Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

МВт нужен 1 кг металла на 1 кВт, а для машины мощностью 800 МВт — только 0,58

кг/кВт! Вот почему генераторы становятся все крупнее: в США созданы генераторы

на 1050 МВт, во Франции — на 660; в Англии, ФРГ — на 600…1300 и в СССР — на

1200 МВт. Работают крупнейшие в мире гидрогенераторы на Саяно-Шушенской ГЭС

мощностью 800 МВт.

Допустим, необходимо построить электростанцию мощностью 2400 МВт. Обычно такую

мощность обеспечивают восемь блоков по 300 МВт. А если взять более мощные

машины? Укрупнение мощности энергоблоков на ГРЭС общей мощностью 2400 МВт с 300

до 800 МВт уменьшает удельные капиталовложения на 10,6 %, снижает трудозатраты на

30 %, повышает производительность труда в эксплуатации на 42 % и уменьшает расход

условного топлива на 4 %.

Этим в основном и объясняется невиданный рост мощностей турбогенераторов: в 2

раза за каждые 7…10 лет. Так быстро растут мощности разве что у двигателей

ракет и самолетов. "Гигантомания" имеет, оказывается, прочную экономическую

основу.

Дальнейший рост единичной мощности турбогенераторов существенно ограничивает

техническую мощность роторов и бандажных колец. При частоте вращения 3000 об/мин

на них действуют громадные центробежные усилия, тем большие, чем больше диаметр

ротора. Так, в турбогенераторе на 100 МВт при частоте вращения 3000 об/мин

диаметр ротора составляет 1000 мм, а в генераторе мощностью 1200 МВт — "всего"

1250 мм. При увеличении мощности в 12 раз диаметр ротора изменится лишь в 1,25

раза. При дальнейшем увеличении диаметра ротора его могут разорвать центробежные

силы.

В настоящее время на Костромской ГРЭС успешно работает крупный советский

двухполюсный турбогенератор ТВВ-1200-2. Его ротор цельнокованый из

высококачественной легированной стали. Охлаждение обмоток ротора производится

водородом, статора — водой. Сооружение этой машины стало для советской и мировой

техники весьма знаменательным событием. Из числа многих технических трудностей,

которые пришлось преодолеть машиностроителям, назовем лишь одну — создание

цельной поковки ротора значительных габаритов. Инженеры и рабочие Ижорского

завода имени А.А.Жданова с честью вышли из этого затруднения: металл для

заготовки массой 230 т варили одновременно в мартеновской и двух электрических

печах; сталеваром удалось обеспечить синхронность плавок. Так был создан самый

крупный слиток в истории отечественной металлургии.

Технические данные советских турбогенераторов находятся сегодня на уровне

характеристик лучших зарубежных машин, а зачастую и превосходят их. Одно из

наиболее значительных зарубежных достижений — построенный в последние годы

фирмой "Броун-Бовери" (ФРГ) турбогенератор мощностью 1300 МВт для АЭС "Библис".

В отличие от большинства советских турбогенераторов у него невысокая частота

вращения (1500 об/ /мин), что позволяет резко увеличить диаметр ротора

(уменьшились центробежные усилия!), сделать его составным и увеличить объем

машины. Вот некоторые данные этого крупнейшего в мире турбогенератора: мощность

его 1300 МВт, КПД = 98,65 %, статор и ротор охлаждаются водой, масса ротора 204

т, статора 371 т, диаметр ротора 1,8 м, длина 7,5 м.

Разобравшись в наиболее современных конструкциях турбогенераторов, можно

заметить, что увеличение их мощности (повышающее экономичность электростанции и

темпы, ввода мощностей) наталкивается на серьезные трудности. Одна из них —

необходимость конструировать роторы диаметром, не превышающим 1350 мм. Такое

требование обусловлено, во-первых, возможностями металлургической

промышленности; во-вторых, достигнутым уже сейчас пределом механической

прочности (при частоте вращения 3000 об/мин). Кроме того, увеличить длину ротора

при заданном диаметре также невозможно из-за возникновения недопустимого прогиба

вала и резонансных явлений.

Не меньшая проблема — бандажи лобовых частей обмотки ротора (каппы) большого

диаметра из немагнитных материалов (составные роторы и бандажи при частоте

вращения 3000 об/мин не применяют вследствие низкой эксплуатационной

надежности).

С ростом мощности и интенсификации охлаждения меняются и показатели

турбогенераторов. Увеличивается токовая загрузка при сравнительно малой

изменяющейся магнитной индукции (последняя ограничена магнитными свойствами

материалов и не может быть существенно повышена). Резко снижается удельный

расход материалов, несколько возрастает КПД.

Наибольшая мощность двухполюсных генераторов традиционных типов, которую, по-

видимому, удастся реализовать в ближайшие 15 лет, будет 1500…2000 МВт, а

наибольшая мощность четырехполюсных 3000…4000 МВт.

Ясно, что для создания генераторов большей мощности понадобятся новые

конструкторские решения и материалы. В этой связи особые надежды ученые и

инженеры возлагают на сверхпроводимость. Недаром одним из основных направлений

развития науки намечены теоретические и экспериментальные исследования в области

сверхпроводящих материалов, а одним из основных направлений развития техники —

разработка сверхпроводниковых турбогенераторов. Сверхпроводящее

электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки

в элементах устройств и благодаря этому резко сократить их размеры. В

сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10…50 раз превышающая

плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести

до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8…1 Тл в обычных машинах. Если

учесть, что размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны

произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что

применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во

много раз!

По мнению одного из конструкторов системы охлаждения новых типов криогенных

турбогенераторов советского ученого И.Ф.Филиппова, есть основание считать задачу

создания экономичных криотурбогенераторов со сверхпроводниками решенной.

Предварительные расчеты и исследования позволяют надеяться, что не только

размеры и масса, но и КПД новых машин будут выше, чем у самых совершенных

генераторов традиционной конструкции.

Это мнение разделяют руководители работ по созданию нового сверхпроводникового

турбогенератора серии КТГ-1000 академик И.А.Глебов, доктора технических наук

В.Г.Новицкий и В.Н.Шахтарин. Генератор КТГ-1000 испытан летом 1975 г., за ним

последовал модельный криогенный турбогенератор КТ-2-2, созданный объединением

"Электросила" в содружестве с учеными Физико-технического института низких