CC BY
42
СУДОСТРОЕНИЕ И ОКЕАНОТЕХНИКА
УДК 629.12-621.822.575
В.В. Дидов, В.Д. Сергеев
ДИДОВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: d_v_v_@mail.ru
СЕРГЕЕВ ВИКТОР ДМИТРИЕВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры электроэнергетики и электротехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: sergeev-vd@yandex.ru
РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ
МОЩНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА И ГЕНЕРАТОРОВ
НА ПОДШИПНИКАХ С ГЕЛИЕВОЙ СМАЗКОЙ
Разработана газотурбинная установка замкнутого цикла (ГТУЗЦ) (рабочее тело - гелий) и синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов на частоту вращения 14 000 об/мин и выходную мощность генератора 100 МВт. ГТУЗЦ оснащена газостатическими подшипниками с гелиевой смазкой, в которых потери на трение минимальны. Конструкции компрессора и турбины выполнены так, что в них отсутствуют осевые нагрузки на подшипники от газодинамических сил, причем на всех режимах работы. Генератор имеет высокоэффективную вытяжную радиально-осевую систему охлаждения, в которой отсутствуют контактные уплотнения вала. Вся наружная цилиндрическая поверхность ротора генератора выполняет функцию цапфы газового подшипника. Прогиб ротора генератора отсутствует.
Ключевые слова: газотурбинная установка замкнутого цикла, гелий, синхронный генератор, постоянные магниты, газостатические подшипники, осевое усилие, радиально-осевая система охлаждения, генератор-подшипник.
Developing a scientific basis to produce powerful gas-turbine plants of close cycle and generators on bearings with helium lubricant. Vladimir V. Didov, Victor D. Sergeev, School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The article deals with a closed gas turbine cycle (CGTC, helium being its working medium) and a synchronous generator with permanent magnet for speed, 14,000 rounds per min, an output power of the generator being 100 MW. The CGTC is equipped with a helium-lubricated bearings, whose friction losses are minimal. The structure of the compressor and turbine are designed not to have axial load on bearings in all operational modes which is caused usually by gas-dynamic forces. The generator has a high-performance exhaust radial-axial cooling system in which there are no shaft seals. The entire outer cylindrical surface of the rotor of the generator functions as a gas journal bearing. There is no deflection of the rotor of the generator.
© Дидов В.В., Сергеев В.Д., 2013
Key words: closed-cycle gas turbine plant, helium synchronous generator, constant magnet, gas bearings, axial force, radial - axial cooling system, generator - bearing.
Опыт эксплуатации высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) в США и Японии при температуре гелия до 950 °С показал устойчивость работы реактора, уникально высокий уровень безопасности и низкий уровень активности первого контура. ВТГР целесообразно использовать с ГТУЗЦ. В отличие от паротурбинных установок, в газотурбинных установках (ГТУ) отсутствуют паровые котлы, деаэраторы и другие дополнительные элементы конденсатно-питательной системы, усложняющие установку и увеличивающие ее вес и габариты. ГТУ можно строить на большие частоты вращения и получать в одном агрегате большие мощности при малых габаритных размерах и массе турбин, компрессоров и высокоскоростных магнитоэлектрических синхронных генераторов. Источником тепловой энергии для ГТУЗЦ является ВТГР, а в качестве теплоносителя применяется гелий. ВТГР с гелиевым теплоносителем способны вырабатывать тепло с температурой около 1300 °С, которое может быть использовано для производства электроэнергии с высоким КПД в замкнутом газотурбинном цикле. Гелий и керамическое топливо - это основа технологии ВТГР. Преимуществом гелия перед другими теплоносителями, применяемыми в ядерной энергетике, является его химическая и нейтронная инертность, а также неизменность фазового состояния. Благодаря инертности гелия в качестве материала конструкции тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок материала замедлителя и отражателя используется графит. Микросферы топлива из оксидов или карбидов делящихся материалов локализованы в индивидуальных многослойных контейнерах из пиролитического углерода и карбида кремния. Такая конструкция предотвращает выход продуктов деления и обеспечивает достижение ультравысоких выгораний, превышающих общепринятые в действующих реакторах в десятки раз. Сочетание в активной зоне реактора гелия, графита и керамики создает наиболее благоприятные условия для получения высоких температур, эффективности использования топлива, ядерной и радиационной безопасности [9].
