Vysokootáčkový elektrický generátor HFG 125T

Ing. Libor Neklapil, Ing. Roman Kolka,

 

 

Rostoucí ceny energií nejenom vedou k hledání dalších zdrojů, ale umožňují také vznik zařízení, jejichž provoz byl dříve z eko­nomického hlediska neefektivní. Proto mají značný potenciál malé lokální zdroje elektric­ké energie využívající biomasu nebo odpadní teplo z technologických procesů. Tyto zdroje mohou v malých a středních provozech zlep­šit celkovou bilanci spotřeby elektrické ener­gie, popř. mohou pracovat zcela na komerční bázi. Jde o malé kogenerační jednotky posta­vené na bázi mikroturbín. Vstupním médiem je zde ohřátý stlačený vzduch, výstupem elek­trická energie. Mezi hlavní výhody patří malé rozměry, vysoká úroveň spolehlivosti a malé požadavky na údržbu. Charakteristickým zna­kem mikroturbín jsou velké provozní otáčky, které v závislosti na výkonu mikroturbíny do­sahují hodnot od 30 000 do 100 000 min^–1.

 

Standardní elektrický generátor s pracov­ními otáčkami 1 500 nebo 3 000 min^{–1je pro takovouto aplikaci v} podstatě nepoužitelný. Jednak je nutné použít reduktor a jednak je třeba provozovat mikroturbínu na konstant­ních otáčkách, což je s ohledem na charak­ter zdroje tepelné energie a způsob regulace mikroturbín často nemožné. Rovněž rozmě­ry a hmotnost „třítisícového“ generátoru bu­dou několikanásobně převyšovat paramet­ry samotné mikroturbíny. Standardním tech­nickým řešením je proto přímé spojení rotoru mikroturbíny s vysokootáčkovým elektric­kým generátorem, který je zapojen do mě­niče frekvence zajišťujícího výstupní síťové napětí 3× 400 V/50 Hz.

 

První brněnská strojírna (PBS) Velká Bí­teš, a. s., dlouhodobě vyvíjí a vyrábí vyso­kootáčkové lopatkové stroje. Rozšíření výrobního sortimentu o mikroturbíny pro ener­getiku bylo odpovědí na požadavky trhu. Při vypracovávání návrhu mikroturbín bylo vy­užito osvědčené know-how, které firma využívá při výrobě leteckých pomocných ener­getických jednotek (APU – Auxiliary Power Unit). Výkonová hladina mikroturbín 100 kW byla zvolena s ohledem na konkurenci a po­žadavky zákazníků. K této vysokootáčkové pohonné jednotce nebylo možné získat sériově vyráběný a cenově dostupný elektrický ge­nerátor. Proto byl v PBS Velká Bíteš zahájen jeho vlastní vývoj, jehož výsledkem je vyso­kootáčkový elektrický generátor HFG 125T (základní parametry viz tabulka). Jde o syn­chronní generátor buzený permanentními magnety. Uvedený elektrický generátor byl vyvíjen za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci programu IMPULS.

 

Pro předběžný návrh generátoru se po­užívají iterační metody, kdy se ve výpočtu magnetického obvodu kombinují různé druhy materiálů magnetů, tvar magnetů, průměr a délka rotoru a variantní provedení stato­ru. Úvodní etapa návrhu generátoru předsta­vuje výběr topologie rotoru. V tomto pří­padě bylo posouzeno několik variant tvaru magnetů a jejich způsobu uchycení na ro­tor. Jako nejvhodnější byla zvolena varian­ta s tvarovanými segmenty magnetů, jejichž vnější tvar odpovídal průměru rotoru. Tato konfigurace dává velký magnetický výkon, má malou hodnotu celkového harmonického zkreslení (THD – Total Harmonic Distortion) a průběhu vlny zpětné elektromotorické síly (EMF – Electro Motive Force). Tvar segmen­tových magnetů je rovněž příznivý z hledis­ka silového působení magnetů na rotorovou bandáž; ta je jedním z klíčových prvků celé­ho generátoru.

