28.05.2026
Журнал Электрические сети. Энергопрогресс. - 2025. - №10. – С.26-36
Введение.
Современное сильное государство не может обойтись без мощной энергетики. В России доля ТЭС и АЭС в установленной мощности электрических станций составляет 78% [1]. Выработку электроэнергии на них обеспечивают синхронные неявнополюсные электрические машины – турбогенераторы. Таким образом, возможность отечественной промышленности производить турбогенераторы является неотъемлемым фактором технологической независимости. Завод «Электросила» АО «Силовые машины» является крупнейшим электромашиностроительным предприятием России и признанным лидером турбогенераторостроения. За время своего существования завод не раз способствовал освобождению от импорта электрических машин из-за границы, и в настоящее время АО «Силовые машины» предлагает турбогенераторы для всех отраслей отечественной энергетики.
В 2024 году исполняется 100-летний юбилей выпуска первого отечественного турбогенератора. За эти годы завод «Электросила» планомерным развитием конструкций и технологий прошел путь от маленькой машинки мощностью 500 кВт до крупнейших турбогенераторов мощностью 1255 МВт, изготовил более 2800 турбогенераторов. Давайте проследим основные этапы этого пути.
Первые самостоятельные шаги
Первый отечественный турбогенератор мощностью 500 кВт был изготовлен заводом Электросила в 1924 году для Гомельской электростанции (рис.1). До этого момента турбогенераторостроение в России практически отсутствовало – несколько небольших машин были только собраны из иностранных узлов и по иностранным чертежам. Во время Великой Отечественной войны этот генератор из Гомеля успели эвакуировать в Томск и уже в начале 1942 года он был пущен в эксплуатацию на новом месте, где был демонтирован в 1960-е после многолетней работы.
Рисунок 1. Первый отечественный турбогенератор мощностью 500 кВт. Справа – мастер сборочного участка Н.И. Платонов, слева – бригадир сборщиков Ф.П. Кузьмин.
В том же 1924 году был выпущен первый генератор мощностью 1500 кВт для Омской электростанции. Проектирование первых машин велось на основе скудных технических материалов, тем не менее в период с 1924 по 1928 год завод разработал и освоил в производстве первую отечественную серию турбогенераторов от 300 до 24 000 кВт при 3000 об/мин. Заказанные в 1927 году два генератора мощностью 24 МВт в то время являлись наибольшими в Европе. Турбогенераторы имели цельнокованый ротор с массивными бандажными кольцами и центробежными литыми вентиляторами. Для лучшего охлаждения обмотки и дополнительной подачи воздуха в зазор применялись подпазовые каналы. Статор имел однослойную обмотку с гильзовой изоляцией и лобовыми частями эвольвентной формы, отогнутыми под 90° к оси статора. До 1931 года для турбогенераторов мощностью 24 МВт готовые обмотанные роторы поставлялись из-за рубежа.
В течение 1929-1930 гг. была проведена частичная модернизация конструкции первой серии. Литые станины, наружные щиты и фундаментные рамы были заменены сварными в связи с быстрым развитием сварочной техники.
В двадцатые годы большое количество турбогенераторов поставлялось иностранными фирмами, поэтому была поставлена задача нарастить выпуск турбогенераторов для освобождения от импорта этих машин из-за границы. В 1930 г. на заводе введены в эксплуатацию сварочный цех и новый цех турбогенераторов, являвшийся на тот момент крупнейшим в Европе.
В 1930-1932 на основе договора о техническом содействии с фирмой GE и собственных теоретических работ наши специалисты создают методы проектирования отечественных крупных электрических машин. Эти труды инженеров завода обусловили возможность быстрого перехода на следующую ступень турбогенераторостроения. Большой вклад в развитие методов расчета электрических машин внес шеф-электрик завода Р.А. Лютер, а в развитие конструкций и производства начальник конструкторского отдела А.Е. Алексеев.
В 1931-1934 гг. была разработана серия генераторов мощностью 6, 12 и 25 МВт (серия Т). Генераторы имели двухслойную обмотку статора корзиночного типа с микалентной непрерывной изоляцией на асфально-битумных связующих с вакуумным компаундированием; лаковую изоляцию листов электротехнической стали вместо бумажной; одно- и многоструйную радиальную вентиляцию сердечника и сварной корпус статора. Введенные усовершенствования позволили снизить до 50% добавочные потери в концевых частях генераторов, а также повысить равномерность охлаждения по длине.
В 1932 г. был изготовлен генератор мощностью 50 МВт на 1500 об/мин для Каширской ГРЭС. Производство этого генератора учитывало опыт фирмы GE. Ротор изготавливался с алюминиевыми седлами и новой конструкцией токоподвода и контактных колец. Для первых двух генераторов из-за границы были получены готовые ротора и полные комплекты стержней обмотки статора. Начиная с третьего генератора все детали были полностью отечественными. Генераторы продолжали изготавливаться до 1938 года.
