Турбогенератор — електричний синхронний генератор змінного трифазного струму з приводом від парової або газової турбіни. Тобто, турбогенератор — це поєднання турбіни, безпосередньо з'єднаної з електричним генератором для вироблення електроенергії. Турбогенератор має неявнополюсний ротор (індуктор); частота обертання ротора здебільшого 3000 хв−1. Охолодження повітряне, водневе або посилене воднево-водяне. Потужність промислових турбогенераторів досягає 800—1200 МВт.
Турбогенератор потужністю 1 ГВА на електростанції Black Pump у вигляді жовтого циліндричного пристрою в центрі.
Більшу частину електроенергії в Україні одержують на електростанціях за допомогою турбогенераторів. Харківський Електроважмаш, є провідним підприємством України з виробництва турбогенераторів та гідрогенераторів.
Історія
Один із засновників компанії «ABB» Чарльз Браун побудував перший турбогенератор 1901 року. Це був 6-ти полюсний генератор потужністю 100 кВА.
Поява у другій половині XIX сторіччя потужних парових турбін привело до того, що стали потрібними високошвидкісні турбогенератори. Перше покоління таких машин, мало нерухому магнітну систему та обертову обвитку. Але така будова мала цілу низку обмежень, одне з яких — невелика потужність. Водночас, ротор явнополюсного генератора не здатний витримувати значні відцентрові зусилля.
Основним внеском Чарльза Брауна у створення турбогенератора було винайдення ротора, в якому його обвитка (обмотка збудження) вкладається у пази, що створюються за допомогою механічної обробки поковки. Другим внеском Чарльза Брауна у будову пристрою, було розроблення 1898 року ламінованого циліндричного ротора. Отже зрештою, 1901 року він побудував перший турбогенератор. Подібне улаштування пристрою, застосовується у виробництві турбогенераторів і досі.
Загальний опис
Основне призначення полягає в перетворенні механічної енергії обертання парової або газової турбіни в електричну. Швидкість обертання ротора 3000, 1500 об/хв. Механічна енергія від турбіни перетворюється в електричну за допомогою обертового магнітного поля ротора в статорі. Поле ротора, яке створюється струмом постійної напруги, що протікає в мідній обвитці ротора, призводить до виникнення трифазногозмінних напруги і струму в обмотках статора. Напруга і струм на статорі тим більше, чим дужче поле ротора, тобто більший струм протікає в обмотках ротора. Напруга і струм в обвитках ротора створює тиристорна система збудження або збудник — невеликий генератор на валу турбогенератора. Турбогенератори мають циліндричний ротор встановлений на двох підшипниках ковзання, і у спрощеному вигляді нагадують збільшений генератор легкового автомобіля. Тепер випускаються 2-х полюсні (3000 об/хв), 4-х полюсні (1500 об/хв), що мають доволі високі частоти обертання. За способами охолодження обмоток турбогенератора розрізняють: з водяним охолодженням, з повітряним і водневим (частіше застосовуються на АЕС).
Типи турбогенераторів
Локомотивний турбогенератор малої потужностіі його поперечний переріз
Залежно від системи охолодження турбогенератори поділяються на кілька різновидів: з повітряним, оливним, водневим і водяним охолодженням. Також існують суміщені типи, наприклад, генератори з воднево-водяним охолодженням.
Також існують спеціальні турбогенератори, наприклад, локомотивні, які служать для живлення кіл освітлення, насосів опалення вагонів і радіостанції. В авіації турбогенератори служать додатковими бортовими джерелами електроенергії. Наприклад, турбогенератор ТГ-60 працює на стисненому повітрі, яке відбирає від компресора авіадвигуна, забезпечуючи привод генератора трифазного змінного струму 208 вольт, 400 герц, номінальною потужністю 60 кВ·А.