Практическая реализация концепции ВТГР-ГТУЗЦ возможна либо на магнитных подшипниках, либо на газовых подшипниках, так как попадание масла в гелий при реализации ГТУЗЦ на подшипниках скольжения с масляной смазкой недопустимо.
Для оценки возможности реализации ГТУЗЦ на гелиевых подшипниках были разработаны конструктивные схемы компрессора, турбины и генератора [4-8], на которые получены патенты. Кроме того, разработаны методики теплового расчета ГТУЗЦ, теплового и гидравлического расчета рекуператора и охладителя гелия, газодинамического расчета осевого компрессора и осевой турбины, электромагнитного расчета генератора.
Тепловой расчет ГТУЗЦ основан на работе [3], в которой учтены гидравлические сопротивления в теплообменных аппаратах. Целью теплового расчета ГТУЗЦ является определение параметров газового потока по тракту ГТУЗЦ и определение следующих параметров: эффективного КПД, оптимальной степени повышения давления в цикле, степени регенерации, расхода гелия. Далее в результате газодинамического расчета компрессора и турбины определяются высоты лопаток, средний диаметр проточной части, политропный КПД, частота вращения ротора, масса и габариты турбины и компрессора.
Разработанные методики теплового и гидравлического расчета рекуператора и охладителя гелия позволяют при заданных скоростях движения гелия определить коэффициенты регенерации и степени охлаждения, площади теплообменных поверхностей, объемы трубных пучков и их длину, коэффициенты давления горячего и холодного плечей рекуператоров и коэффициент давления концевого охладителя, а также оценить их влияние на эффективный КПД цикла, рассчитать мощности, затрачиваемые на прокачку гелия и охлаждающей воды.
Методика газодинамического расчета осевого компрессора позволяет рассчитать: оптимальное число ступеней компрессора; работу сжатия по ступеням компрессора; теоретический напор ступеней компрессора; степень реактивности; коэффициент расхода и густоту
решетки; средний диаметр проточной части на входе и выходе из компрессора; высоты лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата; угол поворота потока в рабочем колесе и направляющем аппарате; политропный КПД компрессора и частоту вращения ротора турбокомпрессора.
Методика газодинамического расчета осевой турбины при заданной частоте вращения ротора позволяет определить: оптимальное число ступеней турбины; работу расширения по ступеням турбины; коэффициент нагрузки ступени; степень реактивности; коэффициент расхода и густоту решетки; средний диаметр проточной части на входе и выходе из ступеней турбины; высоты лопаток рабочего колеса и соплового аппарата; угол поворота потока; по-литропный КПД турбины.
Методика электромагнитного расчета генератора, разработанная на основе работ [1, 2], позволяет выбрать электромагнитные нагрузки (рабочую индукцию в немагнитном зазоре и линейную токовую нагрузку) и определить основные размеры и параметры статора и ротора генератора, массы активных материалов, потери и КПД.
Разработана ГТУЗЦ и синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов на частоту вращения 14 000 об/мин и выходную мощность генератора 100 МВт. Основные технические данные установки приведены в таблице.