В 1933-1934 была создана серия турбогенераторов Т2 – серия «Второй пятилетки» (рис.2). Был снижен расход материалов и повышены технические показатели. Серия состояла из девяти типов турбогенераторов мощностью от 0,5 до 100 МВт. Последний, пущенный в эксплуатацию в 1938 г., являлся по тому времени крупнейшим в мире по мощности. С конструктивной точки зрения серия явилась дальнейшим развитием принципов, заложенных в конструкции турбогенераторов серии 1933 г., при этом напряжение статора достигло 15,75 кВ. Конструкция роторов подверглась изменению – изоляция обмотки выполнялось по другой технологии, лобовые части имели общекатушечную изоляцию, защищенную алюминиевыми седлами. Подпазовые каналы отсутствовали, и охлаждение ротора осуществлялось только с поверхности бочки. Бандажные кольца генераторов мощностью 25 МВт и выше изготавливались из немагнитной стали и насаживались на бочку ротора. Благодаря рациональному выбору основной геометрии КПД генераторов оказался выше, чем для серии Т.
Рисунок 2. Турбогенератор мощность 25 МВт серии Т2.
В результате проведенной работы к 1938 г. страна была полностью освобождена от импорта турбогенераторов с единичной мощностью до 100 МВт. В это время, исчерпав возможности воздушного охлаждения, передовые фирмы мира начали переход к водородному охлаждению, и в 1940 году завод приступил к проектированию первого генератора с водородным охлаждением мощностью 25 МВт, был заключен договор с Ленэнерго на поставку. Однако война прервала эту работу.
Первые послевоенные турбогенераторы
После восстановления производства на заводе «Электросила» в 1944 г. начинается проектирование турбогенератора мощностью 100 МВт с водородным охлаждением. Он был изготовлен в июне 1946 г. и являлся первым турбогенератором в Европе с охлаждением такого типа (рис.3). Возможность столь быстрого изготовления обеспечивалась наличием на заводе поковки ротора, сохранившейся с довоенного периода. Это и требование по обеспечению работы генератора при воздушном охлаждении однозначно определили геометрию активных частей, соответствующую довоенному генератору. Испытание его на заводе в собранном виде не могло быть выполнено, поскольку завод не располагал в то время необходимыми стендовыми площадями. Вслед за ним в 1947-1948 гг. были изготовлены генераторы мощностью 25 МВт и 50 МВт. Работы велись под руководством главного конструктора Е.Г. Комара, ставшего впоследствии главным инженером НИИЭФА им. Д.В. Ефремова.
Рисунок 3. Ротор генератора мощностью 100 МВт серии ТВ.
Первая серия генераторов с водородным охлаждением (серия ТВ) была создана на базе активной части генераторов серии Т2 при малом избыточном давлении водорода (до 0,05 ати) и явилась опытной, не использующей все преимущества новой системы охлаждения. Это обусловило небольшое увеличение использования активного объема до 10% и КПД машин до 1%. Турбогенераторы серии ТВ имели встроенные в статор газоохладители с продольным горизонтальным расположением, радиально-цилиндрические уплотнения вала, а также встроенные центробежные вентиляторы на роторе. В дальнейшем на электростанциях машины модернизировались с переходом на торцевые уплотнения вала и повышением давления водорода, что позволяло увеличить мощность.
Уже в 1949 г. завод начал разработку новой серии турбогенераторов с водородным охлаждением – серии ТВ2. Прежде в 1950 г. был переработан генератор мощностью 25 МВт с доведением его мощности до 30 МВт при cos φ=0,8. В нем впервые были применены вертикальные охладители и уплотнения вала торцевого типа, давление водорода было повышено до 0,5 ати.
Параллельно был спроектирован и в 1952 г. изготовлен генератор мощностью 100 МВт при cos φ=0,85 с уменьшенной по сравнению с предыдущим активной длиной и напряжением статора 13,8 кВ (рис.4). В этом же году для Черепетской ГРЭС был изготовлен генератор мощностью 150 МВт при cos φ=0,9 и избыточном давлении водорода 0,7 ати. В нем впервые было применено напряжение обмотки статора 18 кВ. Его изготовление потребовало от металлургической промышленности производство поковки ротора с диаметром на 8% большим ранее достигнутого при соответствующем повышении прочностных свойств.
Рисунок 4. Турбогенератор мощностью 100 МВт серии ТВ2.
Основные особенности генераторов серии ТВ2: вертикальное расположение газоохладителей; встроенные осевые вентиляторы; полуэластичное центрирующее кольцо роторного бандажа; лобовые части обмотки ротора с витковой изоляцией в виде миканита; косвенное охлаждение обмотки возбуждения. В дальнейшем на электростанциях были проведены работы по повышению давления водорода до 1,0-1,5 ати, что позволило повысить мощность. Имея запас по нагреву обмотки статора, генераторы серии ТВ2 полностью исчерпали резервы по нагреву обмотки возбуждения. Турбогенераторы серии ТВ2 выпускались заводом с 1952 по 1961 гг.
