Варламов А.Ю., Гришин Н.В., Железняк В.Н., Карташова Т.Н.

Журнал Электрические сети. Энергопрогресс. - 2025. - №10. – С.50-57

Введение.

Развитие мирового электромашиностроения неразрывно связано с применением наиболее простых систем охлаждения для турбогенераторов всё большей мощности. Там, где когда-то в качестве охлаждающего агента применились водород и вода, сегодня используется воздух. Отказ от применения водорода или воды в системе охлаждения турбогенератора позволяет повысить надежность, удобство эксплуатации и обслуживания, снизить затраты на проектирование и строительство, сократить эксплуатационные издержки. Прогресс в электротехнических материалах и средствах проектирования позволил за последнее время нескольким передовым зарубежным фирмам разработать и произвести турбогенераторы с воздушным охлаждением и достигнуть единичной мощности уровня 300 МВт. Одной из ведущих мировых фирм, работающих в этом направлении, является АО «Силовые машины». В мае 2025 года на испытательном стенде завода «Электросила» АО «Силовые машины» были проведены приёмочные испытания головного образца самого мощного в России турбогенератора с полным воздушным охлаждением типа Т3ФП-350-2 с номинальной мощностью 306 МВт собственной разработки завода «Электросила». В статье рассмотрены основные результаты разработки и испытаний этого турбогенератора.

Основы разработки и параметры турбогенератора

В конструкции турбогенератора воплотился опыт разработки, изготовления и эксплуатации турбогенераторов завода «Электросила» с воздушным охлаждением мощностью от 63 МВт до 225 МВт и машины с комбинированным воздушно-водяным охлаждением мощностью 320 МВт [1, 2, 3, 8].

Воздух обладает низкой теплоотводящей способностью и высокой плотностью, поэтому отличается слабой интенсивностью охлаждения и значительными вентиляционными потерями. По этой причине выбор системы охлаждения является основным вопросом при разработке мощных турбогенераторов с полным воздушным охлаждением, поскольку она служит базой для создания генератора с оптимальными рабочими характеристиками: достаточным охлаждением при рациональных затратах материалов и мощности.

Целый ряд технических проблем, связанных с повышением эффективности охлаждения активных частей и уменьшением затрат мощности на вентиляцию, подлежал решению при проектировании турбогенератора мощностью 306 МВт с полным воздушным охлаждением [4, 5]:

Основные технические параметры турбогенератора в соответствии с заданием на проектирование приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Наименование параметра	Значение
Активная мощность, МВт	306
Полная мощность, МВ×А	360
Частота, Гц	50
Частота вращения, об/мин	3000
Коэффициент мощности	0,85
Напряжение статора, кВ	20
Номинальный ток статора, кА	10,392
Номинальный ток ротора, А	1927
Коэффициент полезного действия, %	98,81
Число фаз обмотки статора	3
Соединение фаз обмотки статора	Двойная звезда

На рисунке 1 показан общий вид турбогенератора.

Рисунок 1. Общий вид турбогенератора Т3ФП-350-2

По своим технико-экономическим показателям разработанный турбогенератор находится на уровне лучших мировых образцов. Сравнение технических показателей турбогенератора с зарубежными аналогами приведено в таблице 2.

Таблица 2

Наименование параметров	АО «Силовые машины» завод «Электросила»	Siemens	Ansaldo	Alstom
Активная мощность, МВт	до 350	314,5	320	340
Полная мощность, МВА	до 412	370	400	400
Напряжение статора, кВ	20	20	20	21
Частота вращения, об/мин	3000
Коэффициент полезного действия, %	98,81	98,8	98,65	98,7
Масса генератора на единицу мощности, кг/кВА	0,97	0,9	0,98	1,07

Турбогенератор типа Т3ФП-350-2 имеет высокое значение коэффициента полезного действия, превышающее уровень турбогенераторов зарубежных фирм. При этом такой показатель, как масса генератора на единицу мощности находится на уровне зарубежных аналогов.

Обоснование принятых конструктивных решений.

Конструкция современных мощных турбогенераторов с воздушным охлаждением, принятая мировой практикой электромашиностроения, основывается на принципе косвенного охлаждения обмотки статора и непосредственного охлаждения обмотки возбуждения.

Охлаждение обмотки ротора в генераторе, как и в большинстве крупных фирм, осуществляется при помощи радиальных и аксиальных каналов.

