№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 621.313.32
МОЩНЫЕ ВЫСОКООБОРОТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
© 2015 г. М.З. ЖЕЛОКОВА, И.Ф. МАКСИМОВА
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН), Санкт-Петербург E-mail: rc@iperas.nw.ru
Приведена информация о новейших разработках и созданных в настоящее время и серийно выпускаемых киловаттных высокооборотных электрических машинах различного типа исполнения с частотой вращения от 20 000 до 100 000 об/мин, которые могут быть использованы в малоразмерных энергетических газотурбинных установках и других форсированных малогабаритных источниках питания различного назначения.
Ключевые слова: высокооборотные электрогенераторы, автономная энергетика, предельные мощностные показатели, оптимальные параметры.
POWERFUL HIGH-SPEED GENERATORS FOR DECENTRALIZED GENERATION
M.Z. ZHELOKOVA, I.F. MAKSIMOVA
Institute for Electrophysics and Electric Power RAS, St.-Petersburg 191186, Russia E-mail: rc@iperas.nw.ru
The paper deals with compact low weight electric generators for on-site generation with rotational speed from 20000 to 100000 rpm and power from tens kilowatt. The main attention is paid to the problems of designing, characteristic features of various types of construction of high-speed electric machines. Different types of electric machines: synchronous of turbogenerator type, with permanent magnets, with axial magnet flow, with converters, unipolar; asynchronous machines with massive and laminated rotor are analyzed. The most typical areas of these machines application are considered. The data on progressive technologies in the area of creation of active and construction materials widening the limits of usage of the mentioned types of machines are represented. The paper gives the evaluation of ultimate power parameters at various rotational speeds. The conclusions are based on analysis of publications and proprietary developments of authors. The paper can be useful both for designers of electric machines and for designers of promising power supply sources.
Key words: high-speed electric generators, decentralised generation, ultimate power parameters, optimum parameters.
Рассматриваются электрогенераторы киловаттной мощности с частотой вращения 20000...100000 об/мин, на базе которых могут быть созданы компактные достаточно
мощные автономные источники питания. В этих установках нет редуктора и происходит прямое присоединение к оси привода электрической машины; скорость и мощность регулируются с помощью преобразователей частоты. Распределенные источники энергии снимают частично напряжение с электропередающей инфраструктуры, обеспечивают высокий КПД, обладают пониженной эмиссией, допускают работу на разных видах топлива [1, 2].
Одно из основных требований, предъявляемых к генераторам, используемым в установках малой энергетики, — их компактность и малый вес, что достигается за счет высокой частоты вращения и предельных электромагнитных, тепловых и механических нагрузок. В мобильных установках генераторы работают в условиях частых запусков при воздействии вибрационных нагрузок в широком диапазоне изменения параметров окружающей среды и нестабильности рабочих параметров. Из-за особенностей привода (чаще всего газотурбинной установки (ГТУ)) угонная частота вращения может существенно превышать номинальную (на 30—40%) [3].
Предельные нагрузки в быстроходных машинах могут быть достигнуты за счет внедрения прогрессивных материалов. В качестве активной стали применяют кремнистые стали 81Бе с повышенным содержанием толщиной Дст < 0,35 мм (зарубежные марки N020 Дст = 0,2 мм и Лгпоп7 Дст = 0,17 мм), что способствует снижению потерь в сердечнике. Обычная листовая сталь содержит до 4% 81. Повышенное содержание 81 улучшает ее магнитные свойства, приводит к росту предела текучести сти, но материал становится хрупким. Проводятся работы по созданию электростали с очень высокой прочностью не в ущерб пластичности. В частности, компанией ЖЕХ10-Соге разработана сталь Дст = 0,1 мм с повышенным содержанием 81 (6,5%), у которой в два раза уменьшены удельные потери руд. Повышения пластичности удалось достичь с помощью градиентной инжекции кремния: в центре его меньше, чем по краям. Очень высокий предел текучести более 800 МПа могут иметь стали марки НХТ, он сопоставим с высокопрочными кремниевыми сталями при относительном удлинении более 18% [2].
Кобальто-железные сплавы (СоБе) значительно дороже 81Бе сталей, но для них характерно высокое значение индукции технического насыщения и низкие руд, что позволяет уменьшить удельную массу машины, причем это не слишком удорожает изделие в целом. Механические характеристики этих сталей не высоки: их сти почти в два раза ниже, чем у 81Бе сталей, они хрупки, а сти этих сплавов можно повысить до уровня сталей 81Бе (сплав Уасоёиг 50), но при этом ухудшаются их электромагнитные свойства (потери становятся сопоставимыми). У сплава Уасойих 17 относительное удлинение увеличено до 32% за счет понижения содержания Со (17%), но у него значительно повысились руд. Сплав СоБе может быть упрочнен и добавлением Уа (например, у Н1рег-со 50 Н8 может быть а„ > 680 МПа при относительном удлинении 15%) [1, 4].