Серия ТВФ
Между тем, уже в 1953 году была поставлена задача создания турбогенераторов мощностью 200 МВт при cos φ=0,85. Поскольку генераторы ТВ2-150-2 являлись предельными как по электромагнитным и тепловым нагрузкам, так и с точки зрения возможностей металлургии (масса и механические свойства поковок роторов) того времени, увеличивать мощность путем дальнейшего увеличения габаритов не представлялось возможным. Требовалось нарастить удельные нагрузки с соответствующей интенсификацией охлаждения. С подобной же проблемой столкнулись и зарубежные фирмы.
В результате исследовательских и опытно-конструкторских работ в 1955 г. была разработана оригинальная конструкция обмотки возбуждения с непосредственным охлаждением, использующая принцип охлаждения с забором водорода из зазора машины.
Сначала был изготовлен небольшой вращающийся макет ротора; а затем в 1956 г. опытно-промышленный ротор к турбогенератору мощностью 30 МВт. Величина мощности была обусловлена тем, что на 2-ой ЛенГЭС (ныне Центральная ТЭЦ ЭС-2 ОАО «ТГК-1») был установлен генератор такой мощности, на котором и проводились испытания, подтвердившие преимущества и надежность нового способа охлаждения. При давлении водорода 2 ати новый ротор обеспечил 3,5-4 кратную мощность возбуждения по сравнению со старой конструкцией.
Новая серия турбогенераторов в котором обмотка ротора охлаждалась непосредственно водородом, а обмотка статора – косвенно получила обозначение ТВФ.
В 1958 г. генератор 100 МВт новой конструкции был поставлен на Прибалтийскую ГРЭС. Новый генератор оказался легче генератора серии ТВ2 аналогичной мощности почти на 30%. Был переведен на новую схему охлаждения генератор мощностью 60 МВт.
В 1956 г. завод получил заказ на поставку турбогенератора мощностью 200 МВт для Южноуральской ГРЭС. Первый турбогенератор ТВФ-200-2 был поставлен на станцию в 1959 г., а в 1961 г. был поставлен второй. Эти два генератора имели ротор новой конструкции с форсированным охлаждением, но статор оставался прежним с косвенным охлаждением. Поэтому для обеспечения мощности 200 МВт пришлось применить схему обмотки статора с 4-мя параллельными ветвями при напряжении 11 кВ. При числе параллельных ветвей большем, чем число полюсов ротора, невозможно выполнить симметричную обмотку статора по величине напряжения и их сдвигу по углу по фазам. Правильным выбором схемы обмотки и расчетом удалось снизить несимметрию до допустимого уровня. На международной выставке в Брюсселе турбогенератор был удостоен золотой медали.
Серия ТВВ
Создание новой конструкции ротора решало только половину проблемы создания турбогенераторов большой мощности. В 1957 году было предложено охлаждать статорную обмотку пропуская через проводники обмотки дистиллированную воду. После проведения опытов на макетах в 1958 г. был изготовлен опытно-промышленный статор с водяным охлаждением обмотки. Он был установлен на 2-й ЛенГЭС на том же генераторе, где ранее был установлен опытный ротор (рис.5). Статор с водяным охлаждением в этом же году был установлен в Англии. Американские же фирмы изготавливали в это время статоры только с масляным охлаждением.
Рисунок 5. Турбогенератор типа ТВВ-30-2 на 2-й ЛенГЭС.
После проведения экспериментальных работ и отработки технологии в 1959 г. был выпущен турбогенератор 150 МВт, чуть позже – головные образцы генераторов 200 и 300 МВт (рис.6) с непосредственным охлаждением обмотки статора водой и обмотки ротора водородом серии ТВВ. В этих генераторах в среднем использование материалов было в 2,2 раза выше, чем в генераторах серии ТВ2. Давление водорода было принято 3 ати, а водяное охлаждение обмотки организовано по двухходовой схеме: с одной стороны статора через два кольцевых коллектора осуществляется подвод дистиллята к верхним стержням и отвод от нижних.
Рисунок 6. Турбогенератор мощностью 300 МВт серии ТВВ.
Первый турбогенератор мощностью 300 МВт был пущен в эксплуатацию в 1963 году на Черепетской ГРЭС. Генераторы 150 и 200 МВт вошли в строй в 1960-1961 гг. на Назаровской и Томь-Усинской ГРЭС. Непосредственными авторами новых систем охлаждения были главный конструктор Н.П. Иванов, инженеры Г.М. Хуторецкий, В.В. Титов, А.Б. Шапиро.