Турбогенератор з водневим охолодженням
Заснований на турбогенераторі з повітряним остудженням. Газоподібний водень вперше почав використовуватися як теплоносій для турбогенераторів з водневим охолодженням, у жовтні 1937 року в компанії Dayton Power & Light Co., штат Огайо. Водень застосовується як охолоджувач у роторі, а інколи й для статора, що дозволяє збільшити ККД до 99,0%. Завдяки високій теплопровідності, великій питомій теплоємності та низькій густині газоподібного водню, це найпоширеніший охолоджувач у своїй галузі на сьогодні (2010-і). Водень можна виробляти на місці, за допомогою електролізу.
Такий генератор, є цілком закритим (непроникним), щоби запобігти витоку водню. Відсутність кисню всередині, значно зменшує пошкодження ізоляції обвиток можливими коронними розрядами. Газоподібний водень обертається всередині корпусу ротора та остуджується теплообмінником газ-вода.
Улаштування турбогенератора
Генератор складається з двох першорядних частин — статора і ротора. Але кожна з них, водночас містить велику кількість систем та складників. Ротор — обертова частина генератора і на нього впливають динамічні механічні навантаження, а також електромагнітні та термічні. Статор — нерухома складова турбогенератора, та він також піддається дії істотних динамічних навантажень — вібраційних і крутних, а також електромагнітних, термічних і високовольтних.
Збудження
Для живлення обвитки збудження постійним струмом у давніх турбогенераторах використовувалися постійно з’єднані з віссю, машини постійного струму які у такому разі також називають збудниками. Потім постійний струм повинен подаватись на ротор турбогенератора крізь щітки та контактні кільця.
Сьогодні (2000-і) для великих турбогенераторів поширені два основних види збудження:
Безщіткове збудження за допомогою обертового збудника (наприклад, машина із зовнішнім полюсом та діодами, встановленими на валу ротора для випрямлення). Збудник живиться ззовні постійним струмом, який зазвичай забезпечується системою перетворювача Монтаж ротора парової турбіни Сіменспотужності.
Статичне збудження: система перетворювача забезпечує постійний струм, який передається на обвитку ротора внутрішньо-полюсної машини крізь щітковий міст (струмові кільця та вугільні щітки). За такого способу, щітки можна легко замінити під час роботи.
Який із двох згаданих способів застосовуватимуть у кожному певному випадку, залежить насамперед від вимог оператора електростанції, а також від відповідної філософії виробника. Обидва способи мають переваги та вади:
Обертовий збудник зазвичай не потребує технічного обслуговування, але у невідкладних випадках технічне обслуговування/лагодження можна проводити лише тоді, коли машина зупинена. Струми, які обробляються пов’язаною системою випрямляча, є порівняно низькими, але відстеження струму збудження відбувається досить повільно у разі швидких змін робочого стану через короткі постійні часу збудження. Для врівноваження провалів напруги на затискачах генератора, система перетворювача потужності повинна забезпечувати дуже великі запаси напруги (так зване «стельове» збудження) порівняно зі звичною роботою.
Збудження статичного перетворювача потужності, є дещо складнішим загалом, але його можна значною мірою підтримувати в режимі онлайн, тобто під час роботи генератора. Струми, що підлягають обробленню, відповідають потрібним струмам збудження і перебувають у межах до 10 кА для великих машин. З іншого боку, статичне збудження може дуже швидко відповідати на зміни навантаження, завдяки чому «напруга стелі» може бути значно нижчою, ніж у разі обертового збудника. Ця динамічна перевага стає все більш і більш важливою сьогодні через зростальну динаміку потоку навантаження в мережах з багатьма регенеративними виробниками енергії. Здебільшого, мережеві оператори висувають певні найменші вимоги до генераторних систем операторів електростанцій, щодо динаміки та надійності у разі короткочасних відмов, котрі часто не можуть бути забезпечені за допомогою обертових збудників.
