Turbogenerator

Turbogenerator to jeden z zaawansowanych rodzajów prądnicy. Jest to generator synchroniczny prądu elektrycznego, z przeznaczeniem do pracy wraz z turbiną gazową lub parową. Wykorzystywany jest w elektrowniach jako przetwornik energii, a wraz z turbiną określany jest turbozespołem. W tym artykule przyjrzymy się dosyć skomplikowanej budowie turbogeneratora.

Turbogenerator - charakterystyka ogólna

Nazwa turbogenerator wywodzi się od tego, że są to maszyny z biegunami utajonymi, które pracują najczęściej jako generatory, napędzane za pośrednictwem turbin parowych. Ich prędkość obrotowa wynosi zazwyczaj 3000 obr./min, a w przypadku dużych turbozespołów z jednostkami czterobiegunowymi 1500 obr./min. Do uzyskania standardowej częstotliwości napięcia 50Hz konieczne jest zastosowanie uzwojenia dwubiegunowego. Większość turbogeneratorów pracuje z wałem o położeniu poziomym. Taka budowa umożliwia odwracalność ich pracy – mogą one pracować jako silniki. W praktyce jednak nie korzysta się z pracy silnikowej turbozespołu, ze względu na zagrożenie dla turbiny napędzającej maszynę. Turbogeneratory wykonuje się maksymalnie na napięcie o wartości 28kV. Wynika to z faktu, że przy tak wysokim napięciu niezbędne jest stosowanie specjalnej izolacji, którą stanowi taśma wykonana z samiki. Wykonuje się ją na prętach zwojowych poza maszyną, i tak przygotowane, zaizolowane i sprasowane do odpowiednich wymiarów pręty układa się w żłobkach. Czynnik wiążący stanowią żywice termoutwardzalne, sztuczne – często epoksydowe.

Chłodzenie współczesnych turbogeneratorów opiera się na pośrednim, zamkniętym obiegu powietrza. Często do schłodzenia uzwojeń wirnika stosuje się bezpośrednie i pośrednie chłodzenie wodorowe, jest to możliwe przy mocach do 500 MW. W maszynach o wyższych mocach konieczne jest zastosowanie w uzwojeniu stojana chłodzenia bezpośredniego, do czego używa się odpowiednio uzdatnionej wody.

Budowa wirnika turbogeneratora

Wirnik turbogeneratora wykonuje się z odkuwki (z wałem), wytwarzanej z wysokowytrzymałej stali magnetycznej. Uzwojenie wzbudzenia umieszcza się w wyfrezowanych żłobkach, wyłożonych izolacją. Poszczególne pręty uzwojenia wzbudzenia są izolowane między sobą. Chroni się je przed wypadnięciem dzięki zabezpieczaniu żłobków przy pomocy klinów z metali niemagnetycznych.

Połączenia człowe uzwojeń, które leżą poza żłobkami, zabezpiecza się przed działaniem sił odśrodkowych za pośrednictwem osłon cylindrycznych. Są one elementem, który podlega największym naprężaniom w turbogeneratorze, dlatego są konstruowane przy użyciu wysokogatunkowej stali o znacznej wytrzymałości.

Końcówki uzwojenia wzbudzenia wyprowadza się do pierścieni ślizgowych przez otwory w wale, a po nich ślizgają się, umieszczone w trzymadłach, szczotki. Średnice wirników w turbogeneratorach są niewielkie i osiągają około 1,3m w urządzeniach o najwyższych mocach. Rozwiązanie to jest konieczne ze względu na wysokie prędkości obrotowe i powiązane z nimi duże siły odśrodkowe. Aby zwiększyć długość czynną uzwojenia, długość wirnika jest duża, znacznie większa od jego średnicy i wynosi do 13m. Ciepło redukowane jest za pośrednictwem znajdujących się na wirniku promieniowych lub osiowych otworów wentylacyjnych.

Budowa stojana turbogeneratora

Rdzeń stojana wykonuje się z pakietów blach elektromagnetycznych, izolowanych o małej stratności. Każdy z takich pakietów ma grubość od 4 do 5 cm, a między nimi znajdują się rozpórki, tworzące kilkumilimetrowe, promieniowe kanały wentylacyjne. Rdzeń zlokalizowany jest w zespawanym korpusie, spełniającym równolegle rolę konstrukcji nośnej, a także ukierunkowuje przepływ czynnika chłodzącego, za pośrednictwem odpowiednio zbudowanych komór. W żłobkach stojana montuje się dwuwarstwowe uzwojenie twornika. Połączenia czołowe są mocowane do specjalnych wsporników na obwodzie, aby zniwelować skutki bardzo dużych sił, występujących przy zwarciach. W wielkowymiarowych generatorach uzwojenia tworników są jednozwojowe, ale pręt zwoju jest wykonany z wielu izolowanych od siebie elementarnych prętów. Są one połączone równolegle i przeplecione tak, aby zmniejszyć w ten sposób dodatkowe straty, jakie powstają w wyniku niejednakowej gęstości prądu w przekroju pręta.