Turbo jeneratör

Jeneratör setli 500 MW *Siemens* çok kademeli buhar türbini (arkada, kırmızı)

Turbo jeneratör, elektrik gücü üretmek için su türbini, buhar türbini veya gaz türbini miline bağlı bir elektrik jeneratörüdür.^{[note 1]}

Dünyada üretilen elektriğin çoğunu buhar gücüyle çalışan büyük turbo jeneratörler sağlar. Buhar gücüyle çalışan turbo-elektrik gemilerde de kullanılır.^[1]

Gaz türbinleriyle çalıştırılan küçük turbo jeneratörler çoğunlukla yardımcı güç ünitesi (APU, özellikle uçaklarda) kullanılır.

Tarihçe

Ganz Şirketi'nde 1886 civarında türbin yapımı

İlk turbo jeneratörler, su türbinleriyle çalışan elektrik jeneratörleriydi. İlk Macar su türbini, Ganz Works mühendisleri tarafından 1866'da tasarlandı. Dinamo jeneratörleriyle endüstriyel ölçekte üretim ancak 1883'te başladı.^[2]

Mühendis Charles Algernon Parsons, 1887'de bir dinamoyu kullanarak buharla çalışan bir DC turbo jeneratörü kanıtladı^[3] ve 1901'de Almanya'nın Eberfeld kentindeki bir tesise megavat gücünde ilk büyük endüstriyel AC turbo jeneratörünü tedarik etti.^[4] Turbo jeneratörler ayrıca buharlı lokomotiflerde vagonların aydınlatılması için güç kaynağı ve ısıtma sistemleri için su pompaları olarak kullanıldı.

Jeneratörün yapısal özellikleri

Tam kutuplu makinenin prensibi: alan sargısı rotorun içinde dağıtılır

Turbo jeneratörler, buhar ve gaz türbinlerine özgü yüksek mil dönüş hızlarında çalışır. Turbo jeneratörün rotoru, genellikle iki kutuplu çıkıntılı olmayan kutup tipindedir.^[5]

Turbo jeneratörün normal hızı, 50 Hz'de dört veya iki kutuplu 1500 veya 3000 dev/dak'dır (60 Hz'de dört veya iki kutuplu 1800 veya 3600 dev/dak).

Rotor ince, tam kutuplu bir rotor olarak tasarlanmıştır. Maksimum rotor çapları yaklaşık 1,2…1,3 m'dir.^[6] Dört kutuplu makineler için olası rotor çapları daha büyüktür (1500 rpm için yaklaşık 2 m). Sınır değerleri merkezkaç kuvvetlerinden kaynaklanır[1] ve tasarım için 1,2 aşırı hız faktörü (nominal hıza göre %20 aşırı hız) kullanılmıştır.^[7]

Turbo jeneratörün dönen parçaları yüksek çalışma hızı nedeniyle zorlu mekanik streslere maruz kalır. Büyük turbo alternatörlerin rotorunu mekanik olarak mukavim yapmak için, rotor krom-nikel-çelik veya krom-nikel-molibden gibi alaşım çeliklerinden dövülerek yapılır. Çevredeki sargıların çıkıntısı, çelik tutma halkalarıyla sabitlenir. Yuvaların üstündeki ağır manyetik olmayan metal kama, alan sargılarını santrifüj kuvvetlerine karşı tutar.

Rotor yuvalarında mika ve asbest gibi sert bileşimli yalıtım malzemeleri kullanılır. Bu malzemeler yüksek sıcaklığa ve yüksek ezme kuvvetlerine dayanabilir.^[8]

Büyük turbo jeneratörlerin statoru iki veya daha çok parçadan oluşabilirken, küçük turbo jeneratörlerin statoru tek parçadır.^[9]

Stator

Stator stator mahfazasından ve stator sargısının takılı olduğu lamine çekirdekten oluşur.

Stand muhafazası kaynaklı çelik konstrüksiyondan oluşur ve lamine çekirdeğin statik ve dinamik kuvvetlerini emer. İç kısımda kaynaklı sac kanallar ve soğutma boruları vardır. Daha büyük senkron makineler için, ısı eşanjörleri (yedek hava/su soğutucuları veya hidrojen/su soğutucuları), üreticiye bağlı olarak stator muhafazasına dikey veya yatay olarak monte edilir.