 

Další optimalizační úlohu představoval výběr vhodného materiálu magnetů. Z vy­sokoenergetických magnetů je možné použít samarium-kobalt (SmCo) a neodym-železo--bor (NdFeB). Magnety SmCo mají sice mno­hem větší teplotní stabilitu než NdFeB, ale s ohledem na odolnost ostatních použitých materiálů byla zvolena alter­nativa magnetů NdFeB, kte­ré umožňují dosáhnout větší­ho výkonu.

 

Omezující rozměr při na­vrhování vysokootáčkového generátoru představuje prů­měr rotoru. Ten při zadaných otáčkách turbíny musí respek­tovat pevnost rotorové bandá­že, která zachycuje odstředivé síly permanentních magnetů. Vlastní rotorová bandáž je klíčovým prvkem vysokootáčkové­ho generátoru. Musí mít dostatečnou pevnost a zároveň co nejmenší výšku, aby byla mini­malizována vzduchová mezera mezi magnety a statorovým svazkem. Generátor HFG 125T je vysokofrekvenční elektrický stroj a tloušť­ka bandáže má zásadní vliv na složku ztrát, které vznikají vířivými proudy. Materiál ban­dáže musí být rovněž nemagnetický. Je třeba, aby bandáž měla určitou geometrickou přes­nost a tuhost pro zamezení radiálního posuvu magnetů za provozu v rámci pružné deforma­ce materiálu bandáže. Z předběžných výpočtů bylo zřejmé, že tyto požadavky mohou splnit pouze kompozitní materiály. PBS Velká Bíteš neměla s kompozity žádné zkušenosti, a pro­to navázala spolupráci se specializovanou fir­mou. Po uskutečnění upřesňujících výpočtů byla navržena rotorová bandáž z uhlíkových vláken s pevností min. 3 800 MPa. Na zku­šebním zařízení, které bylo k tomuto účelu navrženo, se na segmentu rotoru (jedna šes­tina skutečné délky rotoru) ověřovala pevnost vzorků bandáže za zvýšených teplot (150 °C) až do 90 000 min^–1. Při těchto testech nikdy nedošlo k destrukci bandáže, pouze u někte­rých druhů návinu se vyskytovalo odmotá­ní vláken způsobené přerušením vláken při obrábění vnějšího tvaru bandáže. Dodavatel bandáže optimalizoval technologii návinu způsobem zaručujícím geometrickou přesnost bez nutnosti dalšího obrábění. Vlastní tech­nologie výroby bandáže představuje špičko­vé know-how v oboru. Obvodová rychlost ro­toru je 223 m·s^–1. Výška bandáže je pouhých 3,6 mm, přičemž jenom odstředivá síla mag­netů dosahuje hodnoty 162 tun. Malá výška bandáže souvisí i s chlazením rotoru. Teplotu v rotoru zvyšují dva hlavní faktory – tře­ní vzduchu a ztráty vířivými proudy. Vzhle­dem k tomu, že bandáž z uh­líkových vláken funguje jako tepelný izolant, je rotor citli­vější na vliv vířivých proudů než rotory konvenčních strojů. Zajistit účinné chlazení roto­ru je proto velmi obtížné. Tep­lo z jádra rotoru lze odvést v podstatě pouze chlazením volných konců hřídele a ložiskových uzlů.

 

 

Při vlastním konstrukčním řešení vysokootáčkového stro­je se vyskytují problémy, se kterými se u běžných strojů nelze setkat. Důležitou roli hraje dynamika celé soustavy rotoru generátoru připojené­ho spojkou k rotoru turbomo­toru. Správný návrh vyžaduje důkladnou analýzu dynamic­kého chování celé soustavy, tj. posouzení kritických otá­ček ve vazbě na vlastní frekvence. Jde o ná­vrh tzv. pružného rotoru, který je provozován v nadkritické oblasti otáček. Velká přesnost výroby všech rotačních dílů, dokonalé vyvá­žení a montáž jsou základní předpoklady za­jištění podmínek potřebných pro spolehlivou funkci ložisek.

 

Pro omezení přetížení ložisek a rotoru při přechodu kritických otáček bylo navrženo a ověřeno několik typů pružných a tlumicích ložiskových podpor.

 

Vhodným řešením tlumení se odstraní vliv provozních vibrací nejenom na samotná ložis­ka, ale i na vlastní rotor s bandáží a magnety.