В генераторах производства завода «Электросила» мощностью до 160 МВт с воздушным охлаждением выпуска 90-х годов прошлого века применялась многоструйная нагнетательная схема вентиляции, характерная для генераторов многих производителей, имеющая ряд существенных недостатков, связанных со снижением эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора из-за взаимной связи систем охлаждения статора и ротора. Это определяет технические ограничения при увеличении единичной мощности машины.

По этой причине заводом «Электросила» была разработана серия турбогенераторов Т3Ф с вытяжной схемой вентиляции [6, 3, 8], позволяющей исключить влияние ротора на систему охлаждения сердечника статора. В такой схеме основной сердечник статора выполняется с U-образными каналами, не сообщающимися с воздушным зазором между статором и ротором, обеспечивается равномерное охлаждение обмотки и сердечника по всей его длине и окружности. Серия включает в себя турбогенераторы мощностью вплоть до 225 МВт.

Для обеспечения возросшей мощности 306 МВт кроме масштабирования уже отработанных технических решений при разработке были предусмотрены дополнительные мероприятия:

• снижены плотности тока и оптимизированы потери в обмотке статора путем рационального выбора обмоточных данных;
• применена современная импортозамещенная изоляция обмотки статора с повышенной теплопроводностью, выполненная по технологии изолировки стержней предварительно пропитанными лентами с последующей гидростатической опрессовкой и запечкой;
• повышена эффективность системы охлаждения статора за счет оптимизации толщины пакетов активной стали сердечника;
• разработан узел центробежного вентилятора, включающий конструкцию подачи воздуха в вентилятор и выхода воздуха из вентилятора, позволивший обеспечить высокий КПД центробежного вентилятора (рисунок 2) и существенное снижение вентиляционных потерь;
• для эффективного охлаждения обмотки ротора и экономии затрат мощности на циркуляцию охлаждающего воздуха через ротор в тракте подачи охлаждающего воздуха в роторе установлены неподвижные направляющие лопатки, а перед входом в подбандажное пространство ротора – вращающийся направляющий аппарат (рисунок 3) [7];
• выполнены конструктивные мероприятия по сокращению паразитных перетоков охлаждающего воздуха в пазовой зоне сердечника статора, обеспечивающие равномерность температур обмотки и стали по окружности и длине сердечника;
• выполнены конструктивные мероприятия по сокращению паразитных перетоков охлаждающего воздуха в воздухоохладителях;
• применены воздуховоды специальной аэродинамической формы для подачи воздуха из центробежных вентиляторов в активную зону статора;
• использована двухступенчатая очистка воздуха в системе компенсации утечек воздуха из генератора.

Рисунок 2. Центробежный вентилятор	Рисунок 3. Вращающийся направляющий аппарат ротора

Конструкция турбогенератора.

Генератор представляет собой трехфазную неявнополюсную синхронную электрическую машину. Он состоит из неподвижной части (статор), включающей в себя сердечник и обмотку, присоединяемую к внешней сети, и вращающейся части (ротор), на которой размещена обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. Система возбуждения генератора – статическая тиристорная.

Циркуляция охлаждающего воздуха осуществляется по многопараллельной вытяжной схеме, обеспечивается двумя центробежными вентиляторами, размещенными по обе стороны бочки ротора, и самонапорным действием радиальных и аксиальных охлаждающих каналов ротора. Схема вентиляции генератора показана на рисунке 4.

Охлаждение обмотки и стали в основной зоне сердечника статора происходит с помощью U-образных каналов (рисунок 5). В такой системе охлаждения исключен воздухообмен между U-образными каналами статора и воздушным зазором между статором и ротором.

Рисунок 4. Схема вентиляции генератора	Рисунок 5. Схема вентиляции статора

Корпус генератора служит опорой для статора обмотанного, концевых выводов, щитов и уплотнений и обеспечивает циркуляцию охлаждающего воздуха внутри генератора по замкнутой схеме. На боковых поверхностях концевых частей корпуса предусмотрена подача воздуха из машин­ного зала через фильтры в зоны низкого давления для компенсации незначительных утечек воздуха из корпуса генератора.

Сердечник статора собран из сегментов электротехнической стали и вдоль оси подразделен на пакеты, между которыми имеются U-образные вентиляционные каналы, вход и выход которых расположены на наружной поверхности сердечника. Поверх­ность сегментов покрыта изоляционным лаком. Спрессованный сердечник статора стягивается стальными ребрами и нажимными кольцами из немагнитной стали.

