Come sono disposti i turbo sincroni e gli idrogeneratori?

Nelle centrali idroelettriche i generatori sono azionati da turbine idrauliche che ruotano a velocità da 68 a 250 giri/minuto, mentre nelle centrali termiche l'energia elettrica è generata da gruppi turbina costituiti da una turbina a vapore e da un generatore a turbina. Per un migliore utilizzo dell'energia del vapore, le turbine sono costruite come turbine ad alta velocità con una velocità di rotazione di 3000 giri/min.Gli impianti termici sono disponibili anche nelle grandi imprese industriali.

Gli alternatori sono più semplici nel design e possono essere costruiti con una potenza significativamente maggiore rispetto ai generatori CC.

La maggior parte delle macchine sincrone utilizza un design invertito rispetto a macchine a corrente continua, cioè. il sistema di eccitazione si trova sul rotore e l'avvolgimento dell'indotto sullo statore. Ciò è dovuto al fatto che è più facile fornire una corrente relativamente bassa alla bobina di eccitazione attraverso contatti striscianti piuttosto che fornire corrente alla bobina operativa. Il sistema magnetico di una macchina sincrona è mostrato in Fig. 1.

I poli di eccitazione della macchina sincrona si trovano sul rotore.I nuclei dei poli degli elettromagneti sono realizzati allo stesso modo delle macchine a corrente continua. Sulla parte fissa, lo statore, è presente un nucleo 2, costituito da lamiere isolate di acciaio elettrico, nei cui canali è presente una bobina di lavoro per corrente alternata, solitamente trifase.

Riso. 1. Sistema magnetico di una macchina sincrona

Quando il rotore ruota, viene indotta una fem alternata nell'avvolgimento dell'indotto, la cui frequenza è direttamente proporzionale alla velocità del rotore. La corrente alternata che scorre attraverso la bobina di lavoro crea il proprio campo magnetico. Il rotore e il campo della bobina di lavoro ruotano alla stessa frequenza — in modo sincrono… Nella modalità motore, il campo di lavoro rotante porta con sé i magneti del sistema di eccitazione, e nella modalità generatore, viceversa.

Vedi qui per maggiori dettagli: Scopo e disposizione delle macchine sincrone

Prendi in considerazione la progettazione delle macchine più potenti: turbo e idrogeneratori... I generatori a turbina sono azionati da turbine a vapore, che sono più economiche alle alte velocità. Pertanto, i generatori a turbina sono realizzati con un numero minimo di poli del sistema di eccitazione - due, che corrisponde a una velocità di rotazione massima di 3000 giri / min a una frequenza industriale di 50 Hz.

Il problema principale dell'ingegneria del turbogeneratore è la creazione di una macchina affidabile con valori limite di carichi elettrici, magnetici, meccanici e termici. Questi requisiti lasciano un'impronta sull'intero design della macchina (Fig. 2).

Riso. 2. Vista generale del generatore a turbina: 1 - collettori rotanti e spazzole, 2 - cuscinetto, 3 - rotore, 4 - fascia del rotore, 5 - avvolgimento dello statore, 6 - statore, 7 - avvolgimenti dello statore, 8 - ventola.

Il rotore di un generatore a turbina è realizzato sotto forma di un solido forgiato con un diametro fino a 1,25 m, una lunghezza fino a 7 m (parte lavorante). La lunghezza totale della forgiatura, tenendo conto dell'albero, è di 12 - 15 m I canali sono fresati sulla parte lavorante, in cui è posizionata la bobina di eccitazione. Si ottiene così un elettromagnete bipolare cilindrico senza poli chiaramente definiti.

Nella produzione di generatori a turbina vengono utilizzati i materiali e le soluzioni progettuali più recenti, in particolare il raffreddamento diretto delle parti attive mediante getti di un agente di raffreddamento - idrogeno o liquido.Per ottenere una potenza elevata, è necessario aumentare la lunghezza della macchina, che le conferisce un aspetto molto particolare.

I generatori idroelettrici (Fig. 3) differiscono notevolmente nella costruzione dai generatori a turbina. L'efficienza del funzionamento della turbina idraulica dipende dalla velocità del flusso d'acqua, ad es. sforzo. È impossibile creare un'alta pressione sui fiumi piatti, quindi le velocità di rotazione della turbina sono molto basse, da decine a centinaia di giri al minuto.

Per ottenere una frequenza industriale di 50 Hz, tali macchine a bassa velocità devono essere realizzate con un numero elevato di poli. Per accogliere un gran numero di poli, è necessario aumentare il diametro del rotore dell'idrogeneratore, a volte fino a 10-11 m.

Riso. 3. Sezione longitudinale di un generatore di idrogeno a ombrello: 1 - mozzo del rotore, 2 - corona del rotore, 3 - polo del rotore, 4 - nucleo dello statore, 5 - avvolgimento dello statore, 6 - traversa, 7 - freno, 8 - cuscinetto reggispinta, 9 — manicotto del rotore.