 

Vysokootáčkové rotory nelze ukládat na tuhé ložiskové podpory, jaké se používají u běžných točivých elektrických strojů. Vysokootáčkový rotor většinou není možné po­kládat za tuhé těleso, což přináší komplika­ce při navrhování uložení rotoru a při jeho vyvažování.

 

Za pružný je považován rotor, jehož kri­tické otáčky jsou menší než otáčky provoz­ní. Pružný rotor vyžaduje vyvažování při provozních otáčkách stroje. V případě skládané­ho rotoru, složeného z hřídele, permanentních magnetů a bandáže, vzniká při běžném způ­sobu výroby velká nevyváženost rotoru, kte­rou je nutné správně kompenzovat. Avšak ani provozním vyvažováním nelze zabránit změ­ně nevyváženosti za provozu vlivem odstře­divých sil a teplotních deformací.

 

Ložiskové podpory u vysokootáčkového stroje tak plní několik funkcí a musí zaručit spolehlivý provoz při přejezdu kritických otá­ček rotoru i při zvýšené nevyváženosti. Toho­to se dosahuje laděním ložiskových podpor. Vhodnou kombinací tuhosti a tlumení ložis­kových podpor lze zaručit široký rozsah pro­vozních otáček pružného rotoru.

 

Je-li poddajnost ložiskových podpor znač­ně větší než ohybová poddajnost rotoru, ro­tor krouží při svých prvních dvou kritických otáčkách jako tuhé těleso. Tyto kritické otáč­ky lze vhodným naladěním umístit pod volno­běžné otáčky stroje a jejich přejezd je mož­né účinně tlumit použitím hydrodynamických tlumičů v místech podpor rotoru.

 

Při vypracovávání návrhu elektrického ge­nerátoru bylo doporučeno a vyzkoušeno něko­lik různých typů pružného uložení rotoru. Prv­ním zkoušeným typem pružné podpory byl tzv. nosníčkový typ pružného pouzdra s možností hydraulického tlumení. Tato konstrukce se po­užívá k uložení leteckých turbínových motorů. Změnou rozměrů nosníčků bylo možné měnit tuhost ložiskových podpor a nalézt optimál­ní hodnoty tuhosti a tlumení. Avšak tato kon­strukce byla pro svou složitost nevhodná pro sériovou produkci. Proto byly nově navrženy ložiskové podpory, které jsou výrobně jedno­dušší a kompaktnější. Optimalizací jejich geometrie a použitím pryžových kroužků se po­dařilo vhodně naladit jejich tuhost a tlumení.

 

Rotor generátoru je uložen pomocí dvoji­ce velmi přesných bezklecových hybridních ložisek s kosoúhlým stykem. Pečlivým ná­vrhem bylo dosaženo optimálních provoz­ních podmínek ložisek, a tím byl vytvořen předpoklad pro jejich velkou spolehlivost a dlouhou životnost. Co se týče mazání loži­sek, byla zvolena osvědčená řešení využívaná u leteckých motorů. Vlastní ložiskový prostor byl utěsněn labyrintovými ucpávkami, kte­ré jsou pro jejich správné fungování zahlco­vány vzduchem přiváděným od kompresoru mikroturbíny. Olejový systém zajišťuje kro­mě mazání ložisek rovněž odvod ztrátového tepla z rotoru. Ložiskový prostor je odvětrá­ván přes odlučovač oleje, který tvoří nedílnou součást generátoru.

 

