№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.313.12
© 2008 г. ЖЕЛОКОВА М.З., МАКСИМОВА И.Ф.
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЩНЫХ ВЫСОКООБОРОТНЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ
Приведено современное состояние работ по созданию электрических машин с частотой вращения свыше 15000 об/мин предельных мощностей. Дана оценка предельных мощностных показателей перспективных высокооборотных машин, которая может быть использована при разработке технического задания на создание соответствующих машин и источников питания нестандартных потребителей.
В связи с поставленной перед энергетикой России задачей обеспечения энергобезопасности страны и повышения надежности энергообеспечения потребителей в последнее время резко возросло внимание к проблемам развития малой энергетики. Особый интерес проявляют организации Газпрома, промышленности, транспорта, предприятий ЖКХ. Однако уровень развития современной техники и многих перспективных разработок ограничивается возможностью создания энергоемких компактных источников электропитания. Наличие достаточно мощных электрических машин со сверхвысокой частотой вращения (СВЭМ) (>15000 об/мин) позволит решить эту задачу [15]. Поэтому полезна любая информация об уже созданных или детально разработанных конструкциях, которые могут служить прообразом СВЭМ значительной мощности с предельной степенью использования.
В табл. 1 приведены показатели разработанных мощных СВЭМ [2-18]. Основное внимание уделено публикациям последних 10 лет. Информация по более ранним разработкам приводится для промышленно освоенных образцов, например, [8].
Разнообразно конструктивное исполнение СВЭМ: синхронные машины (СМ) и асинхронные (АМ), вентильные, индукторные, униполярные, с массивным ротором, с постоянными магнитами (ПМ), с когтеобразным ротором, торцевые. Предельные мощности СВЭМ, в первую очередь, определяются частотой вращения и режимом нагрузки. Если при частоте вращения до 30000 об/мин нагрузки мегаваттные, то по мере ее роста наблюдается резкое падение мощности (до десятка киловатт при >100000 об/мин в кратковременном режиме работы).
СВЭМ используются в авиационной и космической технике, поэтому основное внимание было уделено этому классу машин [1, 3, 17]. При высокой надежности они имеют минимальные массу и габариты, что достигается за счет использования высококачественных электромагнитных материалов, оптимальных конструкторских решений, но при сокращенном ресурсе работы по сравнению с аналогичными наземными устройствами. В их конструкции широко используются алюминий, магний, титановые сплавы [1, 3]. В СВЭМ применяются подшипники скольжения, жидкостные шарикоподшипники без наполнения консистентной смазкой, магнитные и газовые подшипники [7]. Для повышения механической прочности ротора с ПМ на его внешней поверхности часто размещают бандаж или тонкостенную гильзу, что приводит к существенному уменьшению вращающего момента, поэтому важен подбор их материала. Разработана конструкция бандажа с использованием борного волокна [19]. В этом случае уда-
Высокооборотные электрические машины
< Частота вращения, об/мин Параметры Особенности Ссыл-
п/п cos ф Мощность Масса ка
15000-30000 об/мин
1 15000 0,95 250-1500 кВт 600 кг ПМ: Ш-Бе-В; бандаж И; магнитные клинья; литца; роликовые конические подшипники; модульное исполнение ротора 6
2 (15000)-24000 350-(1000) кВт (0,35)-0,45 кг/кВА до 535°С 3
3 16000 10000 кВт 0,05 кг/кВА ПМ (РЗМ) 3
4 18000 200 кВА 1 кг/кВт АГ расчет: 400 А/см; 10-16 А/мм2; В5 = 1,1 Тл 5
5 18000-24000 до сотен кВт 0,5-1 кг/кВт АГ расчет 7
6 20000 0,6 1800 кВт 1185 кг активная масса АТМ-180 испытан; вентиляторная нагрузка; Уокр = 262 м/с 8
7 20000 1500 кВт ПМ: Ш-Бе-В толщиной 22 мм 9
8 (20000)-24000 50-(100) кВт 0,5-0,8 кг/кВт АГ 5
9 24 000 158 кВА 45,4 кг активная масса Авиационная СЭП 10
10 24 000 0,9 800 кВт 500 кг Турбогенератор с ПМ: Ш-Бе-В 4
11 30000 0,6 600 кВт АТМ-60 ¡/Б = 7,2; Уокр = 158 м/с; охлаждение: вода + воздух 8
12 30000 150 кВт Импульсный АГ 11
30000-50000 об/мин
13 40000 0,95 40 кВт 6,9 кг активная Расчет ПМ: Nd-Fe-B 12
120 кВт 16,3 кг масса Продувное охлаждение Продолжительный режим работы
14 до 40000 0,15-1 МВт АД 13
15 до 48000 до 1000 кВт СГ (стартер) 14
16 50000 0,43 1000 кВт АТМ-200 испытан; Вентиля-Уокр = 370 м/с торная 8
17 0,65 400 кВт 0,62 кг/кВА АТМ-50 l/D = 7,2; нагрУзка Уокр = 264 м/с; длитель- °бмотка: ность нагрузки - 20' медь с А§
18 0,41 200 кВт 0,66 кг/кВА АТМ-50В l/D = 7,2; Уокр = 264 м/с; вода, воздух
19 50000 250 кВт ВД (расчетная оценка предела) 15
Свыше 50000 об/мин
20 67500 100 кВт ПМ с гребенчатой активной зоной бандаж: обойма из сплава В Т14 + + углепластик Т800В 16
21 77000 1 130 кВт ПМ: 8ш-Со (Вг > 1,2 Тл; Нс > 50 кА/м) Ротор: Ст. 25ХК15 17
22 до 70000 до 50 кВт 17
23 до 100000 70-(1000) кВт 0,1 кг/кВт ВМ торцевая печатная обмотка 18
лось при 12000 об/мин достичь 10 МВт, в других вариантах [20] эта мощность была получена при 30000 об/мин.