Hidrojen soğutmalı makineler için gövde gerekli basınç testiyle basınca dayanıklı olacak şekilde tasarlanmıştır. Bağlantı flanşları (örneğin yağlama yağ boruları için) ve elektrik bağlantı kutuları (örneğin ölçüm cihazları) ve jeneratör çıkışı gibi ana elektrik bağlantıları mahfazanın dış tarafındadır. Muhafaza güvenli temel bağlantısı için tasarlanmıştır.

Sac metal paketi katmanlı ayrı metal levha parçalarından, dinamo levhalar oluşur. girdap akımları'nı önlemek için elektriksel olarak yalıtılmışlardır. Dolaylı olarak soğutulan makinelerde, levha istifinde düzenli aralıklarla soğutma yarıkları oluşturulacak şekilde aralayıcı çubuklara sahip levhalar sağlanır. Sacların imalat toleransları nedeniyle, sac yığınında düz bir çizgi elde etmek amacıyla katmanlama çok uzun bir süre boyunca karmaşık şekilde elle gerçekleştirildi.

Sac paketi her iki taraftan baskı plakaları/parmakları ile sıkıştırılmıştır. Stator sargısının sarım başlıklarını tutmak için sabitleme sepetleri uçlara takılmıştır. Paralel anahtarlama hatları enerji çıkış tarafına bağlanır.

Stator sargısı, U, V ve W olarak adlandırılan, 120° (kutup çifti başına) kaydırılmış üç sargı telinden oluşur. Yıldız veya üçgen bağlantısıyla bağlanabilirler. Jeneratörü çalıştıran makineler, olası bir toprak arızasını tespit etmek için her zaman bir yıldıza bağlanır. Jeneratör terminalleri uluslararası olarak LINE L1, L2, L3 (eski adıyla R, S, T) olarak belirlenmiştir. Stator sargısı, özel olarak bükülmüş, ayrı ayrı yalıtılmış bakır çubuklardan, Roebel çubuklarından oluşur. Yüksek performanslı senkron jeneratörlerde, doğrudan su soğutması için Roebel çubuklarına dalga kılavuzları yerleştirilmiştir. Normal çalışma koşulları altında elektrik yalıtımı alanında özel zorluklar ortaya çıkar - jeneratör nominal gerilimleri genellikle 27 kV'a kadar çıkar ve eş zamanlı yüksek termal yük, kısmi deşarja dayanıklı mika bazlı yalıtım sistemlerinin yanı sıra mekanik olarak kullanılır - sarım kafalarındaki titreşimler. Statorun yapısı temel olarak üç fazlı asenkron makineyle aynıdır.

Rotor

Makaralı rotor veya tam tamburlu rotor da denilen tam kutuplu rotor, dönel olarak simetrik yapılıdır ve çok yüksek mekanik gerilimler göz önüne alındığında yüksek derecede temperlenmiş dövme parçadan yapılmıştır.

Bu çok sıkı kalite ve test yöntemlerine tabidir. Tahrik makinesinin kaplin flanşları ve gerekirse fırçasız tahrik makinesi ya daraltılır ya da dövme işleminin ayrılmaz bir parçasıdır.

Rotor (uyarma) sargısına uyum sağlaması için, rotor kovanında uzunlamasına yönde oluklar frezelenir ve uyarma akımı besleme hattı için rotorda eksenel delikler açılır. Rotor sargısı, yarıklara izolasyon halinde, katman katman yerleştirilir ve son olarak büyük merkezkaç kuvvetlerini emmesi için yarık kapatma takozları adı verilen parçalarla sabitlenir.

Kısmen gümüş kaplamalı yarık takozları ile rotorun yüzeyi, "damper sargısı" denilen, elektriği ileten bir kafes oluşturur. Damper sargısı şok yüklerini (kutup çarkı salınımları) azaltmaya yarar.

Rotor sargısı ve rotor kovanındaki özel soğutucu hava/gaz kanalları, rotor sargısındaki uyarma akımının neden olduğu ısının dağıtılmasını sağlar. Rotor sargısının herbir katmanı, özel bir işlem kullanılarak yuvaların dışına lehimlenir, manyetik olmayan özel çelikten yapılmış daraltılmış bir rotor kapağı ile merkezkaç kuvvetlerine karşı yalıtılmış ve korunmuştur. Bu kapak bölgesinde kapak yalıtımına ve soğutmaya özellikle dikkat edilir.