В 1961 г. завод получил заказ на головной образец турбогенератора мощностью 500 МВт. Было предложено выполнить его с водородно-водяным охлаждением по той же схеме, как и предыдущий 300 МВт. Однако, неизбежно увеличивались габариты статора и масса ротора. Для лучшего использования объема бочки ротора пришлось применить на роторе пазы трапецеидального сечения, позволяющие при той же высоте пазовой зоны уложить на 20-25% больше меди, чем при прямоугольных пазах. Возникли и другие проблемы масштабного характера. Увеличился ток статора и повысился уровень вибраций обмотки и сердечника, требовалось принять меры к их снижению. За счет использования анизотропии упругих свойств листовой стали удалось на 30% процентов снизить вибрацию сердечника и кинематическое возбуждение вибраций лобовой части обмотки статора. Увеличились добавочные потери в генераторе, нужно было научиться их точно учитывать и принимать меры к их снижению. Поэтому генератор 500 МВт не мог быть получен простым масштабированием генератора 300 МВт. Его создание потребовало напряженного труда большого коллектива конструкторов, технологов, исследователей. В 1965 году генератор был испытан на стенде (рис.7), несмотря на удовлетворительные результаты, комиссия, принимавшая генератор, потребовала произвести доработку и вторичные испытания. В середине 1966 г. генератор был отгружен на Славянскую ГРЭС, где был смонтирован в двухвальном блоке 800 МВт.
Рисунок 7. Турбогенератор мощностью 500 МВт серии ТВВ и группа его разработчиков.
Освоение новых мощностей
Ещё до пуска в эксплуатацию головного образца генератора 500 МВт завод получил задание на машину мощностью 800 МВт. Здесь уже появились проблемы, сходные с теми, с которыми столкнулись при создании турбогенератора 500МВт, но в усугубленном виде: ещё больше возросли ток статора, вибрации и потери в генераторе. Номинальное напряжение генератора повысилось до 24 кВ – при меньшем напряжении чрезмерно увеличивался бы ток статора.
Микалентная компаундированная изоляция обмотки статора, которую применял завод «Электросила», была разработана ещё до войны и делалась на асфальто-битуумных связующих. В то же время, зарубежные фирмы уже несколько лет применяли изоляцию на синтетических лаках – термореактивную, которая не размягчалась при нагревании и оказывалась достаточно прочной при токах и усилиях в новых мощных генераторах. В 1962 г. на заводе были развернуты исследовательские работы и в 1967-1968 гг. была создана новая марка изоляция обмотки статора «слюдотерм» с отличными электрическими характеристиками и технология её изготовления. Были решены вопросы надежного уплотнения в пазу стержней обмотки статора с этой изоляцией. В итоге, было решено генератор мощностью 800 МВт изготавливать на новой изоляции. А также все генераторы мощностью 500 МВт также перевести на новую изоляцию, в том числе, заменить обмотку на первом генераторе, который был выпущен со старой изоляцией.
Если первоначально главные технические трудности при создании высокоиспользованных турбогенераторов были связаны с активной зоной машины и прежде всего с охлаждением обмоток статора и ротора, то теперь по мере решения вопросов охлаждения основные, наиболее сложные проблемы, связанные с конструкцией торцевой зоной статора. Практически это проявлялось в значительных местных нагревах конструктивных элементов торцевой зоны и повышенном уровне вибрации лобовых частей обмотки под воздействием возросших электродинамических сил. Уже при мощности 200-300 МВт при длительной работе наблюдались отказы статорной обмотки из-за указанных причин. Большие трудности возникли на начальном этапе эксплуатации первого турбогенератора мощностью 500 МВт. Выполнение же головного образца турбогенератора мощностью 800 МВт без принципиально новых конструктивных решений оказалось неосуществимым.
Следует отметить, что на тот момент турбогенераторы не только большой, но и средней (200 МВт) мощности не выдерживали внезапных коротких замыканий вблизи выводов, поскольку происходила резкая деформация обмотки в лобовых частях и повреждение изоляции. По этой причине такие испытания в условиях заводов в то время не производились, а имевшие место в эксплуатации внезапные короткие замыкания приводили к отказу.
По мере увеличения использования турбогенераторов рост интенсивности электромагнитных полей рассеяния в лобовых частях привел к возникновению обусловленных этими полями достаточно больших циркуляционных токов в обмотке статора и, следовательно, дополнительных потерь во всей обмотке.
Таким образом, с повышением единичной мощности турбогенераторов потребовавшем лучшего использования активного объема при ограничениях по габаритам, на передний план выдвинулась проблема торцевой зоны статора, обусловленная значительным увеличением интенсивности электромагнитных полей рассеяния. Потребовался кардинальный пересмотр конструкции торцевой зоны статора, основанный на качественном понимании и количественной оценке электромагнитных, тепловых и механических процессов, протекающих в этой зоне.
Попытка преодолеть возникшие трудности с помощью модернизации традиционного «мягкого» крепления лобовых частей с бандажными кольцами и шнуровыми вязками не дали ощутимых результатов. На основе всестороннего анализа и изучения механизмов противодействия была предложена конструкция торцевой зоны с «жестким» креплением лобовых частей обмотки: бандажные кольца и кронштейны были заменены деталями из прочного теплостойкого стеклотекстолита, а лобовые части подверглись запечке после укладки с применением формующегося материала, заполняющего зазоры. При этом крепление не препятствовало перемещению лобовых частей в аксиальном направлении при тепловом удлинении пазовой части обмотки. Такая конструкция обладает достаточной жесткостью при больших электродинамических усилиях и предотвращает повреждение лобовой части при внезапных коротких замыканиях.