Уменьшение массы в авиационных машинах достигается за счет значительного повышения уровня их электромагнитных нагрузок при резко форсированной системе охлаждения. Используется непосредственное жидкостное охлаждение керосином, пропаном, маслом (струйное или омывающее в герметизированных полостях). Перспективно применение дисперсионных смесей, состоящих из жидкой и газообразной фаз. Используются смеси хладоагентов: трансформаторное масло и воздух, керосин и воздух. Рассматриваются режимы пленочного течения хладагентов [21]. Исследования показали перспективу применения криогенераторов для космических аппаратов, возможно использование высокотемпературных сверхпроводников.
Лучшие показатели достигнуты в АМ. Отдельного рассмотрения заслуживают асинхронные турбодвигатели, серийно выпускавшиеся объединением "Электросила" (серия АТМ с массивным ротором с частотой вращения 12000-50000 об/мин мощностью 3600-200 кВА) [8]. Конструктивные особенности их исполнения: номинальная частота находится за второй и даже за третьей критической скоростью вращения вала (отношение длины к диаметру l/D доходит до 9,3 - вар. 16, табл. 1); ротор выполнен массивным в виде стальной болванки. Обмоточный материал - медь с присадкой серебра или кадмиевая медь. При 500 Гц и выше использован провод в виде литцы. Сердечники статоров АТМ-200 (вар.16, табл. 1) и АТМ-50 (вар. 17, табл. 1) охлаждаются водой, циркулирующей внутри "рубашки", при этом ротор охлаждается гелием, а не воздухом (для уменьшения потерь на трение). Применены щитовые сегментные подшипники скольжения.
В Германии проводятся работы по созданию высокоскоростных асинхронных двигателей (АД). Фирма "Kemmerich Elektromotoren" разработала АД, на роторе которого использован титан (вар. 14, табл. 1) [13], при частоте вращения ~40000 об/мин используются магнитные опоры. Для АД с частотой вращения до 20000 об/мин поставляются обмотанные статоры с наружным диаметром от 37 до 750 мм при длине до 175 мм и заготовки роторов [22]. Мощность этих АД при частоте вращения 40000 об/мин - 130 кВт. Они используются для привода турбин самолетов при моделировании взлета и посадки.
Рассмотрим подробнее результаты некоторых разработок, уделяя особое внимание машинам с предельными показателями мощности. Для удобства анализа информация разбита на группы. Объединяющим признаком групп служит частота вращения.
Частота вращения до 30000 об/мин
В фирме "Jeumont-Schneider" испытан опытный образец мощного АД (1 МВт, 20000 об/мин, 960 В, КПД = 0,9, cos ф = 0,7) со сплошным стальным ротором и непосредственным водяным охлаждением обмоток статора [23]. В фирме CGE-Alsthom разработаны импульсные АМ (асинхронные генераторы АГ и АД) без стального маг-нитопровода с массивным ротором из алюминиевого сплава и статором с медной обмоткой [11]. АД применяются в быстроходных приводах, несмотря на их низкий коэффициент мощности: созданы двигатель мощностью до 1000 кВт при частоте вращения 10000 об/мин и АД мощностью 150 кВт со скоростью вращения 30000 об/мин (вар. 12, табл. 1). АГ могут кратковременно работать с очень высокой плотностью энергии, обеспечивая относительно продолжительное время разряда (несколько десятков секунд), поэтому они применяются для создания импульсных магнитных полей и питания мощных лазеров. Приведенная масса АГ при мощности ~100 кВт и скорости вращения ~24000 об/мин близка к 0,5-0,8 кг/кВт (с учетом массы конденсаторов возбуждения) при КПД ~(0,91-0,93) (вар. 8, табл. 1) [5].
Синхронные СВЭМ изготавливаются, в основном, с ПМ. В работе [9] приведены результаты расчетов СГ с радиально намагниченными ПМ, закрепленными бандажом из угольного волокна, мощностью 1,5 МВт с частотой вращения 20000 об/мин (вар. 7,
табл. 1), в [4] - мощностью 800 кВт при 24000 об/мин (вар. 10, табл. 1). Есть сообщения о разработке генераторов с ПМ со следующими показателями: приведенная масса 0,35 кг/кВА при мощности 8-120 кВА (без учета систем охлаждения); 0,15 кг/кВА при 110 кВт; 0,05 кг/кВт при 10 МВА (16000 об/мин, напряжение 1565 В, 1870 Гц - вар. 3, табл. 1) [3].
Наряду с СМ традиционной конструкции, при данной частоте вращения есть разработки и других типов генераторов, например, с когтеобразным ротором. Фирмой "North American Rockwell" разработаны генераторы (СГ) интегральной конструкции c ротором из сварных биметаллических дисков мощностью 0,35-1 МВт с частотой вращения 15000-24000 об/мин (вар. 2, табл. 1). Их показатели: при расходе материалов 0,35-0,45 кг/кВА, КПД ~0,93-0,95 [3]. В США для космической обитаемой станции разработана конструкция такого типа генератора мощностью 14,3 кВА при 30000 об/мин [24], в России - мощностью 52,5 кВА при 20000 об/мин. Сообщено об исследовании униполярного индукторного генератора мощностью 158 кВА при 24000 об/мин (вар. 9, табл. 1) [10].
Частота вращения 30000-50000 об/мин
В работе [14] приведены характеристики мощного стартер-генератора (1100 кВт) при максимальной скорости 48000 об/мин (вар. 15, табл. 1).
Вентильные двигатели (ВД) типа Mexon-Motor с ПМ из неодима, разработанные швейцарской фирмой "Intelect
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.