Ротор турбогенератора поздовжньо-поперечного збудження

Изобретение относится к области электромашиностроения, преимущественно к конструкции турбогенераторов продольно-поперечного возбуждения. Ротора подобных машин снабжаются двумя и более обмотками для реализации принципа асинхронизации. При этом в синхронном режиме, в котором машина работает более 99% общего время эксплуатации, используются только две обмотки. В настоящее время достаточно отработанным вариантом двухфазной обмотки является симметричная система, примененная в серийных турбогенераторах типа АСТГ-200 мощностью 200 МВт (1. Кабанов П.С., Мамиконянц Л.Г., Шакарян Ю.Г. и др.; Режимы работы, статические и динамические характеристики асинхронизированных турбогенераторов. - Электрические станции, 1983, № 10, с. 41-45. 2. Постников И.М., Асанбаев В.И., Финк А.Ф. и др. Исследование параметров и характеристик мощных асинхронизированных турбогенераторов в асинхронном режиме) ИЭД АН УССР, Препринт-339, Киев, 1984, с. 4-11). Такая система, основанная на использовании двух однослойных концентрических катушечных обмоток, показала себя достаточно надежной в эксплуатации, ибо в ней использованы решения, отработанные на катушечных обмотках обычных турбогенераторов. Недостатком двухфазной симметричной обмотки является низкое использование обмоточной меди и плохая форма кривой магнитодвижущей силы (м.д.с.) при работе генератора в синхронных режимах. Известны варианты несимметричных двухфазных систем с углом сдвига между фазными зонами обмотки (фазами) порядка 60° (3. Финк А.Ф. Исследование основных характеристик асинхронизированного турбогенератора с двухфазной однослойной обмоткой ротора (Техническая электродинамика, № 3. 1985, с.6163). Однако в этом случае обмотка с хорошей формой кривой м.д.с. не может быть реализована в отработанном классе катушечных концентрических обмоток: приходится применять более сложную и менее надежную систему петлевых обмоток. Известен также ротор турбогенератора АСТГ-200(4. Авторское свидетельство СССР № 1042133. кл. Н 02 К 1/26, 1983), в котором часть проводников нижней фазы обмоток, размещенных в пазах в один слой, выполняют поднятыми в верхнюю часть пазов. При этом лучше используется сечение зубцовой зоны ротора и облегчаются условия для прохождения магнитного потока по ротору, однако основные показатели асинхронизированного турбогенератора существенно не улучшаются. Конструкцией, наиболее близкой к заявляемой, является ротор турбогенератора продольно-поперечного возбуждения (2), в котором двухфазная двухслойная концентрическая обмотка уложена одной фазой обмотки в нижний, а второй - в верхние слои пазов. Оси фаз обмоток сдвинуты на 90°. Существенным недостатком прототипа является снижение экономичности генератора при работе в синхронном режиме, связанное с насыщением зубцовой зоны ротора, а также низким обмоточным коэффициентом такой двухфазной системы. В основу изобретения поставлена задача создания ротора турбогенератора продольно-поперечного возбуждения, в котором путем улучшения электромагнитных характеристик ротора обеспечивается резкое повышение экономичности турбогенератора в синхронном режиме. Поставленная задача решается тем, что в роторе турбогенератора продольно-поперечного возбуждения, содержащем магнитопровод с пазами, в котором двухфазная двухслойная концентрическая обмотка уложена одной фазой, в основном, в нижний, а второй фазой - в верхний слои проводников, и оси фаз сдвинуты с образованием части пазов, в которых уложена только одна фаза обмотки, согласно изобретения, угол между осями пазов, содержащих проводники катушек с минимальной длиной витков в фазе, составляет 30-50° для пазов с катушками одиночных фаз и 20-35° для пазов с катушками, соответственно одной и двух фаз обмотки одновременно. В отличие от устройства (2) (прототипа), в предложенной конструкции ротора с катушечными обмотками за счет уменьшенного сдвига осей фаз обмотки образован большой зуб - свободная от обмотки зона в районе продольной оси. снижающий магнитное сопротивление ротора по продольной оси. что в совокупности с повышением значения обмоточного коэффициента позволяет повысить экономичность машины в синхронном режиме. Предлагаемый диапазон угловых параметров зон, занимаемых фазами обмотки в сочетании с указанными угловыми размерами фаз обмотки позволяет резко сократить потери в обмотке возбуждения и на порядок снизить значение коэффициента добавочных потерь на поверхности статора от высших гармонических поля ротора, при этом асинхронные характеристики хотя и несколько снижаются по сравнению с прототипом (2), но все же остаются выше, чем у обычных турбогенераторов с одноосным возбуждением. Таким образом, настоящее изобретение позволяет резко повысить экономичность турбогенераторов продольно-поперечного возбуждения в синхронном режиме. На чертежах представлены: фиг.1 - схема расположения обмоток в пазовой части ротора; фиг.2 - та же схема в развернутом виде; фиг.3 - вариант схемы расположения обмоток в пазовой части ротора в развернутом виде, в котором часть проводников нижней фазы обмотки поднята в верхний слой; фиг.4 - схематическое обоснование выбора углов расположения фаз