Для демпфирования магнитных потоков рассеяния лобовых частей обмотки статора под нажимными кольцами установлены медные экраны и магнитные шунты из электро­технической стали. Крайние пакеты статора выполняются ступенчатыми и запеченными для обеспечения монолитности и сохранения усилия прессовки в зубцовой зоне. Конструкция торцевой зоны статора обеспечивает работу в режимах с потреблением реактивной мощности.

Обмотка статора – трехфазная, двухслойная стержневая с укороченным шагом. Для снижения добавочных потерь в обмотке статора стержни транспонированы в пазо­вой и в лобовой части. Изоляция обмотки термореактивная повышенной теплопроводности, выполненная по технологии изолировки стержней предварительно пропитанными лентами с последующей гидростатической опрессовкой и запечкой. Обмотка зафиксирована в радиаль­ном направлении клиньями из стеклотекстолита.

Лобовые части обмотки корзиночного типа. Крепление лобовых частей выполнено с помощью шнура с использованием системы кронштейнов, колец, распорок и клиньев. Такая конструкция обеспечивает жесткое крепление лобовых частей и возможность теплового расширения.

Ротор изготовлен из цельной поковки специальной стали, обеспечивающей его механическую прочность при всех заданных режимах работы генератора. В средней части вала – «бочке» – выполнены продольные пазы для размещения обмотки возбуждения и для выравнивания изгибной жесткости по взаимно перпендикулярным осям сечения вала. Пазы для выравнивания жесткости заполняются магнитными вставками.

Обмотка ротора изготовлена из полосовой меди с присадкой серебра. Пазовая и витковая изоляция катушек класса нагревостойкости F выполнена из стеклоткани, пропитанной теплостойкими эпоксидными лаками. Охлаждение обмотки осуществляется непосредственно воздухом с использованием подпазовых каналов и вентиляционных каналов в проводниках. Дюралюминиевые клинья, удерживающие обмотку в пазах, имеют выходные отверстия для охлаждающего воздуха, совпадающие с вентиляционными каналами обмотки.

Бандажный узел однопосадочной конструкции. Коррозионностойкие бандажи  вместе с центрирующим кольцом закреплены горячей посадкой на заточке бочки ротора. От осевых перемещений бандажное кольцо удерживается на бочке кольцевой шпонкой, зацепленной за носик бандажа. Лобовые части обмотки ротора изолированы от бандажей и центрирующих колец изоляционными сегментами.

Контактные кольца насажены в горячем состоянии на изолированный вал за под­шипником со стороны, противоположной турбине. Стержни токоподвода, расположенные в центральном отверстии ротора, соединены с обмоткой и контактными кольцами с помощью изолированных гибких шин и специальных изолированных токоведущих болтов.

Движение охлаждающего воздуха по радиальным каналам в пазовой части и аксиальным каналам в лобовых частях обмотки ротора происходит под действием центробежного давления, развиваемого самими каналами.

Результаты испытаний.

Приёмочные испытания головного образца турбогенератора
Т3ФП-350-2 на стенде завода «Электросила» были проведены сотрудниками центра испытаний и исследований завода в полном соответствии с действующими нормативными документами. Турбогенератор в процессе сборки на испытательном стенде представлен на рисунке 6. Дополнительно с применением специальной исследовательской оснастки сотрудниками отдела натурных испытаний были выполнены специальные измерения, помогающие оценить физические процессы, происходящие в машине.

Рисунок 6. Сборка генератора Т3ФП-350-2 на испытательном стенде завода «Электросила»

При испытаниях генератора на стенде завода подробно исследованы его электромагнитные характеристики и параметры. Результаты электрических испытаний хорошо согласуются с расчётными данными.  По результатам приёмочных испытаний турбогенератора типа Т3ФП-350-2 его технические характеристики полностью соответствуют техническому заданию на генератор.

Для определения электромагнитных параметров и постоянных времени проведён опыт внезапного трёхфазного короткого замыкания из исходного режима холостого хода с напряжением равным 0,2, 0,5 и 0,7 номинального при номинальной частоте вращения. По данным обработки осциллограмм определены значения переходного и сверхпереходного индуктивных сопротивлений по продольной оси. Осциллограммы, иллюстрирующие опыты внезапного трёхфазного короткого замыкания для 0,7 номинального напряжения представлены на рисунке 7. Во время этого опыта была подтверждена механическая прочность крепления лобовых частей обмотки статора.