Збудження є дуже важливим для роботи генератора, оскільки налаштування струму збудження керує розбігом кінцевої напруги, отже-й реактивною потужністю, яку генератор може надати в мережу (активна потужність визначається швидкістю обертання турбіни й її моментом сили). Стосовно турбогенераторів, потужність збудження становить приблизно від 0,5% до 3% від потужності генератора.
Більше того, на відміну від повільно обертових машин (наприклад гідротурбін) з яскраво вираженими полюсами, турбогенератори не стійкі до холостого ходу й допускають лише незначне перевищення швидкості. У разі непередбаченого зникнення навантаження (у гіршому випадку, через раптове відімкнення від мережі) треба негайно здійснити автоматичне вимкнення турбіни, щоб уникнути механічних пошкоджень. Для цього парові турбіни, що приводять у дію генератор, мають так звані швидко-перекривні клапани, які менш ніж за секунду блокують повний масовий потік пари до турбін і направляють його в конденсатор крізь перепускні станції. Завдяки цьому, турбіни більше не можуть створювати крутний момент. Водночас відбувається знеструмлення турбогенератора.
Генераторна напруга турбогенератора становить 6,3 кВ для потужностей у межах 40 МВА, а з великими турбогенераторами понад 1000 МВА, досягається до 27 кВ. Струми у великих системах становлять приблизно 10 кА. Генераторна напруга крізь генераторний вимикач подається на машинний трансформатор, встановлений у безпосередній близькості від машинної зали, який перетворює її на звичайну для високовольтної мережі напругу, наприклад, 400 кВ.
Вольдек А. И. Электрические машины. Энергия. Л. 1978(рос.)
Rolf Fischer: . 14. Auflage. Hanser, 2009, ISBN 978-3-446-41754-0.
Джерела
The Growth of Turbogenerators, by K. Abegg, 1973, The Royal Society.
The Evolution of the Synchronous Machine, by Proffesor Gerhard Neidhofer, Engineering Science and Education Journal, October 1992.
Prelinger Library (1946). A chronological history of electrical development from 600 B.C. New York, N.Y., National Electrical Manufacturers Association.
GE. Aeroderivative and heavy-duty gas turbines.
Jansohn, Peter (2013). Modern gas turbine systems : high efficiency, low emission, fuel flexible power generation. Cambridge: Woodhead Publishing. ISBN . OCLC 861966699.
Kellenberger, Walter (1967). Konstruktion elektrischer Maschinen. Berlin, Heidelberg. ISBN . OCLC 913699622.
Turbogenerator elektrichnij sinhronnij generator zminnogo trifaznogo strumu z privodom vid parovoyi abo gazovoyi turbini Tobto turbogenerator ce poyednannya turbini bezposeredno z yednanoyi z elektrichnim generatorom dlya viroblennya elektroenergiyi Turbogenerator maye neyavnopolyusnij rotor induktor chastota obertannya rotora zdebilshogo 3000 hv 1 Oholodzhennya povitryane vodneve abo posilene vodnevo vodyane Potuzhnist promislovih turbogeneratoriv dosyagaye 800 1200 MVt Turbogenerator potuzhnistyu 1 GVA na elektrostanciyi Black Pump u viglyadi zhovtogo cilindrichnogo pristroyu v centri Bilshu chastinu elektroenergiyi v Ukrayini oderzhuyut na elektrostanciyah za dopomogoyu turbogeneratoriv Harkivskij Elektrovazhmash ye providnim pidpriyemstvom Ukrayini z virobnictva turbogeneratoriv ta gidrogeneratoriv IstoriyaOdin iz zasnovnikiv kompaniyi ABB Charlz Braun