обмотки; фиг.5 -угловые параметры обмотки двухфазного ротора турбогенератора продольно-поперечного возбуждения мощностью 220 МВт. Обмотке ротора предлагаемой конструкции состоит из двух концентрических катушечных фаз обмотки 1 и 2 (фиг.1) и уложена в пазы ротора 3. Каждая фазная зона обмотки в пазовой части занимает сектор с углом γ, а между собой фазные зоны обмотки сдвинуты на угол β. На фиг.2 дана развертка схемы расположения обмоток в пазовой части половины сечения ротора, ограниченная продольной осью α. Из представленной схемы следует, что свободная от обмотки зона 4 в районе продольной оси d (большой зуб) появляется тогда, когда сумма рассматриваемых углов меньше 180°. o g + b < 180 (1) При этом ширина большого зуба составляет o a = 180 - ( g + b ) (2 ) Указанные соотношения и угловые параметры обмоток не изменяются, если часть проводников 5 нижней фазы обмотки (см.фиг.3) в районе большого зуба поднята в верхний слой. Выбор оптимальной зоны угловых параметров обмотки продольно-поперечного возбуждения, выполненной в виде двух однослойных катушек, должен производиться с учетом ограничения по углу g - граничная кривая 6 на фиг.4, и по величине потерь обмотки Pf - сеть кривых 7, приведенных в относительных величинах. Но в роторе с двумя фазами обмотки имеют место дополнительные существенные параметры, сужающие зону поиска наилучшего варианте. В первую очередь - это ограничение по углу сдвига b, исходя из условий сохранения эффекта продольнопоперечного возбуждения в отношении требуемого запаса по устойчивости - отрезок прямой 8 (возможно, что в перспективе это ограничение может быть сдвинуто влево до величины b = 20o ). Снизу зона поиска ограничена кривой 9 - предельным уровнем тепловыделений в пазу и, одновременно, пределом по току ротора, а сверху - отрезком 10, который представляет собой верхнюю границу угла g по условиям разумного использования меди и по соображениям технологичности обмотки ротора. Учитывая тенденцию к резкому сокращению величины воздушного зазора в перспективных конструкциях турбогенераторов с продольно-поперечным возбуждением и связанную с этим проблему борьбы с ростом добавочных потерь, одной из существенных компонент которых, зависящей от обмотки ротора, являются потери на поверхности статора от высших гармонических поля ротора PIN, пропорциональные коэффициенту j( g, b ). На фиг.4 в виде сетки замкнутых кривых нанесено поле значений коэффициента j. Функция потерь достигает минимального значения j = 0,5 в точке 13. В реальных конструкциях оптимальный набор параметров обмотки следует искать междуточками 11 и 13 в очерченной области, руководствуясь комплексной целевой функцией, например, отысканием максимума коэффициента полезного действия. Но при прочих равных условиях, в машинах с относительно большим зазором точка оптимума будет ближе к точке 11, а в машинах с предельно малым зазором - к точке 13. В координатах ( g, b ) зона оптимальных параметров ротора предлагаемой конструкции дается соотношениями g= 108... 120° (3 ) b = 20...35° На фиг.5 представлена развертка поперечного сечения ротора турбогенератора мощностью 220 МВт, в котором содержится предлагаемое изобретение. Большая часть пазов имеет одновременно катушки обеих фаз обмотки и верхнего 1 и нижнего 2 слоев (если считать положение слоев по лобовым частям). Эти пазы выполнены с равномерным шагом 8,5°. Затем с пропуском в 10° в зоне 14 - зона установки балансировочных грузов, располагаются по три паза уменьшенной высоты, содержащие катушки только одной фазы обмотки, и расположенные с шагом 7,5°. В описанной реальной конструкции угол сдвига фаз b для определенности, будем отсчитывать по осям пазов, содержащих внутренние концентрические катушки различных фаз обмотки, т.е. катушки с минимальной длиной витка в фазе обмотки. Определить же угол g непосредственными измерениями невозможно, ибо он измеряется не числом пазов, а числом пазовых шагов. При переменном шаге пазов это может вызвать неоднозначное толкование предмета изобретения, поэтому от системы угловых координат ( g, b ) целесообразно перейти к системе (a, b ), связанных между собой простым линейным преобразованием (2). Тогда ограничения (3) с учетом характера границы 6 преобразуются в a = 30... 50 o ; b = 20 ... 35 o. В приложении к схеме, представленной на фиг.5, эти углы составляют a = 45 o ; b = 25 o , а измерение их может быть осуществлено по осям пазов, 15,16,17, содержащих проводники катушек с минимальной длиной витка, т.е. внутренних концентрических катушек каждой фазы обмотки. При работе турбогенератора с продольно-поперечным возбуждением, содержащего ротор предлагаемой конструкции, в синхронном режиме, при наиболее рациональном варианте возбуждения - одинаковых по величине токах в фазах обмотки 1 и 2, магнитный поток проходит по оси о, т.е. по пути наименьшего сопротивления (см.фиг. 1), что позволяет резко сократить потери в обмотке возбуждения и на порядок снизить значение коэффициента добавочных потерь на поверхности статора от высших гармонических поля ротора, таким образом. удается значительно повысить технико-экономические показатели турбогенераторов продольнопоперечного возбуждения (см.таблицу).