Сверхпереходные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям определены из опыта поочерёдного однофазного питания каждой пары фаз обмотки статора при произвольном положении ротора (обмотка ротора закорочена), сопротивление нулевой последовательности - из опыта однофазного питания трёх фаз обмотки статора.  

 

Рисунок 7. Осциллограмма опыта внезапного трехфазного короткого замыкания при напряжении статора 0,7 номинального значения

Сравнение опытных и расчётных значений основных параметров приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Наименование   параметра	Величина
	Опыт	Расчет
Номинальный  ток возбуждения, А	1927	1970
Статическая перегружаемость, о.е.	1,703	1.75
Отношение короткого замыкания, о.е.	0,55	0.5
Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	2,0	2,05
Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси	0,262	0,25
Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси из опыта поочередного однофазного питания обмотки статора при неподвижном роторе, о.е.	0,19	0,18

Проведены испытания электрической прочности изоляции обмотки статора относительно корпуса и между фазами выпрямленным напряжением 65,6 кВ и переменным напряжением 41 кВ частотой 50 Гц в течение одной минуты.

Изоляция обмотки ротора относительно корпуса выдержала испытание переменным напряжением 3250 В частотой 50 Гц при температуре ротора 95 °С и частоте вращения ротора 3000 об/мин в течение одной минуты.

Потери в генераторе и коэффициент полезного действия определены методом тарированного двигателя. При снятии характеристик холостого хода и короткого замыкания определены потери холостого хода, короткого замыкания и механические потери. Потери и КПД генератора приведены в таблице 4.

Таблица 4

Наименование параметра	Значение
Потери холостого хода, кВт	513
Потери короткого замыкания, кВт	735
Потери на возбуждение, кВт	627
Механические потери, кВт	1804
Суммарные потери, кВт	3679
Коэффициент полезного действия генератора, %	98,81

По результатам испытаний полученный КПД генератора 98,81% превышает требования технического задания.

Тепловое состояние генератора.

Испытания на нагревание были выполнены в соответствии с действующими стандартами в косвенных режимах нагрузки – при холостом ходе без возбуждения, холостом ходе с номинальным напряжением и симметричном трехфазном коротком замыкании при номинальном токе статора. Дополнительно был проведён режим короткого замыкания с током, соответствующим мощности 350 МВт (1,14 номинального тока статора).

Тепловое состояние генератора контролировалось при помощи термопреобразователей сопротивления (ТС), измеряющих температуры обмотки и активной стали статора, охлаждающего воздуха и технической воды.

Исследовательский температурный контроль активной стали сердечника проводился при помощи дополнительной температурной оснастки, установленной в середине пакетов по их высоте и длине сердечника статора.

Оснащение статора не только штатными, но и дополнительными датчиками, термоэтикетками, выполнение тепловизионной съёмки торцевой зоны генератора и проведение теплового режима короткого замыкания с повышенным током статора, соответствующим мощности 350 МВт, позволило получить достаточно полную информацию о тепловом состоянии обмотки и сердечника статора, обмотки ротора и выполнить достоверный прогноз на номинальную нагрузку 306 МВт.

Результаты тепловых испытаний на стенде завода «Электросила» приведены в таблице 5. В таблице 5 показаны максимальные превышения температур над охлаждающим воздухом в обмотке и стали сердечника статора и прогноз максимальных температур для номинальной нагрузки 306 МВт.

Таблица 5

Режим испытаний	Обмотка	Сердечник
Холостой ход без возбуждения	2,7	2,0
Холостой ход U=Uн	17,	10,5
Короткое замыкание I=Iн =10392 А (306 МВт)	35,7	11,0
Короткое замыкание I=11887 А (350 МВт)	48,1	15,3
Прогноз максимальных температур при номинальной нагрузке 306 МВт при максимальной температуре охлаждающего воздуха 42 °С	95	64
Допустимая температура по классу В (класс нагревостойкости изоляции F 155 °С)	125	120

Результаты тепловых испытаний показали, что обмотка и активная сталь сердечника статора обладают достаточным термическим запасом. На рисунке 8 (А, Б) приведены распределения превышения температур стали по пакетам сердечника от краёв к середине генератора, измеренные при помощи температурных датчиков, размещённых в середине пакетов, в тепловых режимах: холостом ходу без возбуждения (синий цвет), в холостом ходу при номинальном напряжении (оранжевый цвет) и коротком замыкании с номинальным током статора (серый цвет).