Rotor ve ilgili stator çekirdeği fan ile soğutulur. Performans sınıfına bağlı olarak her iki tarafta birer fan, hatta çok kademeli fan (kompresör) bile sağlanır.

Güvenli çalışma için düzgün çalışma gereklidir, bu nedenle rotor bir balans makinesinde dengelenir ve rotor sargısının son elektriksel yalıtım kontrolü ile birlikte aşırı hız testine (%120 nominal hız) tabi tutulur.

Yüksek kalite standardına rağmen rotor sargısı, dönüş arızası koruması ve rotor toprak arızası koruması tarafından izlenir. Arıza durumunda simetrik olmayan manyetik alan oluşur ve bunun sonucunda izin verilmeyen dengesiz bir yük oluşur. Bu, rotor rulmanında kabul edilemez ısı kayıplarına yol açan girdap akımları yaratır.

Uyarma

Uyarma sargısını doğru akım ile beslemek için, eski turbo jeneratörlerde milin üzerine bir doğru akım makinesi yerleştirilirdi (uyarıcı makine). Daha sonra doğru akım, karbon fırçalar ve kayar halkalar aracılığıyla turbo jeneratörünün rotoruna sağlanmalıydı.

Günümüzde büyük turbo jeneratörlerde iki ana uyarma türü yaygındır:

Fırçasız uyarma dönen uyarıcılı (örneğin, düzeltme için rotor şaftının üzerine veya içine monte edilmiş diyotlarla aynı şaft üzerinde oturan bir dış kutup makinesi). Kontrol edilebilir bir güç dönüştürücüsü tarafından sağlanan doğru akımla harici olarak uyarılır.
Statik uyarma: Bir güç dönüştürücü sistemi, bir fırça köprüsü (kayma halkaları ve karbon fırçalar) aracılığıyla iç kutup makinesinin rotor sargısına aktarılan doğru akımı sağlar. Fırçalar çalışma sırasında değiştirilebilir.

Bahsedilen iki yöntemden hangisinin kullanılacağı, ilgili üreticinin felsefesine ek olarak, öncelikle enerji santrali operatörünün gereksinimlerine bağlıdır. Her iki yöntemin de avantajları ve dezavantajları vardır:

Dönen uyarıcı aşınmasızdır ancak acil durumlarda bakım/onarım yalnızca makine dururken yapılabilir. İlgili harici uyarma dönüştürücüsü tarafından sağlanacak akımlar nispeten düşüktür, ancak uyarma süresi sabitlerinden dolayı çalışma durumundaki hızlı değişiklikler sırasında uyarma akımının izlenmesi oldukça yavaştır. Jeneratör terminallerindeki voltaj düşüşlerini telafi etmek için dönüştürücünün, normal çalışmaya kıyasla çok büyük voltaj rezervleri (tavan uyarımı adı verilen) sağlaması gerekir.
Statik konvertör uyarımı genel olarak biraz daha karmaşıktır ve aşınma ve yıpranmaya tabidir, ancak büyük ölçüde jeneratör çalışırken bakımı yapılabilir. Tam uyarma akımı sağlanmalı ve rotora aktarılmalıdır; Büyük makineler için 10 kA'ya kadardır. Öte yandan, statik uyarı, yük değişikliklerine çok hızlı tepki verebilir, böylece tavan voltajı, dönen bir uyarıcıya göre önemli ölçüde daha düşük olabilir. Bu dinamik avantaj, birçok yenilenebilir enerji üreticisinin bulunduğu şebekelerde artan yük akış dinamikleri nedeniyle giderek daha önemli hale geliyor. Kural olarak, şebeke operatörleri, kısa süreli kesintiler durumunda enerji santrali operatörlerinin jeneratör sistemlerine dinamik ve güvenilirlik açısından belirli minimum gereksinimler koyarlar ve bu genellikle dönen uyarıcılarla sağlanamaz.