pobuduvav pershij turbogenerator 1901 roku Ce buv 6 ti polyusnij generator potuzhnistyu 100 kVA Poyava u drugij polovini XIX storichchya potuzhnih parovih turbin privelo do togo sho stali potribnimi visokoshvidkisni turbogeneratori Pershe pokolinnya takih mashin malo neruhomu magnitnu sistemu ta obertovu obvitku Ale taka budova mala cilu nizku obmezhen odne z yakih nevelika potuzhnist Vodnochas rotor yavnopolyusnogo generatora ne zdatnij vitrimuvati znachni vidcentrovi zusillya Osnovnim vneskom Charlza Brauna u stvorennya turbogeneratora bulo vinajdennya rotora v yakomu jogo obvitka obmotka zbudzhennya vkladayetsya u pazi sho stvoryuyutsya za dopomogoyu mehanichnoyi obrobki pokovki Drugim vneskom Charlza Brauna u budovu pristroyu bulo rozroblennya 1898 roku laminovanogo cilindrichnogo rotora Otzhe zreshtoyu 1901 roku vin pobuduvav pershij turbogenerator Podibne ulashtuvannya pristroyu zastosovuyetsya u virobnictvi turbogeneratoriv i dosi Zagalnij opisOsnovne priznachennya polyagaye v peretvorenni mehanichnoyi energiyi obertannya parovoyi abo gazovoyi turbini v elektrichnu Shvidkist obertannya rotora 3000 1500 ob hv Mehanichna energiya vid turbini peretvoryuyetsya v elektrichnu za dopomogoyu obertovogo magnitnogo polya rotora v statori Pole rotora yake stvoryuyetsya strumom postijnoyi naprugi sho protikaye v midnij obvitci rotora prizvodit do viniknennya trifaznogo zminnih naprugi i strumu v obmotkah statora Napruga i strum na statori tim bilshe chim duzhche pole rotora tobto bilshij strum protikaye v obmotkah rotora Napruga i strum v obvitkah rotora stvoryuye tiristorna sistema zbudzhennya abo zbudnik nevelikij generator na valu turbogeneratora Turbogeneratori mayut cilindrichnij rotor vstanovlenij na dvoh pidshipnikah kovzannya i u sproshenomu viglyadi nagaduyut zbilshenij generator legkovogo avtomobilya Teper vipuskayutsya 2 h polyusni 3000 ob hv 4 h polyusni 1500 ob hv sho mayut dovoli visoki chastoti obertannya Za sposobami oholodzhennya obmotok turbogeneratora rozriznyayut z vodyanim oholodzhennyam z povitryanim i vodnevim chastishe zastosovuyutsya na AES Tipi turbogeneratorivLokomotivnij turbogenerator maloyi potuzhnosti i jogo poperechnij pereriz Zalezhno vid sistemi oholodzhennya turbogeneratori podilyayutsya na kilka riznovidiv z povitryanim olivnim vodnevim i vodyanim oholodzhennyam Takozh isnuyut sumisheni tipi napriklad generatori z vodnevo vodyanim oholodzhennyam Takozh isnuyut specialni turbogeneratori napriklad lokomotivni yaki sluzhat dlya zhivlennya kil osvitlennya nasosiv opalennya vagoniv i radiostanciyi V aviaciyi turbogeneratori sluzhat dodatkovimi bortovimi dzherelami elektroenergiyi Napriklad turbogenerator TG 60 pracyuye na stisnenomu povitri yake vidbiraye vid kompresora aviadviguna zabezpechuyuchi privod generatora trifaznogo zminnogo strumu 208 volt 400 gerc nominalnoyu potuzhnistyu 60 kV A Turbogenerator z vodnevim oholodzhennyam Zasnovanij na turbogeneratori z povitryanim ostudzhennyam Gazopodibnij voden vpershe pochav vikoristovuvatisya yak teplonosij dlya turbogeneratoriv z vodnevim oholodzhennyam u zhovtni 1937 roku v kompaniyi Dayton Power amp Light Co shtat Ogajo Voden zastosovuyetsya yak oholodzhuvach u rotori a inkoli j dlya statora sho dozvolyaye