Рисунок 8. Распределение превышений температуры стали сердечника над охлаждающим воздухом по длине сердечника (А – вблизи расточки статора, Б – середина зубца)

Распределение превышений температуры стали по длине основного сердечника, начиная с девятого пакета, носит практически равномерный характер с низким уровнем нагрева. Максимальное превышение температуры стали над охлаждающим воздухом измерено в середине 12-го пакета в основании зубцов составило 27 °С, в режиме короткого замыкания с номинальным током – 23 °С. В номинальном режиме нагрузки 306 МВт при максимальной температуре охлаждающего воздуха 42 °С максимальная температура стали в середине пакетов не превысит 95 °С при допустимой температуре 120 °С.

Температура обмотки ротора измерялась методом сопротивления. Результаты испытаний представлены на рисунке 10. Превышение температуры обмотки ротора при номинальном токе ротора определено методом экстраполяции на основе режимов на нагревание, проведённых на испытательном стенде завода.

 

Рисунок 9. Зависимость среднего превышения температуры обмотки ротора от потерь на возбуждение

Средняя температура обмотки ротора при номинальном токе 1927 А и максимальной температуре охлаждающего воздуха 42 ºС составляет 91 ºС при допустимой температуре 130 ºС.

Результаты механических исследований.

В режимах холостого хода с номинальным напряжением и короткого замыкания с номинальным током статора были проведены механические исследования, которые показали, что конструктивные элементы генератора на частоте 100 Гц имеют довольно небольшой уровень вибрации, а именно:  

Выводы.

1. В рамках реализации проекта по созданию первого российского турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью более 300 МВт разработан и изготовлен турбогенератор Т3ФП-350-2 с частотой вращения 3000 об/мин с номинальной мощностью 306 МВт и перспективой повышения мощности.
2. Результаты стендовых испытаний турбогенератора подтверждают соответствие его характеристик разработанному проекту.
3. Применение вытяжной многопараллельной схемы вентиляции с высоко эффективными центробежными вентиляторами и ротором с самовентиляцией обмотки из подпазового канала с установкой в тракте подачи воздуха в ротор неподвижного и вращающегося направляющих аппаратов позволило обеспечить интенсивное охлаждение обмоток статора и ротора, снизить затраты мощности на циркуляцию охлаждающего воздуха в каналах статора и ротора и получить высокий КПД генератора.
4. Обеспечен достаточный термический запас по тепловому состоянию активных и конструктивных элементов генератора. Оснащение статора дополнительными датчиками и проведение дополнительных режимов тепловых испытаний с повышенным током статора, соответствующим мощности 350 МВт, позволило получить достаточно полную информацию о тепловом состоянии обмотки и сердечника статора, обмотки ротора и выполнить достоверный прогноз на номинальную нагрузку 306 МВт.

Список использованных источников.

1. Кади-Оглы И.А., Карташова Т.Н., Шалаев В.Г. Проблема повышения эффективности воздушного охлаждения турбогенераторов. – Сб. «Электросила», №39, 2000. С.22-27.
2. Антонюк О.В., Гуревич Э.И., Карташова Т.Н. Современная проблематика и перспективы развития газового охлаждения турбогенераторов. «Электрические станции», 2014, №5, с.41-47.
3. Гуревич Э.И., Пафомов Ю.В., Пермут А.С. Экспериментальное исследование теплоотдачи в U-образных каналах статора турбогенератора с воздушным охлаждением. Сб. «Электросила», №43, 2004. С.77-82.
4. Гуревич Э.И. Тепловые испытания и исследования электрических машин / Л.: Энергия, 1977.
5. Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах / Л: Энергоатомиздат, 1986.
6. Кади-Оглы И.А., Шаров В.И., Карташова Т.Н., Антонов Ю.Ф., Пафомов Ю.В.,
   Мигас А.Г. Способ газового охлаждения электрической машины и электрическая машина с направляющими аппаратами в системе охлаждения ротора. Патент РФ на изобретение,
   RU 2258295, 5 мая 2003.
7. Антонюк О.В., Карташова Т.Н., Прокофьев А.Ю. Электрическая машина с направляющими аппаратами в системе охлаждения ротора. Патент РФ на изобретение, RU 2560721, 8 июля 2014.
8. Антонюк О.В., Ройтгарц М.Б., Железняк В.Н., Гришин Н.В. Индивидуальный подход к заказчикам как основа расширения номенклатуры турбогенераторов ОАО «Силовые машины». «Новое в российской электроэнергетике», №10, 2015. С.6-15.

---