Uyartım, jeneratörün çalışma davranışı açısından çok önemlidir, çünkü uyarma akımının ayarlanması, terminal voltajının genliğini ve dolayısıyla jeneratörün şebekeye (Aktif güç, türbin hızı veya torku tarafından belirlenir) sunabileceği reaktif gücü düzenler. Turbo jeneratörlerin uyarma gücü jeneratör gücünün yaklaşık %0,5 ila %3'üdür.

Ayrıca, yavaşça dönen çıkıntılı kutuplu makinelerin aksine, turbo jeneratörler rölantiye dayanıklı değildir ve yalnızca hafif bir aşırı hıza izin verir. Ani bir yük düşüşü durumunda (en kötü durumda, öngörülemeyen bir şebeke bağlantısının kesilmesi nedeniyle), mekanik hasarı önlemek için türbinin otomatik olarak hızlı şekilde kapatılması derhal gerçekleştirilmelidir. Bu amaçla, jeneratörü çalıştıran buhar türbinlerinin, türbinlere tüm buhar kütle akışını bir saniyeden daha kısa sürede durduran ve yönlendirme istasyonları aracılığıyla yoğunlaştırıcıya yönlendiren, hızlı kapatma valfleri denilen valfleri vardır. Bu, türbinlerin artık tork üretemeyeceği anlamına gelir. Aynı zamanda turbo jeneratörün uyarısı da kaldırılır.

Bir turbo jeneratörün jeneratör voltajı, 40 MVA aralığındaki çıkışlar için 6,3 kV'dir; 1000 MVA'nın üzerindeki büyük turbo jeneratörler için 27 kV'a kadar ulaşılır. Daha büyük sistemlerdeki akımlar 10 kA civarındadır. Jeneratör voltajı, bir jeneratör devre kesici aracılığıyla makine dairesinin hemen yakınında kurulan makine transformatörüne beslenir ve bu, onu yüksek voltaj şebekesinde örneğin 400 kV'luk olağan voltaja dönüştürür.

Soğutma

Soğutma tipi turbo jeneratörlerin performansına bağlı olarak seçilir.

Çıkışı 300 MW'a kadar olan makineler için makine öncelikli olarak temiz hava ile soğutulur.
250 MW ile 450 MW arasındaki güç aralığında soğutma genellikle büyük özgül ısı kapasitesi havadan daha etkili soğutma sağlayan hidrojen kullanılarak gerçekleştirilir.
Şu anda 1.800 MW'a kadar olan en güçlü turbo jeneratörlerde soğutma, hidrojen ve saf su ile birlikte gerçekleşmektedir. Hedeflenen ısı dağıtımı için turbo jeneratörün sargıları dalga kılavuzlarıyla tasarlanmıştır. Bu dalga kılavuzları, içinde boşluk bulunan bakır çubuklardan oluşur. İlgili soğutma ortamı bu boşluktan akar ve böylece kayıp ısıyı uzaklaştırır.^[10]

%99'a varan verimlilik ile turbo jeneratörler en verimli enerji dönüştürücüler arasındadır.

Elektrik enerjisi üretimi açısından önemi

2000 yılında elektrik enerjisi üretimi 55.440 PJ (15.400 TWh'ye eşdeğer) olarak gerçekleşti. Yaklaşık %64'ü fosil enerji kaynaklarından (kömür, gaz, petrol) ve diğer %17'si de nükleer enerji santrallerinden geldi. Termik santrallerin her iki alanında da turbo jeneratörler yalnızca elektrik üretimi için kullanılır.

Hidrojen soğutmalı turbo jeneratör

Hava soğutmalı turbo jeneratöre dayalı olarak, gaz halindeki hidrojen ilk olarak Ekim 1937'de Dayton, Ohio'daki Dayton Power & Light Şirketi'nde bir hidrojen soğutmalı turbo jeneratörde soğutucu olarak hizmete girdi.^[11] Hidrojen, rotorda ve bazen de stator'da soğutma sıvısı olarak kullanılır ve bu da özgül kullanımda artışa ve %99,0 verimliliğe olanak tanır. Hidrojen gazının yüksek ısı iletkenliği, yüksek özgül ısısı ve düşük yoğunluğu nedeniyle, bu günümüzde kendi alanında en yaygın türdür. Hidrojen, elektroliz yoluyla yerinde üretilebilir.

