Опоры для топологического генератора погружного типа. Устройство. Инженерный расчёт. Параметры

1.4 Модификации генераторов

При рассмотрении топологических генераторов мы выбрали один постоянный магнит, движущийся под сверхпроводником. Однако ситуаций можно создать несколько: выбрать вместо постоянного магнита -  электромагнит, катушки без сердечника (и не одну, а несколько) и запитывать их m-фазным током. Для создания зоны а необходимо магнитное поле одного знака, поэтому к питанию m - фазным током надо добавить  общее подмагничивание постоянным током, которое создается отдельной катушкой, охватывающей, например, диск и питаемой постоянна током. В этой ситуации можно создать не одно, а «р-пятен» на диске. Необходимо помнить, что возрастание числа полюсов приводит к увеличению мощности топологического генератора, но не так быстро, как рост числа «пятен».

Рис. 7 «Многофазные» многополюсные дисковые генераторы:

а) «двухфазный» четырехполюсный; б) «трехфазный» шестиполюсный

Если же создать два пятна диаметрально расположенных, то мощность генератора можно удвоить по сравнению с генератором с одним пятном. При удвоении числа контуров, как показано на рис. 7, например, к контуру ODEB подключить контур ODEF, то мощность генератора еще удвоится. Этого же эффекта можно добиться, если в генераторе с тем же одним пятном повысить в соответствии с выражением (1.6) скорость вращения () либо увеличить в два разамагнитный поток (ΔФ). Кроме того, мощность можно увеличить за счет применения двух дисков, включенных параллельно, и на вал посадить параллельно магниты.

В принципе разрушить сверхпроводимость в пятне можно к только магнитным полем, но и локальным нагревом или подведений мощности другой природы (высокочастотным облучением Ԑ= hv).

1.5 Бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор

Преимущества применения сверхпроводниковых обмоток возбуждения в синхронных машинах можно полнее выявить, если в системе возбуждения машины предусмотреть сверхпроводящий возбудитель топологического типа [1-3]. Такое техническое решение позволяет исключить  из цепи возбуждения силовой контактный аппарат и существенно ограничить функции резистивных токовводов, используя их только во время экстренного вывода электромагнитной энергии из обмотки возбуждения.

Возможность создания полностью сверхпроводящей бесщеточной системы возбуждения показана на примере разработки экспериментальной модели синхронного генератора, имеющего вертикальное исполнение (рис. 8). Для уменьшения затрат на изготовление демонстрационной модели в ее конструкции использованы металлоемкие узлы от первого в отечественной практике сверхпроводникового синхронного генератора с вращающимся криостатом мощностью 18 кВт. Поэтому габариты новой модели мало отличаются от габаритов старой. 

Так как в гелиевом объеме вращающегося криостата дополнительно к сверхпроводниковой обмотке возбуждения размешен сверхпроводящий возбудитель, то возникали трудности в обеспечении надежного криостатирования ротора. В качестве сверхпроводящего возбудителя выбрана наиболее отработанная цилиндрическая конструкция топологического генератора с механическим приводом.

Сейчас закончена первая стадия экспериментальных исследований бесконтактного сверхпроводникового синхронного генератора. Испытаны отдельные его узлы и осуществлен пробный пуск генератора в сборе.

В докладе приводятся технические данные бесконтактного сверхпроводникового синхронного генератора, описание его конструкции и результаты выполненных экспериментальных исследований.

Рис. 8 Схематический чертёж агрегата:

1 – ротор; 2 – статор; 3 – силовой электропривод; 4 – топологический возбудитель; 5 – электропривод возбудителя.