Důležitým hlediskem při navrhování sta­toru je volba pólů. S ohledem na rostoucí ztráty, které souvisejí s vysokými frekvencemi, byl zvolen čtyřpólový stator, přestože stroj se dvěma póly by měl poloviční hodno­tu frekvence. Důvodem bylo snížení reakč­ního vlivu kotvy na permanentní magnety, kdy magnety mohou mít ve srovnání s dvou­pólovým statorem menší výšku, a tím men­ší hmotnost, což snižuje požadavky na roto­rovou bandáž. Čtyřpólová koncepce statoru rovněž přispívá ke kratšímu „převisu“ vinutí na konci statorového svazku, což umožňuje generátor celkově zkrátit. Vlastní statorové plechy jsou s ohledem na minimalizaci ztrát vířivými proudy vyrobeny ze speciálních ple­chů o tloušťce 0,2 mm. Pracovní vinutí je třífázové, zapojené do dvojité hvězdy. Počátky vinutí jsou spojeny do dvou galvanicky od­dělených samostatných uzlů. Uvnitř statoru jsou na vývody vinutí připojeny propojovací vodiče v délce 5 m, které ze statoru vystupu­jí přes průchodky. Vinutí je navrženo pro za­pojení do dvojitého třífázového usměrňovače. Přestože výkonový měnič se používá ke změ­ně napětí i frekvence na parametry sítě, bylo důležité navrhnout generátor tak, aby splňo­val povolené rozmezí výstupního napětí. Jde o omezení dané konstrukcí použitého výko­nového měniče. Velikost indukovaného napětí je dána velikostí magnetického toku odpoví­dajícího počtu závitů a otáčkám. Magnetický tok je určen přímo permanentními magnety, a to jejich vlastnostmi a uspořádáním. Vyso­kootáčkové stroje mají velmi malý počet zá­vitů (obvykle dva až čtyři), z čehož vyplývá velmi malý činný odpor vinutí a velmi malá indukčnost. S rostoucím zatížením generátoru roste i úbytek napětí. Ten je způsoben průcho­dem proudu činným odporem vinutí, rozpty­lovou reaktancí a ponejvíce reaktancí reakce kotvy. Velikost výstupního napětí dále kolísá s ohledem na chlazení a teplotu generátoru. S rostoucí teplotou permanentních magnetů klesá jejich remanentní indukce i koercitivní síla. Elektrický generátor musí být přizpůso­ben použitému výkonovému měniči a naopak. Bylo velmi obtížné najít vhodné pracovní roz­mezí pro turbínový motor, elektrický generá­tor a výkonový měnič.

 

Vzhledem k malému objemu generátoru bylo nutné zajistit spolehlivé odvedení ztrá­tového výkonu v podobě tepla. Největší podíl ztrát mají elektromagnetické ztráty ve statoru (70 až 75 %), ztráty rotoru třením o vzduch (15 až 20 %) a ztráty v ložiskách (10 %). Ztrá­tové teplo ze statoru a část tepla vzniklého třením o vzduch se odvádějí vnějším pláš­těm chlazeným kapalinou, do kterého je na­lisován statorový paket. Chladič byl navržen a podroben analýze CFD v programu Fluent a termální analýze v programu Pro/Mechani­ca. U vysokootáčkového generátoru je velmi důležité, aby chladič odváděl teplo rovnoměr­ně, tj. aby na plášti nikde nevznikala teplejší a chladnější místa. Teplotní nerovnoměrnost pláště generátoru by v důsledku teplotní roz­tažnosti způsobila deformaci pláště generáto­ru. Ztrátové teplo z ložisek a rotoru se odvádí prostřednictvím mazacího oleje a zahlcovací­ho vzduchu labyrintových ucpávek.

 

Pro zajištění spolehlivého provozu generá­toru jsou ve statorovém vinutí a u ložisek in­stalovány snímače teploty. Tyto snímače jsou vyvedeny do konektoru na plášti generátoru. Řídicí systém mikroturbíny sleduje kromě tep­lot v generátoru ještě teplotu a minimální prů­tok chladicí vody. Překročí-li kterákoliv sledo­vaná hodnota stanovenou mez, řídicí systém indikuje danou poruchu a jednotku odstaví.

 

Generátor HFG 125 T je součástí mikro­turbínové jednotky TGU 100 B, která je vyrá­běna v PBS Velká Bíteš. Jednotka TGU 100 B představuje zařízení, které pracuje na prin­cipu tzv. nepřímého ohřevu, při němž spali­ny neprocházejí turbínou, ale přes výměník ohřívají pracovní médium. Funkce jednotky je znázorněna na obr. 3.

 

U dosavadních instalací jednotky TGU 100 B je nejčastěji používaným palivem dřevní štěpka nebo různé formy dřevního odpadu. Jednotku je možné rovněž použít ve všech provozech, kde se vyskytuje dosta­tečné množství odpadního tepla, které zajistí ohřev pracovního média – vzduchu alespoň na 750 °C při množství 1,15 kg/s. V úvahu přicházejí teplárny, popř. chemické nebo me­talurgické provozy.