Jeneratör, hidrojen gazının kaçmasını önlemek için hermetik olarak kapatılmıştır. Atmosferde oksijen bulunmaması, olası korona deşarjı nedeniyle sargıların yalıtımının hasar görmesini önemli ölçüde azaltır. Hidrojen gazı rotor muhafazası içinde dolaştırılır ve bir gaz-su ısı değiştiricisi tarafından soğutulur.^[12]

Literatür

Rolf Fischer (2009). Elektrische Maschinen (14. bas.). Hanser. ISBN 978-3-446-41754-0.

Ayrıca bakınız

Notlar

^ Bu makalenin amaçları için, turbo jeneratör terimi, dönen bir türbin şaftından gelen mekanik gücü elektrik gücüne dönüştüren elektrikli makine anlamına gelir. Ancak, turbo jeneratör tanımı hakkında kaynaklar arasında tutarsızlık vardır. Bazı çevrimiçi sözlükler şöyle bir tanım verir: "Bir turbo jeneratör, elektrik gücü üretimi için doğrudan bir elektrik jeneratörüne bağlı bir türbinin birleşimidir" [1] ve burada benzer bir tanım vardır [2]. Diğer sözlükler ve çoğu elektrik mühendisliği kaynağı, türbinin ayrı bir varlık olarak tanımlandığı, elektrik makinesiyle sınırlı bir tanım verir. Bkz.[3], [4], ve IEEE: [5] and [6]. Üretici kaynakları da tanımın sadece elektrikli makinelerle sınırlı olmasını destekler. [7] ve [8], ve "Turbo generators for thermal power plants". ANDRITZ. 31 Mayıs 2023 tarihinde kaynağından arşivlendi.

Bu madde bir taslaktır. Bu maddeyi geliştirerek veya özelleştirilmiş taslak şablonlarından birini koyarak Vikipedi'ye katkıda bulunabilirsiniz.

Kaynakça

^ Ginet, C.; Joho, R.; Verrier, M. "The turbogenerator – A continuous engineering challenge" (PDF). 21 Ağustos 2010 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi.
^ "Vízenergia hasznosítás szigetközi szemmel Avagy mi lesz veled, Dunakiliti?" (PDF). 15 Ekim 2013 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Ekim 2013.
^ Smil, Vaclav (2005). Creating the Twentieth Century. Oxford University Press. ss. 63–64. ISBN 0195168747.
^ Scientific American, 27 Nisan 1901
^ Basic Electrical Engineering (Be 104). McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited. 1990. s. 8.1. ISBN 978-1-259-08116-3. 11 Şubat 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Ağustos 2017.
^ https://www.ew.tu-darmstadt.de/media/ew/rd/ew_vorlesungen/lv_gghl/skript_gesamt.pdf Andreas Binder: Großgeneratoren u. Hochleistungsantriebe, TU Darmstadt 2021, Institut für Elektrische Energiewandlung, Seiten 143 und 149, abgerufen am 22. Feb. 2023
^ Turbogenerators in gas turbine systems - Part 2, ISBN 978-1-84569-728-0 (Print) 978-0-85709-606-7 (Online), Woodhead Publishing Inc., Kapitel 8.2.4
^ Basic Electrical Engineering (Be 104). McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited. 1990. s. 8.3. ISBN 978-1-259-08116-3. 11 Şubat 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Ağustos 2017.
^ Basic Electrical Engineering (Be 104). McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited. 1990. s. 8.4. ISBN 978-1-259-08116-3. 11 Şubat 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Ağustos 2017.
^ Eugen Wiedemann, Walter Kellenberger (1967). Konstruktion elektrischer Maschinen. Springer. ss. 69-70. ISBN 978-3-662-12180-1.
^ National Electrical Manufacturers Association (11 Şubat 2018). "A chronological history of electrical development from 600 B.C." New York, N.Y., National Electrical Manufacturers Association – Internet Archive vasıtasıyla. Arşivlenmesi gereken bağlantıya sahip kaynak şablonu içeren maddeler (link)
^ "Aeroderivative & Heavy-Duty Gas Turbines - GE Power". www.gepower.com. 5 Mayıs 2010 tarihinde kaynağından arşivlendi.