Основные технические данные ГТУЗЦ и генератора
ГТУЗЦ Значение
Температура гелия перед турбиной, °С 1000
Эффективный КПД 0,519
Степень повышения давления в цикле 2,17
Расхода гелия, кг/с 106,8
Степень регенерации 0,92
Генератор
Линейное напряжение, кВ 10,9
Частота, Гц 2333
Коэффициент мощности 0,85
Линейная скорость ротора, м/с 400
Диаметр ротора, м 0,546
Осевая длина магнитов, м 4,8
Рабочая индукция в зазоре, Тл 0.967
Линейная токовая нагрузка, кА/м 42,8
Основные технические решения, которые могут быть получены при реализации концепции (В ТГР-ГТУЗЦ):
1. Обеспечение высокой экономичности ГТУЗЦ в эксплуатации, эффективный КПД, которой составляет 0,52 и выше;
2. ГТУЗЦ имеет высокую надежность работы. Высокая надежность ГТУЗЦ обеспечивается:
• малыми массами и массовыми моментами инерции роторов компрессора, турбины;
• малой массой ротора синхронного магнитоэлектрического генератора, обусловленной высокой окружной скоростью индуктора;
• применением гелия для смазки подшипников как компрессора и турбины, так и бесконтактного синхронного магнитоэлектрического генератора, а также использованием гелия, имеющего высокую теплоемкость, в качестве охлаждающего агента обмоток и сердечника статора;
• конструкцией газостатических подшипников синхронного магнитоэлектрического генератора по всей длине машины, исключающих прогиб ротора и обеспечивающих многократный запас несущей способности;
• устранением контактных уплотнений валов всех агрегатов и, тем самым полным исключением утечек гелия из контура;
• конструкцией ротора синхронного магнитоэлектрического генератора, имеющего высокую прочность при окружных скоростях до 400 м/с;
• уравновешиванием осевого усилия от газодинамических сил турбины и компрессора тем самым обеспечивая высокий механический КПД турбины и компрессора;
• вентильным преобразованием параметров электроэнергии генератора до стандартных значений;
• безредукторным соединением компрессора, турбины и генератора.
3. ГТУЗЦ имеет широкий диапазон изменения мощности без изменения эффективного КПД ГТУЗЦ;
4. ГТУЗЦ имеет значительно меньшие капитальные затраты при производстве;
5. ГТУЗЦ имеет пониженную пожароопасность, так как отсутствует масляная система смазки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1988. 280 с.
2. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высш. школа, 1990. 416 с.
3. Михайлов А.И., Борисов В.В., Калинин Э.К. Газотурбинные установки замкнутого цикла. М.: Изд. АН СССР, 1962. 102 с.
4. Пат. 2385523 Российская Федерация, МПК H 02 K 5/16, H 02K 19/00, H 02 K 21/00. Электромашина / В.В. Дидов, В.Д. Сергеев, М.М. Халченко, А.П. Левшов. Владивосток, ДВФУ. № 2009102600/09; заявл. 26.01.2009; опубл. 27.03.2010, Бюл. № 9. 9 с.
5. Пат. 2386200 Российская Федерация, МПК H 02K 1/27. Ротор электрогенератора / В.В. Дидов, В.Д. Сергеев. Владивосток, ДВФУ. № 2007132617/09; заявл. 29.08.2007; опубл. 10.04.2010, Бюл. № 10. 7 с.
6. Пат. 2444107 Российская федерация. МПК Н О2 К1/27, Н ОК 21/12, Ротор электромашины / В.В. Дидов, В.Д. Сергеев, А.П. Левшов, М.А. Халченко. Владивосток, ДВФУ. № 2010128827/07; заявл. 12.07.2010; опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6. 10 с.
7. Пат. 2444108 Российская Федерация, МПК H02K 1/27, H02K 21/12. Ротор электромашины / В.В. Дидов, В.Д. Сергеев, М.А. Халченко, А.П. Левшов, Н.С. Телешова. Владивосток, ДВФУ. № 2010128831/07; заявл. 12.07.2010; опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6. 10 с.
8. Пат. 2450407 Российская федерация, МПК H02K 1/30, H02K 1/22. Ротор турбомашины / В.В. Дидов, В.Д. Сергеев, М.А. Халченко. Владивосток, ДВФУ. № 2010128811/07; завл. 12.07.2010; опубл. 20.01.2012, Бюл. № 2. 7 с.
9. URL: http://www.okbm.nnov.ru/russian/hydrogen (дата обращения: 10.04.2013).