Costruire potenti turbo e idrogeneratori è una sfida ingegneristica.È necessario risolvere una serie di problemi di calcoli meccanici, elettromagnetici, termici e di ventilazione e garantire la producibilità della struttura in produzione. Solo potenti team e aziende di progettazione e produzione possono gestire queste attività.

Molto interessanti sono le strutture di diverso tipo. micromacchine sincrone, in cui sono ampiamente utilizzati sistemi a magneti permanenti e reattivi, ad es. sistemi in cui il campo magnetico di lavoro interagisce non con il campo magnetico di eccitazione, ma con i poli salienti ferromagnetici del rotore, che non hanno un avvolgimento.

Eppure la principale area tecnologica in cui oggi le macchine sincrone non hanno concorrenti è l'energia. Tutti i generatori delle centrali elettriche, dai più potenti a quelli mobili, sono basati su macchine sincrone.

Quanto a motori sincroni, allora il loro punto debole è il problema di avvio. Di per sé, un motore sincrono di solito non può accelerare. Per fare ciò, è dotato di una speciale bobina di avviamento che funziona secondo il principio di una macchina asincrona, il che complica il design e il processo di avviamento stesso. I motori sincroni sono quindi generalmente disponibili con potenze medio-alte.

La figura seguente mostra la costruzione di un generatore a turbina.

Il rotore 1 del generatore è realizzato in acciaio forgiato, in cui sono fresate le scanalature per la bobina di eccitazione, azionata da una speciale macchina DC 10, chiamata eccitatrice. La corrente all'avvolgimento del rotore viene fornita attraverso anelli collettori chiusi dall'alloggiamento 9, i fili dell'avvolgimento del rotore sono collegati ad essi.

Durante la rotazione, il rotore produce una grande forza centrifuga.Nelle scanalature del rotore, l'avvolgimento è trattenuto da cunei metallici e gli anelli di tenuta in acciaio 7 sono premuti contro le parti anteriori.

Lo statore è assemblato da fogli stampati 2 di acciaio elettrico speciale, che sono rinforzati in un telaio 3 saldato da lamiera d'acciaio. Ogni foglia dello statore è composta da più parti, chiamate segmenti, che sono fissate con 4 bulloni.

Nei canali dello statore viene posata una bobina 6, nei cui fili vengono indotte forze elettromotrici quando il rotore ruota. Le forze elettromotrici dei fili di avvolgimento collegati in serie aumentano e ai terminali 12 viene generata una tensione di diverse migliaia di volt. Quando le correnti fluiscono tra i fili di avvolgimento, vengono create grandi forze. Pertanto, le parti anteriori dell'avvolgimento dello statore sono collegate da anelli 5.

Il rotore ruota nei cuscinetti 8. Tra il cuscinetto e la piastra di base è posato un isolamento di interruzione del circuito, attraverso il quale le correnti del cuscinetto possono essere chiuse. Il secondo cuscinetto è realizzato insieme ad una turbina a vapore.

Per raffreddare il generatore, lo statore è diviso in pacchi separati, tra i quali si trovano i condotti di ventilazione. L'aria è spinta dai ventilatori 11 montati sul rotore.

Per raffreddare potenti generatori è necessario far passare attraverso di essi un'enorme quantità d'aria, raggiungendo decine di metri cubi al secondo.

Se l'aria di raffreddamento viene prelevata dai locali della stazione, quindi con la presenza delle quantità più insignificanti di polvere (pochi milligrammi per metro cubo), il generatore sarà contaminato dalla polvere in breve tempo. Pertanto, i generatori a turbina sono costruiti con un sistema di ventilazione chiuso.

L'aria, che viene riscaldata passando attraverso i canali di ventilazione del generatore, entra in appositi raffreddatori d'aria posti sotto l'involucro del generatore a turbina.

Lì, l'aria riscaldata passa tra i tubi alettati del raffreddatore ad aria, attraverso i quali scorre l'acqua, e viene raffreddata. L'aria viene quindi restituita ai ventilatori, che la spingono attraverso i condotti di ventilazione. In questo modo il generatore viene continuamente raffreddato con la stessa aria e la polvere non può entrare nel generatore.

La velocità lungo la circonferenza del rotore di un generatore a turbina supera i 150 m/s. A questa velocità, una grande quantità di energia viene spesa per l'attrito del rotore nell'aria. Ad esempio, in un generatore a turbina con una potenza di 50.000 kWVt, le perdite di energia dovute all'attrito dell'aria sono il 53% della somma di tutte le perdite.

Per ridurre queste perdite, lo spazio interno dei potenti generatori a turbina non è riempito di aria, ma di idrogeno. L'idrogeno è 14 volte più leggero dell'aria, cioè ha una densità inferiore simile, grazie alla quale le perdite per attrito del rotore sono significativamente ridotte.

Per evitare un'esplosione di ossidrogeno, formato da una miscela di idrogeno e ossigeno nell'aria, all'interno del generatore viene impostata una pressione superiore a quella atmosferica. Pertanto, l'ossigeno atmosferico non può penetrare nel generatore.

Modello 3D di un generatore a turbina a vapore:

Un nastro educativo creato dalla fabbrica di materiale scolastico nel 1965:
Generatori sincroni