В результате исследований по изучению потоков рассеяния и добавочных потерь в обмотке статора была предложена транспозиция элементарных проводников стержней обмотки, обеспечивающая полную компенсацию циркуляционных токов в элементарных проводниках, что уменьшило до минимума добавочные потери в обмотке. Результаты исследований на опытных стержнях подтвердили правильность используемой конструкции стержней обмотки.
К 1965 г. стало понятно, что испытательные стенды, реконструированные в начале 50-х, уже не удовлетворяют возросшим требованиям проведения полных испытаний и отработки головных образцов перед отправкой их Заказчику. Отработка же их в условиях эксплуатации на станциях была затруднена. В связи с этим было начато создание специального испытательного стенда, где каждый генератор сразу после изготовления мог быть подвергнут испытаниям и всесторонним исследованиям. При этом предлагалось испытывать новые образцы при максимально возможной реальной нагрузке. Дело в том, что все фирмы генераторы испытывают в косвенных режимах: при холостом ходе с номинальным напряжением (без тока в статоре) и короткого замыкания с номинальным током статора (без напряжения на статоре). На основании этих испытаний путем соответствующей обработки результатов, делают заключение о соответствии генератора предъявляемым требованиям в номинальном режиме. Теперь же генератор мог быть испытан под номинальным напряжением одновременно с нагружением активным током статора. Это потребовало изготовления специальной нагрузочной машины возможно большей мощности для механического и электрического соединения с испытуемым генератором. При этой оригинальной схеме испытаний, предложенной признанным специалистом в области испытаний электрических машин Г.К.Жерве, мощность из сети затрачивалась только на потери в агрегате и приводном двигателе. В 1969 г. был сооружен испытательный комплекс «Корпус мощных турбогенераторов» и в 1971 г. при испытании генератора мощностью 800 МВт на нём была достигнута активная нагрузка 600 МВт. Это было большим достижением, поскольку ни тогда, ни теперь за рубежом подобных стендов не существует.
Первый турбогенератор 800 МВт был пущен в 1972 г. на Славянской ГРЭС и в 1975 г. сдан в промышленную эксплуатацию. Это был итог многолетнего упорного труда конструкторского коллектива под руководством главного конструктора Г.М. Хуторецкого. Его освоение в производстве позволило заводу «Электросила» сделать следующие шаги в производстве мощных турбогенераторов.
Ещё до пуска генератора мощностью 800 МВт в 1969 г. завод получил заказ на турбогенератор мощностью 1200 МВт для головного энергоблока Костромской ГРЭС. Рост мощности в 1,5 раза породил неуверенность в возможности исполнения машины, однако применение 6-фазной обмотки статора позволило снизить ток статора и применить крепление лобовых частей обмотки, отработанное на генераторе мощностью 800 МВт, а также снизило некоторые виды добавочных потерь. К 1975 г. генератор был изготовлен и проходил всесторонние стендовые испытания, которые были завершены в 1977 г (рис.8). Пробный пуск блока 1200 МВт Костромской ГРЭС состоялся в конце 1980 г., блок успешно работает, и до сих пор это самый мощный тепловой энергоблок в мире. Дальнейшее наращивание единичной мощности энергоблоков было признано нецелесообразным по причинам обеспечения устойчивости электрических сетей и надежности электроснабжения.
Рисунок 8. Турбогенератор мощностью 1200 МВт серии ТВВ на испытательном стенде.
Предложенная система крепления лобовой части обмотки статора и имеющиеся резервы непосредственного водородно-водяного охлаждения, а также накопленный опыт эксплуатации машин мощностью 500 МВт и 800 МВт позволили разработать и изготовить головные турбогенераторы мощностью 1000 МВт для АЭС в исполнениях на 1500 об/мин (1980 г.) и 3000 об/мин (1984 г.). Новая система изоляции и новое крепление лобовой части обмотки статора в дальнейшем были внедрены на всех турбогенераторах.
Работа мощных генераторов в режимах с коэффициентом мощности близким к единице или с потреблением реактивной мощности со временем выявила ещё одну проблему торцевой зоны – повышенный нагрев и повреждение крайних пакетов сердечника статора и конструктивных элементов, связанных с усилением аксиальных потоков рассеяния. Механизм этого явления долгое время не находил объяснения пока не был детально исследован. В результате была предложена конструкция торцевой зоны с электромагнитными экранами, магнитным шунтом и скошенными крайними пакетами, обеспечивающая уверенную эксплуатацию в режимах с потреблением реактивной мощности.
