4)

Рис. 3.4. Капсульный гидрогенератор [32]

1 - капсула; 2 - статор генератора; 3 - ротор генератора; 4 - направляющий аппарат турбины; 5 - ротор гидравлической турбины;

6 и 8 - подшипники; 7 - вал

 

Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку, или капсулу, которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Корпус статора генератора является одновременно частью капсулы гидроагрегата.

Капсульное исполнение гидроагрегата дает возможность увеличить пропускную способность турбины и единичную мощность при заданном напоре, что делает рациональным ее применение для низконапорных гидростанций. Капсульные гидрогенераторы изготавливаются на мощности до нескольких десятков мегаватт [32].

Так как капсульные гидроагрегаты встраиваются непосредственно в водосливную плотину, при строительстве ГЭС существенно уменьшается общий объем бетонных работ.

Так как диаметр капсульных гидрогенераторов значительно меньше диаметра гидрогенераторов обычного исполнения с теми же номинальными данными, моменты инерции их роторов существенно ниже. Вследствие малого момента инерции ускорение ротора при пуске и замедление при остановке получается большим.

б) вертикальные (с вертикальным расположением вала).

Крупные гидрогенераторы (тихоходные с большой мощностью) выполняются с вертикальным расположением вала (вертикальное исполнение).

Причины:

- при горизонтальном исполнении и больших размерах и массе сложно (практически невозможно [27]) обеспечить необходимую жесткость статора, ротора и вала; решение этой задачи приводит к еще большему утяжелению гидрогенератора [9];

- при горизонтальном исполнении сложно обеспечить требуемую грузоподъёмность подшипников [27];

- вертикальные гидрогенераторы проще собирать, обслуживать и ремонтировать [9].

Для транспортировки по железной дороге статор и ротор крупных гидрогенераторов выполняются составными (состоящими из нескольких секторов). Это значительно усложняет конструкцию гидрогенератора. Полная сборка гидрогенератора производится непосредственно на гидроэлектростанции [9].

 

Охлаждение

Общие принципы охлаждения крупных машин смотри в Разделе 2.10.

В крупных гидрогенераторах применяются следующие способы охлаждения:

- воздушное (как пример: дополнительно с использованием воздухоохладителей – трубопроводов, по которым циркулирует вода, воздух, соприкасаясь с ними, охлаждается, и после этого поступает в машину для охлаждения ее нагретых частей);

- водяное (более эффективное, используется для гидрогенераторов большой мощности);

- воздушно-водяное (наиболее распространено [27]) (водяное – для наиболее напряженных в тепловом отношении элементов – обмотки якоря).

Повышение интенсивности охлаждения позволяет снизить расход изоляции, меди и активной стали.

Водородное охлаждение в гидрогенераторах не применяется ввиду больших размеров ротора и трудностей герметизации корпуса генератора [39].