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

температур АН УССР. Результаты испытаний позволили приступить к постройке

сверхпроводникового агрегата значительно большей мощности.

Приведем некоторые данные сверхпроводникового турбогенератора мощностью 1200

кВт, разработанного во ВНИИэлектромаш. Сверхпроводящая обмотка возбуждения

выполнена из провода диаметром 0,7 мм с 37 сверхпроводящими жилами из ниобий-

титана в медной матрице. Центробежные и электродинамические усилия в обмотке

воспринимаются бандажом из нержавеющей стали. Между наружной толстостенной

оболочкой из нержавеющей стали и бандажом размещен медный электротермический

экран, охлаждаемый потоком проходящего в канале холодного газообразного гелия

(он затем возвращается в ожижитель).

Подшипники работают при комнатной температуре. Обмотка статора выполнена из

медных проводников (охладитель — вода) и окружена ферромагнитным экраном из

шихтованной стали. Ротор вращается в вакуумированном пространстве внутри

оболочки из изоляционного материала. Сохранение вакуума в оболочке гарантируют

уплотнители.

Опытный генератор КТГ-1000 был в свое время самым крупным по габаритам

криотурбогенератором в мире. Цель его создания — отработка конструкции

вращающихся криостатов больших размеров, устройств подачи гелия к

сверхпроводящей обмотке ротора, исследование тепловой схемы, работы

сверхпроводящей обмотки ротора, его захолаживания.

А перспективы просто завораживают. Машина мощностью 1300 МВт будет иметь длину

около 10 м при массе 280 т, в то время как аналогичная по мощности машина

обычного исполнения имеет длину 20 м при массе 700 т! Наконец, обычную машину

мощностью более 2000 МВт создать трудно, а при использовании сверхпроводников

можно реально достичь единичной мощности 20 000 МВт!

Итак, на выигрыш в материалах приходится примерно три четверти себестоимости.

Облегчаются производственные процессы. Любому машиностроительному заводу проще и

дешевле сделать несколько крупных электрических машин, чем большое количество

мелких: меньше требуется рабочих, не так напряженно загружаются станочный парк и

другое оборудование.

Для установки мощного турбогенератора нужна относительно небольшая площадь

электростанции. Значит, сокращаются расходы на сооружение машинного зала,

станцию можно быстрее ввести в строй. И, наконец, чем крупнее электрическая

машина, тем выше ее КПД.

Однако все эти преимущества не исключают технических трудностей, возникающих при

создании крупных энергетических агрегатов. И, что самое существенное, их

мощность можно увеличивать лишь до определенных пределов. Расчеты показывают,

что перешагнуть верхний предел, ограниченный мощностью турбогенератора 2500 МВт,

ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, не удастся, так как этот предел

определяется, в первую очередь, прочностными характеристиками: напряжения в

механической конструкции машины более высокой мощности возрастают настолько, что

центробежные силы неизбежно вызовут разрушение ротора.

Немало забот возникает при транспортировке. Для перевозки того же

турбогенератора мощностью 1200 МВт пришлось построить сочлененный транспортер

грузоподъемностью 500 т, длиной почти 64 м. Каждая из двух его тележек опиралась

на 16 вагонных осей.

Многие препятствия сами по себе отпадают, если использовать эффект

сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы. Тогда потери в роторной

обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет

встречать в ней сопротивления. А раз так, повышается КПД машины. Протекающий по

сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное

магнитное поле, что уже нет необходимости применять стальной магнитопровод,

традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу

ротора и его инерционность.

Создание криогенных электрических машин — не дань моде, а необходимость,

естественное следствие научно-технического прогресса. И есть все основания

утверждать, что к концу века сверхпроводящие турбогенераторы мощностью более

1000 МВт будут работать в энергосистемах.

Первая в Советском Союзе электрическая машина со сверхпроводниками была

спроектирована в Институте электромеханики в Ленинграде еще в 1962…1963 гг. Это

была машина постоянного тока с обычным ("теплым") якорем и сверхпроводниковой

обмоткой возбуждения. Мощность ее составляла всего несколько ватт.

С тех пор коллектив института (сейчас — ВНИИэлектромаш) работает над созданием

сверхпроводящих турбогенераторов для энергетики. За истекшие годы удалось

построить опытные конструкции мощностью 0,018 и 1 МВт, а затем и 20 МВт…

Каковы же особенности этого детища ВНИИэлектромаша?

Сверхпроводящая обмотка возбуждения находится в гелиевой ванне. Жидкий гелий

поступает во вращающийся ротор по трубе, расположенной в центре полого вала.

Испарившийся газ направляется обратно в конденсационную установку через зазор

между этой трубой и внутренней стенкой вала.

В конструкции трубопровода для гелия, как и в самом роторе, есть вакуумные

полости, создающие хорошую теплоизоляцию. Вращающий момент от первичного

двигателя подается к обмотке возбуждения через "тепловые мосты" — конструкцию,

достаточно прочную механически, но плохо передающую тепло.

В итоге конструкция ротора представляет собой вращающийся криостат со

сверхпроводящей обмоткой возбуждения.

Статор сверхпроводящего турбогенератора, как и в традиционном варианте, имеет

трехфазную обмотку, в которой магнитным полем ротора возбуждается

электродвижущая сила. Исследования показали, что применять сверхпроводящую

обмотку в статоре нецелесообразно, так как на переменном токе в сверхпроводниках

возникают немалые потери. Но в конструкции статора с "обычной" обмоткой есть

свои особенности.

Обмотку оказалось возможным в принципе разместить в воздушном зазоре между

статором и ротором и крепить по-новому, с помощью эпоксидных смол и

конструктивных элементов из стеклопластика. Такая схема позволила разместить

больше медных проводников в статоре.

Оригинальна и система охлаждения статора: тепло отводится фреоном, который

одновременно выполняет и функцию изолятора. В перспективе это отведенное тепло

можно будет использовать для практических целей с помощью теплового насоса.

В моторе турбогенератора мощностью 20 МВт был применен медный провод

прямоугольного сечения 2,5 х 3,5 мм. В него впрессовано 3600 жил из ниобий-