Что такое гидрогенератор?
Гидрогенератор — это электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии потока воды в электрическую. Как следует из названия, устройство состоит из двух ключевых компонентов: гидравлической турбины, приводимой в движение водой, и непосредственно генератора, вырабатывающего ток. В подавляющем большинстве случаев в этой роли используются явнополюсные синхронные генераторы, ротор которых жёстко соединён с валом турбинного колеса. Таким образом, синхронный генератор, работая в паре с водяной турбиной, образует гидрогенератор, в то время как с паровой или газовой турбиной он становится турбогенератором.
Конструктивные особенности и классификация
Конструкция гидрогенератора напрямую зависит от параметров турбины: её мощности, частоты вращения и компоновки. Мощные тихоходные агрегаты, как правило, выполняются с вертикальным расположением оси вращения (за исключением капсульных модификаций). Для быстроходных гидроагрегатов с ковшовыми турбинами чаще применяется горизонтальная ось. Помимо классических решений, существуют и экспериментальные конструкции: с фазным ротором, контрроторные, проточные и другие.
В России, учитывая особенности рек, даже многие быстроходные генераторы устанавливаются вертикально. По мощности гидрогенераторы делят на три категории: маломощные (до 50 МВт), средней мощности (50–150 МВт) и большой мощности (свыше 150 МВт). Частота вращения также является важным классификационным признаком: тихоходные модели работают со скоростью до 100 об/мин, быстроходные — более 100 об/мин. Диапазон генерируемого напряжения составляет 8.8–18 кВ при коэффициенте мощности 0.8–0.95. КПД у этих машин высок: 97.5–98.8% для быстроходных и 96.3–97.6% для тихоходных моделей.
История развития в СССР и России
Первые отечественные гидрогенераторы были созданы в 1925 году на ленинградском заводе «Электросила» для Волховской ГЭС. Их мощность составляла 7.25 МВт. Уже в начале 1930-х годов на Днепрогэс были запущены агрегаты мощностью до 65 МВт, а к 1940 году на Угличской и Рыбинской ГЭС установили крупнейшие по тем временам гидрогенераторы, отличавшиеся значительными габаритами и массой.
Эпоха больших сибирских рек ознаменовалась новыми рекордами: в 1960 году для Братской ГЭС создали генератор на 225 МВт, а в 1964-м для Красноярской — на 508 МВт. Параллельно развивались и специализированные конструкции: капсульные гидрогенераторы с водяным охлаждением (около 20 МВт для Череповецкой ГЭС), обратимые гидроагрегаты для Киевской ГАЭС, а также экспериментальный высоковольтный генератор (110 кВт, 1966 г.). Венцом советского гидромашиностроения стал гидрогенератор мощностью 650 МВт, спроектированный для Саяно-Шушенской ГЭС.
Ключевые инженерные решения
При проектировании и монтаже особое внимание уделяется надёжному креплению вращающихся частей и эффективному охлаждению обмоток статора и ротора. По конструкции опорных узлов (подшипников или подпятников) гидрогенераторы делятся на два основных типа:
- Подвесные: опорный подшипник, воспринимающий вес вращающихся частей и осевое давление воды на рабочее колесо турбины, расположен выше ротора на верхней крестовине. Такая схема предпочтительна для быстроходных агрегатов, так как обеспечивает высокую устойчивость к вибрациям, меньший диаметр подшипника и более простую конструкцию.
- Зонтичные: подпятник размещён под ротором на нижней крестовине или крышке турбины. Это решение позволяет уменьшить габариты и массу мощных тихоходных генераторов, делая конструкцию более компактной.
Системы охлаждения и возбуждения
Крупные генераторы (от 300 МВт) требуют принудительного охлаждения. Наиболее распространены замкнутые системы вентиляции: косвенная (поверхностный обдув) и форсированная (подача воздуха непосредственно в проводники). Максимальной эффективности удаётся достичь при комбинированном охлаждении: обмотки статора охлаждаются дистиллированной водой, а ротора — усиленным потоком воздуха. Это позволяет повысить коэффициент использования машины и снизить расход изоляционных материалов, меди и электротехнической стали.
Для создания магнитного поля (возбуждения) в гидрогенераторах чаще всего применяются вспомогательные генераторы постоянного тока, установленные на общем валу. В мощных агрегатах может использоваться дополнительный подвозбудитель. Альтернативным решением является применение синхронного генератора с выпрямителями, который может выполнять и вспомогательные функции.