История электротехники

Рис. 6.3. Общий вид ударного турбогенератора (инерционного накопителя энергии)

1,2,3 — подшипник, статор и вал ротора турбогенератора 200 МВт соответственно; 4,5,6 — подшипник, вал, кожух маховика соответственно; 7 — асинхронный двигатель; 8 — фундаментные плиты

Необходимо обратить внимание на все увеличивающийся выпуск турбогенераторов средних мощностей — до 250 МВт для тепловых электростанций с комбинированным циклом (две газовые турбины и одна паровая).

В последние годы началось использование парогазовых установок. Поскольку предельная мощность газовых турбин в настоящее время составляет 150–200 МВт, то парогазовая система мощностью 450–600 МВт состоит из трех блоков: два с газовыми турбинами и один с паровой. Поскольку для таких блоков нужны турбогенераторы сравнительно небольших мощностей (150–200 МВт), для упрощения их конструкции вернулись к воздушному охлаждению. Первый турбогенератор мощностью 150 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с воздушным охлаждением изготовлен для Северо-западной ТЭЦ в 1996 г. в АО «Электросила».

К особому классу относятся ударные турбогенераторы кратковременного действия. Они применяются для испытания выключателей, для экспериментальных установок термоядерного синтеза на базе токамаков, крупных плазмотронов, установок ускорения масс и др. Для экспериментального токамака со сверхсильным полем были разработаны и выполнены четыре двухполюсных турбогенератора мощностью по 200 МВт (242 MB•А). Такие турбогенераторы созданы впервые в мировой практике (рис. 6.3). В них применяется косвенное воздушное охлаждение. С целью снижения габаритов генераторы выполнены с повышенным насыщением магнитной цепи. На общем валу с генератором находится инерционный накопитель, сделанный на основе ротора турбогенератора мощностью 800 МВт. Запасенная энергия в генераторе равна 100, а в маховике — 800 МДж. Удельная энергоемкость ротора генератора составляет 5, а маховика — 10 Дж/г. Длительность импульса равна 5 с. Во время выдачи накопленной энергии частота вращения уменьшается до 70%. Таким образом, используется 50% энергии. Удельная стоимость накопленной энергии получается наименьшей по сравнению со стоимостью энергии других видов накопителей. Количество энергии может быть доведено до 2500 МДж за счет использования более прочной стали и увеличения диаметра маховика. Пуск установки осуществляется асинхронным двигателем с фазным ротором на валу агрегата или преобразователем частоты с питанием от сети. И.А. Глебовым, Э.Г. Кашарским и Ф.Г. Рутбергом разработаны методы расчета, выполнены технические проработки различных вариантов и их сопоставление, обоснование турбогенераторного исполнения в отличие от гидрогенераторного, применяемого в зарубежной практике [6.32]. Проект был выполнен Г.М. Хуторецким, а металлургические проблемы решены A.M. Шкатовой.

Следует заметить, что в начале 20-х годов XX в. русские ученые М.П. Костенко и П.Л. Капица сделали проект и осуществили первый ударный генератор для создания сильных магнитных полей.

В Томском политехническом институте под руководством и при непосредственном участии Г.А. Сипайлова была создана научная школа в области электромашинного генерирования импульсных мощностей в автономных режимах [6.33, 6.34]. Были проведены многочисленные исследования, разработаны методы расчета и создан ряд импульсных генераторов. К числу оригинальных решений относятся электромашинные генераторы с неявнополюсным шихтованным ротором и импульсной форсировкой возбуждения за счет намагничивания в несимметричных режимах при последовательных коммутациях обмоток статора и ротора.

Принципиально новым направлением являются сверхпроводниковые турбогенераторы, имеющие в 2 раза меньшую массу и потери. Вполне естественно, что вначале создавались опытные сверхпроводниковые машины небольшой мощности (синхронные, униполярные, постоянного тока) [6.35–6.37].

Во ВНИИэлектромаше были созданы следующие сверхпроводниковые машины: коллекторный двигатель постоянного тока мощностью 3 кВт, синхронный генератор мощностью 18 кВт, униполярный генератор с током 10 кА при напряжении 24 В и синхронный генератор мощностью 1200 кВт. Первые четыре машины были созданы под руководством и при непосредственном участии В.Г. Новицкого и В.Н. Шахтарина. В разработку и исполнение двигателя постоянного тока 3 кВт существенный вклад внес также Г.Г. Борзов. Синхронный генератор мощностью 1200 кВт был разработан и выполнен под руководством В.В. Домбровского.

Рис. 6.4. Испытательный стенд со сверхпроводниковым турбогенератором мощностью 20 MB•А (в центре рисунка)