Совершенствование конструкций
В 1980-е г. наиболее прогрессивные конструктивные и технологические решения были распространены на все типы турбогенераторов мощностью от 63 МВт до 800 МВт. Были повышены электромагнитные нагрузки, использование материалов и КПД. Наибольшим изменениям подверглись генераторы ранних разработок мощностью 63, 160, 220 и 320 МВт. Большое внимание было уделено улучшению эксплуатационных характеристик: улучшены маневренные характеристики, увеличено число пусков и остановов, расширен диапазон работы в режимах с потреблением реактивной мощности, улучшены шумовые характеристики, увеличен межремонтный период. Дальнейшему совершенствованию подверглась система непосредственного охлаждения обмотки ротора водородом: совершенствование шло по пути увеличения скорости охлаждающего газа и поверхности охлаждения. Впервые в генераторах мощностью 300 МВт была разработана эффективная радиально-тангенциальная схема охлаждения. Реализованные мероприятия позволили более чем на 30% снизить превышения температуры обмотки ротора. По обмотке статора были реализованы мероприятия по повышению надежности водяного охлаждения: введен более жесткий контроль герметичности стержней и всей обмотки, улучшена конструкция фторопластовых водоподводящих шлангов, усовершенствованы наконечники стержней обмотки статора. Также была внедрена встречная заклиновка стержней в пазах статора, позволяющая в процессе эксплуатации осуществлять подклиновку только тех клиньев, которые ослабли. В торцевой зоне сердечника статора были применены запеченные крайние пакеты. Кроме того, выполнен целый ряд конструктивных мероприятий по усилению корпусов, предотвращению повреждений спинки активной стали, предупреждению выявившейся в эксплуатации фреттинг-коррозии.
В это время совместно с ВНИИЭ были выполнены работы по определению способности турбогенераторов выдерживать несимметричные режимы работы. При исследованиях были оснащены датчиками и испытаны в несимметричных режимах генераторы мощностью 60, 300, 800 и 1200 МВт. В результате в конструкцию турбогенераторов был внесен ряд усовершенствований: бронзовые крайние клинья, медные короткозамыкатели под бандажные кольца и т.д., были разработаны нормы допустимой длительности подобных анормальных режимов.
В 1980 г. был изготовлен опытный образец турбогенератора с полным водяным охлаждением мощностью 800 МВт серии Т3В для Рязанской ГРЭС (рис.9). Он отличался оригинальной самонапорной схемой водяного охлаждения обмотки возбуждения и отсутствием водорода, что повышало безопасность его эксплуатации. Многие фирмы пробовали изготавливать турбогенераторы с водяным охлаждением ротора, но обычно из-за напорной схемы такие генераторы не отличались высокой надежностью. Создание генератора явилось результатом работы на протяжении более 20 лет над совершенно новой, надежной схемой снабжения ротора дистиллятом и наработки опыта эксплуатации на трех опытных генераторах мощностью 63 МВт в условиях электростанций. За созданием этой новой техники стояли коллективы под руководством А.Б. Шапиро и И.А. Кади-Оглы.
Рисунок 9. Турбогенератор 800 МВт с полным водяным охлаждением.
Возвращение воздушного охлаждения
В своё время генераторы с воздушным охлаждением были вытеснены генератором с косвенным водородным, а затем и непосредственным водородным охлаждением. Лучшая теплоотвводящая способность водорода, уменьшение потерь на трение, восстановительная среда внутри генератора были главными побудительными причинами для этого. Тем не менее с развитием технологий и материалов в мире к началу 1990-х г. наметился процесс возвращения к воздушному охлаждению как наиболее простому. Возвращение к воздушному охлаждению происходило на новом техническом уровне, прежде всего с применением новейшей термореактивной изоляции, прогрессивных схем циркуляции охлаждающего воздуха, электротехнической стали с малыми удельными потерями, новых методов проектирования.
В 1990-е г. на заводе «Электросила» была разработана система изоляции «Элмикатерм» и технология её изготовления, отличающаяся повышенной электрической прочностью и теплопроводностью. Применение новой изоляции позволило разработать новую серию турбогенераторов ТФ с воздушным охлаждением для постройки новых блоков и замены выработавших свой срок службы генераторов с водородным охлаждением. Расширение воздушного охлаждения на всё больший диапазон мощностей позволяет отказаться от вспомогательных систем маслоснабжения уплотнений вала и снабжения водородом, упростить конструкцию, повысить безопасность и облегчить техническое обслуживание генераторов. Для практической проверки схем непосредственного воздушного охлаждения обмотки возбуждения был разработан макет вращающегося ротора, на котором отрабатывались различные варианты охлаждения и уточнялись расчетные методики. Эта работа позволила создать конструкцию ротора с подпазовым каналом и радиальными охлаждающими каналами в обмотке. Первый генератор мощностью 60 МВт был изготовлен в 1994 г. для Пензенской ТЭЦ-1. Затем последовали машины мощностью 25, 36, 40, 60, 110 и 160 МВт, разработанные под руководством Г.М. Хуторецкого.