Статор имеет станину, сердечник, обмотку и азотный сосуд. Станиной служит полый цилиндр из нержавеющей стали, имеющий четыре лапы для крепления к раме. Рама приварена к фундаментной плите. На раме, в ее нижней части, установлен также силовой электропривод. Сверху станина закрывается разъемной по диаметру крышкой из нержавеющей стали, выполняющей функции верхнего подшипникового щита. К верхнему фланцу станины на тонкостенном алюминиевом цилиндре подвешен ферромагнитный сердечник статора с медной обмоткой. Сердечник изготовлен в виде пакета из листовой электротехнической стали толщиной 0,35 мм. В отличие от общепринятой технологии, листы пакета изолированы между собой эпоксидным компаундом холодного отверждения. Тонкий электроизоляционный слой получен путем промазки листов компаундом, разжиженным ацетоном до нужной консистенции. Сердечник имеет аксиальные вентиляционные каналы. В листах сердечника выштампованы полузакрытые пазы для укладки проводников статорной обмотки. Обмотка секционирована. Корпусная изоляция из электрокартона. Электрокартон применен благодаря его удовлетворительным механическим и электроизоляционным свойствам, которые он сохраняет, находясь в жидком азоте. Верхний подшипниковый щит имеет штуцеры для заливки азота и отвода его паров. В центральной части установлен кронштейн, на котором размещен привод возбудителя. Снизу к станине через уплотнение из вакуумной резины на болтах крепится массивный фланец с центральным отверстием для прохода хвостовины ротора. К фланцу изнутри пристыкованы два коаксиальных цилиндра, изготовленные из стекло ленты путем ее послойной намотки на шаблоны с проклейкой эпоксидным компаундом холодного отверждения. Кольцевой зазор между цилиндрами, заполняется жидким азотом и в статорной обмотке удается повысить плотность тока. Между наружным диэлектрическим цилиндром и станиной размещен слой пенопласта, предназначенный для уменьшения обмерзания станины.

Ротор выполнен сборным. Он состоит из бочки и двух хвостовин. Бочка ротора вместе с верхней хвостовиной образуют криостат. Нижняя хвостовина, будучи массивной, служит промежуточным стыковочным узлом между ротором и приводным механизмом. Соединение нижней хвостовины с бочкой ротора разъемное, что позволяет осуществлять выемку бочки ротора из статора без демонтажа приводного механизма. Верхняя хвостовина имеет с бочкой ротора болтовое соединение. На верхней хвостовине имеется два шлифованных посадочных места: одно для радиально-упорного шарикового подшипника, другое для установки узла сбора обратного потока газообразного гелия. Узлы газообора и подачи жидкого гелия имеют вращающиеся уплотнения, выполненные на базе фторопластовых, полиуретановых и резиновых элементов. Внутри верхней хвостовины установлена электроизоляционная труба, которая имеет вскрытые наружные продольные вентиляционные каналы, частично занятые измерительными проводами во фторопластовой изоляции. Измерительные провода выведены на контактные кольца через радиальное отверстие в хвостовине, расположенное выше подшипника. Под контактными кольцами помещен защитный козырек, предохраняющий подшипник от загрязнения меднографитовой пылью. Наружная оболочка криостата, представляющая собой толстостенный цилиндр из нержавеющей стали, с одной стороны соединяется с тонкостенной цилиндрической внутренней оболочкой развитыми тепловыми мостами, с другой стороны через вакуумную пробку. На внутренний тонкостенный цилиндр намотаны чередующиеся слои из моталлизированной пленки ПЭТФ-ДА-12 и стекловуали ЭВТИ-7, скрепленные клеевым составом - раствором смолы ТФ-60 в метилене хлористом. Полученная таким способом многослойная тепловая изоляция окружена полированной медной оболочкой, припаянной к двум торцевым медным кольцам, которые, в свою очередь, припаяны к внутреннему тонкостенному цилиндру. Все вакуумные соединения выполнены сварными.

Сверхпроводниковая обмотка возбуждения расположена в нижней части ротора. Ее намотка осуществлена одним куском провода, без компаундирования. Вращающий момент к обмотке передается через трапециедальные пальцево-шлицевые скользящие соединения. В аксиальном направлении она может быть смещена только в направлении к верхней хвостовине ротора. Концы обмотки выведены в свободное пространство между обмоткой и возбудителем.