zbilshiti KKD do 99 0 Zavdyaki visokij teploprovidnosti velikij pitomij teployemnosti ta nizkij gustini gazopodibnogo vodnyu ce najposhirenishij oholodzhuvach u svoyij galuzi na sogodni 2010 i Voden mozhna viroblyati na misci za dopomogoyu elektrolizu Takij generator ye cilkom zakritim neproniknim shobi zapobigti vitoku vodnyu Vidsutnist kisnyu vseredini znachno zmenshuye poshkodzhennya izolyaciyi obvitok mozhlivimi koronnimi rozryadami Gazopodibnij voden obertayetsya vseredini korpusu rotora ta ostudzhuyetsya teploobminnikom gaz voda Ulashtuvannya turbogeneratoraGenerator skladayetsya z dvoh pershoryadnih chastin statora i rotora Ale kozhna z nih vodnochas mistit veliku kilkist sistem ta skladnikiv Rotor obertova chastina generatora i na nogo vplivayut dinamichni mehanichni navantazhennya a takozh elektromagnitni ta termichni Stator neruhoma skladova turbogeneratora ta vin takozh piddayetsya diyi istotnih dinamichnih navantazhen vibracijnih i krutnih a takozh elektromagnitnih termichnih i visokovoltnih ZbudzhennyaDlya zhivlennya obvitki zbudzhennya postijnim strumom u davnih turbogeneratorah vikoristovuvalisya postijno z yednani z vissyu mashini postijnogo strumu yaki u takomu razi takozh nazivayut zbudnikami Potim postijnij strum povinen podavatis na rotor turbogeneratora kriz shitki ta kontaktni kilcya Sogodni 2000 i dlya velikih turbogeneratoriv poshireni dva osnovnih vidi zbudzhennya Bezshitkove zbudzhennya za dopomogoyu obertovogo zbudnika napriklad mashina iz zovnishnim polyusom ta diodami vstanovlenimi na valu rotora dlya vipryamlennya Zbudnik zhivitsya zzovni postijnim strumom yakij zazvichaj zabezpechuyetsya sistemoyu peretvoryuvacha Montazh rotora parovoyi turbini Simenspotuzhnosti Statichne zbudzhennya sistema peretvoryuvacha zabezpechuye postijnij strum yakij peredayetsya na obvitku rotora vnutrishno polyusnoyi mashini kriz shitkovij mist strumovi kilcya ta vugilni shitki Za takogo sposobu shitki mozhna legko zaminiti pid chas roboti Yakij iz dvoh zgadanih sposobiv zastosovuvatimut u kozhnomu pevnomu vipadku zalezhit nasampered vid vimog operatora elektrostanciyi a takozh vid vidpovidnoyi filosofiyi virobnika Obidva sposobi mayut perevagi ta vadi Obertovij zbudnik zazvichaj ne potrebuye tehnichnogo obslugovuvannya ale u nevidkladnih vipadkah tehnichne obslugovuvannya lagodzhennya mozhna provoditi lishe todi koli mashina zupinena Strumi yaki obroblyayutsya pov yazanoyu sistemoyu vipryamlyacha ye porivnyano nizkimi ale vidstezhennya strumu zbudzhennya vidbuvayetsya dosit povilno u razi shvidkih zmin robochogo stanu cherez korotki postijni chasu zbudzhennya Dlya vrivnovazhennya provaliv naprugi na zatiskachah generatora sistema peretvoryuvacha potuzhnosti povinna zabezpechuvati duzhe veliki zapasi naprugi tak zvane stelove zbudzhennya porivnyano zi zvichnoyu robotoyu Zbudzhennya statichnogo peretvoryuvacha potuzhnosti ye desho skladnishim zagalom ale jogo mozhna znachnoyu miroyu pidtrimuvati v rezhimi onlajn tobto pid chas roboti generatora Strumi sho pidlyagayut obroblennyu vidpovidayut potribnim strumam zbudzhennya i perebuvayut u mezhah do 10 kA dlya velikih mashin Z inshogo boku statichne zbudzhennya mozhe duzhe shvidko vidpovidati na zmini navantazhennya zavdyaki