Современность
В конце 1990-х г. было положено начало новой серии турбогенераторов ТА с воздушным охлаждением небольшой мощности 6-30 МВт. Генераторы этой серии отличаются катушечной обмоткой статора, позволяющей обеспечить низкий уровень добавочных потерь в обмотке, высокий КПД и снижение габаритов машины. Поскольку это машины относительно небольшой мощности, удалось сконструировать ротор с косвенным воздушным охлаждением обмотки за счёт каналов в зубцах вала. Первый генератор мощностью 12 МВт был поставлен в 1999 году для ТЭЦ г. Лабытнанги. В настоящий момент серия включает в себя генераторы мощностью 6, 8, 12, 25 и 30 МВт.
Дальнейшее совершенствование методов проектирования и совершенствование схем охлаждения позволило разработать следующую серию турбогенераторов с воздушным охлаждением – Т3Ф. Генераторы этой серии являются дальнейшим развитием серии ТФ и отличаются улучшенными характеристиками, достигаемыми за счет разделения потоков воздуха, охлаждающих ротор и статор, исключения их взаимного отрицательного влияния, что позволило снизить нагрев активных и конструктивных частей генератора. Для охлаждения статора были применены оригинальные U-образные каналы, которые предварительно были исследованы на макетах. Для циркуляции воздуха использованы центробежные вентиляторы вместо осевых, которые отличаются большим КПД и производительностью. Первый генератор серии Т3Ф мощностью 110 МВт был поставлен в 1998 г. на ТЭЦ-27 Мосэнерго (рис.10). Дальнейшее развитие серии позволило постепенно освоить мощности 130, 160, 180, 220 МВт на воздушном охлаждении. Изготовлено большое количество турбогенераторов для оснащения новых блоков ПГУ, отличающихся повышенной маневренностью – для них турбогенераторы с воздушным охлаждением являются наиболее востребованными. При реконструкции объектов энергетики выполняются замены старых машин, отработавших свой срок службы, на новые турбогенераторы с воздушным охлаждением, что позволяет снизить затраты на техническое обслуживание. Для всех типов старых машин разработаны проекты по замене с установкой на существующий фундамент без доработок или с небольшими доработками. Серийный выпуск генераторов на заводе «Электросила» отличается применением унифицированных отработанных конструктивных и технологических решений.
Рисунок 10. Турбогенератор мощностью 110 МВт серии Т3Ф.
Накопленный опыт эксплуатации и технического обслуживания позволил постоянно совершенствовать конструкцию турбогенераторов и учитывать мельчайшие нюансы. Поскольку при воздушном охлаждении затраты на вентиляцию существенны, для эффективного охлаждения большое внимание было уделено аэродинамике внутри турбогенератора, выбору эффективных направляющих аппаратов и оптимальных сечений воздушного тракта. По мере изготовления генераторов в их конструкцию вносятся усовершенствования, отражающие накопленный опыт эксплуатации, для повышения надежности и удобства обслуживания.
В настоящий момент АО «Силовые машины» ведёт дальнейшую работу по совершенствованию турбогенераторов с воздушным охлаждением, применением новых современных материалов и изоляции с повышенной теплопроводностью. В изготовлении находятся турбогенераторы для отечественных газовых турбин большой мощности, изготавливается головной образец турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью 300 МВт. Генератор с воздушным охлаждением мощностью 300 МВт имеет меньшие габаритные размеры, чем первый генератор с водородным охлаждением мощностью 150 МВт – что наглядно отражает прогресс в электромашиностроении за прошедшие годы. Стоит отметить, что в настоящее время всего несколько иностранных фирм способны выпускать турбогенераторы с воздушным охлаждением такой мощности.
Для новых блоков АЭС были разработаны турбогенераторы с полным водяным охлаждением мощностью 890 МВт и 1200 МВт. Отказ от взрыво- и пожароопасного водорода позволил проектировщику АЭС сократить затраты на вспомогательное хозяйство машинного зала, упростить противопожарные мероприятия, облегчить эксплуатацию. На турбогенераторе мощностью 890 МВт впервые была применена нержавеющая трубка в обмотке статора вместо медных полых элементарных проводников. Это позволило исключить коррозию и вымывание меди, облегчить ведение водно-химического режима на электростанции. В 2010 г. после успешных испытаний на стенде завода турбогенератор был поставлен на Белоярскую АЭС.
Машина мощностью 1200 МВт была выполнена шестифазной по опыту машины ТВВ Костромской ГРЭС – с использованием уже отработанных и зарекомендовавших себя конструкторских решений. В рамках проекта АЭС-2006 было осуществлено строительство нескольких атомных энергоблоков. Головной образец турбогенератора был изготовлен в 2011 г. (рис.11). Каждый турбогенератор прошел всесторонние испытания на стенде завода «Электросила» по определению характеристик и режимных параметров.
Рисунок 11. Турбогенератор мощностью 1200 МВт серии Т3В на испытательном стенде.