Возбудитель крепится винтами к перфорированному фланцу, которым разделены основной гелиевый объем и горловина криостата. На внешней поверхности ферромагнитного цилиндрического экрана возбудителя имеются продольные вскрытые вентиляционные каналы глубиной 1 мм и шириной 2 мм, выполненные с шагом по окружности в 15°. Якорная обмотка возбудителя размещена в зазоре между ферромагнитным экраном и текстолитовым цилиндром, имеющим стенку толщиной - 2 мм. Корпусная изоляция якорной обмотки - электротехнический картон толщиной 0.15 мм, межвитковая изоляция - лавсановая пленка толщиной 20 мкм Трубчатый вал приводного карданного механизма имеет наружный диаметр 20 мм и толщину стенки 1 мм. Внизу он заканчивается перфорированным фланцем, в который вварен шарнир. На верхнюю часть насажено зубчатое колесо передаточного звена привода возбудителя. Соосно с трубчатым валом располагается шток стандартного переливного гелиевого сифона.

Силовой привод включает в себя электродвигатель типа ПВ-85. клиноременную передачу со шкивами и герметизированный передаточный механизм с искривленным валом. Вал проходит внутри металлического сильфона, торцы которого припаяны твердым припоем к наружным кольцам подшипников. Через шлицевое соединение вал стыкуется с нижней хвостовиной ротора. Электродвигатель ПН-65 питается от мотор-генератора, состоящего из асинхронного электродвигателя типа АЭ2-6 и электродвигателя постоянного тока типа П - 101. используемого в режиме генератора с независимым возбуждением.

1.5.1. Эксперимент

Испытания узлов ротора синхронного генератора проводились в технологическом криостате диаметром 200 мм и глубиной 1010 мм. Запита иная через токовводы сверхпроводниковая обмотка возбуждения имела критический ток 450 А, что в 1,7 выше номинального тока возбуждения машины в режиме холостого хода. Распределение радиальной составляющей магнитной индукции поля, создаваемого обмоткой возбуждения, измерялось с помощью пяти преобразователей Холла типа ПХЭ 606118 Б. имеющих размеры рабочей зоны 0,5 х 0,15мм.

Испытания тополического генератора типа ТПГ-9 проведены по стандартной методике, позволяющей в одном эксперименте снять характеристику холостого хода и смоделировать нагрузочный режим. Для этого выводные концы якорной обмотки топологического генератора припаиваются к токовводам, по которым к обмотке подается ток от низковольтного электромашинного агрегата. Ток в якорной обмотке топологического генератора меняются от нуля (режим холостого хода) до номинального значения. Одновременно изменяется ЭДС топологического генератора. Максимальная ЭДС ТПГ-9, полученная в эксперименте, Устойчивое напряжение на зажимах ТПГ-9 при токе в якорной обмотке 262 А Исследованы на токонесущую способность соединения между ниобиевыми листами якорной обмотки и ее выводными концами. Соединения выполнены методом контактной сварки на электросварочной установке типа МТК-14 и выдерживают без перехода в нормальное состояние якорной обмотки постоянный ток 480 А, т.е. в среднем 40 А через соединение.

Рис. 9. Распределение радиальной составляющей Вг магнитной индукции поля возбуждения в нулевой плоскости, перпендикулярной оси обмотки не радиусе г = 90 мм. Ток в обмотке 262 А.

Построенная по экспериментальным точкам кривая поля вдоль полюсной дуги на радиусе 90 мм, соответствующая номинальному току возбуждения 262 А, показана на рис. 9.