chomu napruga steli mozhe buti znachno nizhchoyu nizh u razi obertovogo zbudnika Cya dinamichna perevaga staye vse bilsh i bilsh vazhlivoyu sogodni cherez zrostalnu dinamiku potoku navantazhennya v merezhah z bagatma regenerativnimi virobnikami energiyi Zdebilshogo merezhevi operatori visuvayut pevni najmenshi vimogi do generatornih sistem operatoriv elektrostancij shodo dinamiki ta nadijnosti u razi korotkochasnih vidmov kotri chasto ne mozhut buti zabezpecheni za dopomogoyu obertovih zbudnikiv Zbudzhennya ye duzhe vazhlivim dlya roboti generatora oskilki nalashtuvannya strumu zbudzhennya keruye rozbigom kincevoyi naprugi otzhe j reaktivnoyu potuzhnistyu yaku generator mozhe nadati v merezhu aktivna potuzhnist viznachayetsya shvidkistyu obertannya turbini j yiyi momentom sili Stosovno turbogeneratoriv potuzhnist zbudzhennya stanovit priblizno vid 0 5 do 3 vid potuzhnosti generatora Bilshe togo na vidminu vid povilno obertovih mashin napriklad gidroturbin z yaskravo virazhenimi polyusami turbogeneratori ne stijki do holostogo hodu j dopuskayut lishe neznachne perevishennya shvidkosti U razi neperedbachenogo zniknennya navantazhennya u girshomu vipadku cherez raptove vidimknennya vid merezhi treba negajno zdijsniti avtomatichne vimknennya turbini shob uniknuti mehanichnih poshkodzhen Dlya cogo parovi turbini sho privodyat u diyu generator mayut tak zvani shvidko perekrivni klapani yaki mensh nizh za sekundu blokuyut povnij masovij potik pari do turbin i napravlyayut jogo v kondensator kriz perepuskni stanciyi Zavdyaki comu turbini bilshe ne mozhut stvoryuvati krutnij moment Vodnochas vidbuvayetsya znestrumlennya turbogeneratora Generatorna napruga turbogeneratora stanovit 6 3 kV dlya potuzhnostej u mezhah 40 MVA a z velikimi turbogeneratorami ponad 1000 MVA dosyagayetsya do 27 kV Strumi u velikih sistemah stanovlyat priblizno 10 kA Generatorna napruga kriz generatornij vimikach podayetsya na mashinnij transformator vstanovlenij u bezposerednij blizkosti vid mashinnoyi zali yakij peretvoryuye yiyi na zvichajnu dlya visokovoltnoyi merezhi naprugu napriklad 400 kV Div takozhMikroturbina Mikroturbina Tomasa Genri Pikovi potrebiLiteraturaOperation and Maintenance of Large Turbo Generators by Geoff Klempner and Isidor Kerszenbaum ISBN 0 471 61447 5 2004 Mala girnicha enciklopediya u 3 t za red V S Bileckogo D Shidnij vidavnichij dim 2013 T 3 S Ya 644 s Voldek A I Elektricheskie mashiny Energiya L 1978 ros Rolf Fischer 14 Auflage Hanser 2009 ISBN 978 3 446 41754 0 DzherelaThe Growth of Turbogenerators by K Abegg 1973 The Royal Society The Evolution of the Synchronous Machine by Proffesor Gerhard Neidhofer Engineering Science and Education Journal October 1992 Prelinger Library 1946 A chronological history of electrical development from 600 B C New York N Y National Electrical Manufacturers Association GE Aeroderivative and heavy duty gas turbines Jansohn Peter 2013 Modern gas turbine systems high efficiency low emission fuel flexible power generation Cambridge Woodhead Publishing ISBN 978 0 85709 606 7 OCLC 861966699 Kellenberger Walter 1967 Konstruktion elektrischer Maschinen Berlin Heidelberg ISBN 978 3 662 12180 1 OCLC 913699622
Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