В то же время конструкция генераторов с водородно-водяным охлаждением серии ТВВ тоже подверглась пересмотру на современном техническом уровне. За счет оптимизации конструкции были разработаны генераторы мощностью 230, 350, 550, 830 МВт в габаритах машин 220, 320, 500, 800 МВт соответственно. Для старых машин, длительно находящихся в эксплуатации, разработаны пакеты модернизаций, отражающие последние конструктивные усовершенствования и позволяющие выполнить модернизацию турбогенераторов с повышением мощности. Для выполнения этих работ в условиях электростанции сотрудники сервисных служб АО «Силовые машины» разработали полный комплекс специального мобильного технологического оснащения.
Применение новых современных материалов и технологий позволили отказаться от непосредственного водяного охлаждения обмотки статора для машины 160 МВт и выполнить её с косвенным водородным охлаждением на мощность 165 МВт.
Дальнейшее совершенствование конструкции турбогенераторов серии ТВВ для АЭС позволило выполнить турбогенераторы мощностью 1170 МВт в тихоходном и 1100 МВт быстроходном исполнении в габаритах соответствующих машин мощностью 1000 МВт для замены машин на существующих блоках (рис.12). Генераторы отличаются новым усовершенствованным креплением лобовых частей обмотки статора, имеющим повышенную вибрационную стойкость, соединительными шинами статора круглого сечения, имеющими одинаковую жесткость по различным направлениям в поперечном сечении, мероприятиями по повышению эффективности охлаждения обмоток статора и ротора, применением современных средств технологического контроля.
Рисунок 12. Замена статора турбогенератора при повышении мощности энергоблока до 1100 МВт.
Дальнейшим развитием стало создание турбогенератора мощностью 1255 МВт на 1500 об/мин для Курской АЭС-2. Конструктивно генератор вобрал в себя решения, хорошо отработанные на электростанциях по генераторам мощностью 1000 МВт и другим машинам. При этом в отличие от прежних машин ТВВ циркуляция охлаждающего водорода осуществляется по более простой одноструйной нагнетательной схеме с двумя осевыми вентиляторами и радиальными охлаждающими каналами обмотки возбуждения, снабжаемыми водородом из подпазового канала ротора. Это позволило более чем в 1,5 раза снизить механические потери по сравнению с традиционной конструкцией генераторов серии ТВВ с центробежными вентиляторами и охлаждением обмотки ротора с самовентиляцией из зазора генератора с использованием заборников и дефлекторов. Это позволило получить КПД генератора 99,04% – превосходящий показатели зарубежных фирм при сопоставимой удельной материалоемкости.
В конце 2021 г. головной образец турбогенератора был успешно испытан на заводском стенде и отгружен Заказчику. Генератор является самым крупным из изготовленных в России (рис.13). Сейчас ведётся проектирование машин ещё большей мощности – 1300 МВт в тихоходном и быстроходном исполнении.
С 2014 г. ведётся работа по исключению импортных материалов и комплектующих для повышения независимости от заграничных поставок. Конструкции существующих машин пересмотрены, а проектирование новых генераторов сразу ведётся с учётом требований импортозамещения. Это позволило полностью отказаться от импорта из недружественных стран и обеспечить независимость от него отечественной энергетики в части турбогенераторов.
Рисунок 13. Статор турбогенератора мощностью 1255 МВт.
Заключение
Создание турбогенераторов на каждом этапе технического прогресса связано с решением сложных и неординарных конструкторских и технологических задач. Требуется обобщение накопленного опыта эксплуатации, непосредственное взаимодействие с электрическими станциями при проведении обследований и технического обслуживания генераторов, выполнения большого объема исследовательской работы и специальных испытаний, развития методов электромагнитных, тепловых, механических расчетов, средств автоматизированного и трехмерного проектирования, проведения НИР по материаловедению и совершенствования технологии.
АО «Силовые машины» обладает всеми необходимыми компетенциями, производственной базой, квалифицированным коллективом сотрудников и обеспечивает полную независимость Российской Федерации от импортных поставок турбогенераторов. Продуктовая линейка включает в себя современные турбогенераторы мощностью от 6 до 1255 МВт для сопряжения с паровыми и газовыми турбинами на тепловых и атомных электростанциях.
Литература
- Отчет о функционировании ЕЭС России в 2023 году (на основе оперативных данных). https://www.so-ups.ru/fileadmin/files/company/reports/disclosure/2024/ups_rep2023.pdf
- Титов В.В., Хуторецкий Г.М., Загородная Г.А. Турбогенераторы расчет и конструкция. – Энергия, Л., 1967.
- Титов В.В. Развитие турбогенераторов завода «Электросила» с непосредственным охлаждением (1958-1981). // Из истории энергетики, электроники и связи. Вып.13. – М., 1982.
- Сборник «Электросила» №27. – Энергия, Л., 1968.
- Сборник «Электросила» выпуск 39 – СПб, 2000.