При выборе марки стали следует учитывать не только ее магнитные и механические характеристики, но и показатели теплопроводности: коэффициент теплопроводности СоБе сплавов ниже на 10—15%, чем у 81Бе сталей, поэтому приходится снижать магнитные нагрузки с целью недопущения перегрева. В частности, при замене в асинхронной машине (АМ) стали с 4% 81 на СоБе сплав (49% Со, 1,9% Уа, 49,1% Бе) при соответствующем изменении пазовой геометрии удалось уменьшить нагрев и снизить потери, но изделие стало значительно дороже, к тому же кремнистая сталь более технологична [5].
Изготавливается магнитопровод и методами порошковой металлургии из композитных материалов с заданными свойствами, например, из аморфной стали с руд1/3000 < < 10 Вт/кг или сплава 94ЖСР-Ф (В5 = 1,6 Тл,руд1,3/50 = 0,46+0,26 Вт/кг) [6, 7].
Для уменьшения механических потерь на трение в зазоре на поверхность ротора иногда наносится слой материала с пониженным коэффициентом трения (органоси-
ликоновое или металлическое покрытие на основе Бе (АМАГ-200), А1 М§В14, Т1В
[1,7].
Роторный бандаж изготавливается из инконеля (Сг№ сплава), из магнитопроводя-щего материала с малой магнитной проницаемостью, углеволокна; используются также органопластик при о„, > 2500 МПа, микролегированные стали или металлы с мик-ромодифицированной поверхностью с образованием упрочняющего наноструктурно-го покрытия. Бандажное кольцо может выполнять и функцию пусковой обмотки. В этом случае его изготавливают из электропроводящего материала с высокими механическими характеристиками. Для этого в структуру материала вводят наночастицы Ag, А1, Со, Мп [7].
Повышенные требования предъявляются также к изоляционным конструкциям. Улучшение эксплуатационных характеристик и класса нагревостойкости изоляционных материалов, получение тонкой электрически прочной изоляции и повышение ее контактной теплопроводности в пазу будут способствовать уменьшению габаритов машины. Перспективны варианты, основанные на использовании полиимидных пленок (температурный индекс проводов марки ПЭТимид — 220°С, ПНЭТимид — 240°С). Интересны также высокочастотные провода типа ЛЭНП (155°С) с увеличенным сечением (до 56,5 мм). Это токопроводящая жила типа Litza, состоящая из эмалированных проволочек, покрытых полиэфиримидным лаком с числом элементарных проводников до 301 при их диаметре от 0,49 мм [3].
В качестве конструктивных материалов в высокооборотных машинах используются А1, М§, сплавы Т (клинья, бандажи, ступицы), компаундные и склеивающие материалы. Повышения прочности и твердости конструкционных металлов и сплавов можно достичь с помощью ионной имплантации. Например, для повышения ст,„ в поверхностный слой никеля имплантируют А1 и кислород, тогда его свойства приближаются к лучшим образцам подшипниковой стали. В Уральском институте металлов разработаны сверхпрочные стальные сплавы с пределом прочности до 2500 МПа [5, 7].
Удовлетворение всех требований при создании быстроходных электрических машин для малой энергетики достигается с помощью оптимальных конструкторских решений, что часто связано с отказом от традиционного исполнения электрической машины в качестве самостоятельного конструктивного агрегата. Так, если синхронный генератор (СГ) является частью ГТУ, то его постоянные магниты (ПМ) можно крепить непосредственно на валу компрессора, а якорь СГ разместить на корпусе двигателя, что позволяет существенно снизить габариты и массу ГТУ в целом. Перспективной тенденцией является также стремление к интеграции в единый корпус электрической машины и силовой электроники. При этом решаются проблемы совместимости различных компонент системы на конструктивном и аппаратно-программном уровне.
Из-за высокой скорости вращения особое внимание уделяется выполнению опор. Предполагается внедрение жидкостных шарикоподшипников без наполнения консистентной смазкой; используются бесконтактные газовые и магнитные подшипники (МП). Параметры МП, его расположение в электрической машине, как и датчиков положения ротора, жестко связаны с механическими характеристиками конкретной роторной системы, поэтому МП приходится разрабатывать одновременно с проектированием самой машины. При корректном подходе можно получить характеристики МП, не достижимые ни при каком другом типе подшипников.
Увеличенные электромагнитные нагрузки допустимы лишь при резко форсированной системе охлаждения. Допустимо непосредственное жидкостное охлаждение (струйное или омывающее в герметизированных полостях) с помощью керосина, пропана, масла и т.д., но при этом следует уделить внимание обеспечению химической и эрозионной стойкости. Перспективно применение дисперсионных смесей, состоящих из жидкой и газообразной фаз. Рассматриваются режимы пленочного течения хладоагентов [3].
Учет большого количества факторов при пр
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.