Последующие эксперименты проводились на этапе частичного монтажа и сборки ротора синхронного генератора. На рис. 4 представлено фото тонкостенной оболочки ротора, внутри которой на штатных местах установлены сверхпроводниковая обмотка возбуждения и ТПГ-9. Выводные концы якорной обмотки ТПГ-9 спаяны с выводами сверхпроводниковой обмотки возбуждения. Привод ТПГ-9 расположен на капке кр и оста те в герметичном кожухе. Уровень жидкого гелия в криостате измерялся датчиком непрерывного действия и контролировался в наивысшей точке термометром сопротивления. Во время испытаний ток контролировался в наивысшей точке термометром сопротивления. Во время испытаний ток в сверхпроводниковую обмотку возбуждения заводился от ТПГ-9 четырежды периодами по 20 мин каждый. В течение 1,5 ч обеспечивался режим 'замороженного тока'. Начальное напряжение топологического генератора составляло 4 мВ, конечное - при токе в обмотке возбуждения 260 А - 2 мВ. Так как общая высота испытуемой сборки составляла 650 мм, то ТПГ-9 частично находился над уровнем жидкого гелия в его парах. Поэтому устойчивое напряжение оказалось в 1,5 раза ниже ранее полученного значения.

Тепловые испытания ротора, проведенные после завершения поэтапной проверки на герметичность сварных соединений и проведения окончательной сборки ротора показали следующее. Вакуумирование вращающегося криостата обеспечивается до уровня 104 мм ртутного столба за 5 ч. В течение двухнедельного срока вакуум ухудшается, доходя до 102мм ртутного столба. В процессе захолаживания он снова улучшается и достигает первоначального уровня. Вакуумные вентили, в которых использована вакуумная резина, надежно работают в парожидкостной смеси азота, и перестают выполнять свои функции при погружении их в жидкий азот. Время заливки жидкого азота в ротор составляет 1 ч. С учетом полученных' сведений о тепловых характеристиках ротора был составлен график захолаживания ротора в статике. Контрольное захолаживание проведено от гелиевой емкости вместимостью 500 л. Устойчивый уровень жидкого гелия , контролируемый термометром сопротивления, достигнут в роторе за 12 ч. Суммарный расход жидкого гелия на захолаживание 250 л.

Сборка бесконтактного синхронного генератора и его привода выполнялась непосредственно на экспериментальном стенде . Во время монтажа статора и привода ротор находился под откачкой на вакуумном посту. До установки ротора в подшипники, на вакуумном посту была осуществлена заливка жидкого азота в ротор и без временной выдержки его удаление из ротора. Затем ротор был установлен на штатное место . Интервал между началами заливки жидкого азота и жидкого гелия составил 1,5 ч. Последующий процесс захолаживания проводился как в статике, так и при вращении ротора. Последний режим важен с точки зрения удовлетворения эксплуатационным требованиям. График захолаживания бесконтактного синхронного генератора соответствовал графику проведения предварительных тепловых испытаний ротора.

Устойчивый уровень жидкого гелия в роторе наблюдался в течение 1 ч, в продолжении которого бесконтактный синхронный генератор испытывался в косвенных режимах . Расход жидкого гелия не измерялся. Ток в сверхпроводниковую обмотку возбуждения заводился при вращении ротора со скоростью 200 и 300 об/мин. Напряжение топологического возбудителя поддерживалось не ниже 2 мВ, при токе возбуждения 3 А. За 15 мин в сверхпроводниковую обмотку возбуждения был заведен ток 200 А, что составило 75% от номинального тока возбуждения холостого хода. В диапазоне выполненных измерений характеристика холостого хода имеет линейный вид.

1.5.2. Первоочередные задачи дальнейших исследований.

На данном этапе решена принципиальная задача - разработан, изготовлен и испытан демонстрационный синхронный генератор с сверхпроводниковой обмоткой возбуждения и полностью сверхпроводящим возбудителем топологического типа, встроенным в криогенную часть ротора. На всех стадиях проведенных экспериментальных исследований топологического возбудителя достигнуты его номинальные параметры.