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作者

springwood1987

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完结,待转正。

开 始 时 间:2016-03-23

最后更新时间:2016-03-25

正文

发电机研制

时间线开始:承接第六卷105章“循序渐进”

纯粹的工科狗第一次写同人,文笔不好,更新不会太快,还望各位元老见谅、支持、讨论、斧正、补充,争取牛大解放两广之前我们可以把发电机造出来

另外,求元老报名,本着一切功劳属于元老院的指示,磁感应强度单位特斯拉肯定是要属于某元老了,但符号不能变,希望T姓元老为本文赞助。

二楼开更。

从会议室出来,赵荣寿心里颇有一番“春风得意马蹄疾,一日看尽长安花”的感觉。他在旧时空马家沟大学硕士毕业后进入北方大电机研究院工作,几年下来也算是混入科室的中层了,但眼见高层无望便一狠心参加了穿越。穿越之前还敬业的利用自己的权限,偷偷的复制了些研究院的大电机设计资料和图纸,还让学校的师弟们从世界上最大的灌水组织-IEEE下载了几十G的论文。不过,出人头地并非他参加穿越的唯一目的,作为一名狂热的围棋爱好者,他也梦想着和明末清初的高手过百龄、周懒予、汪汉年、周东侯、黄龙士比划比划,体验一下古棋的真实水平,顺带着在本实空兼任个棋院院长之类的,所以穿越后便舍去了自己的本名,拿旧时空日本棋豪坂田荣男的封号“本因坊荣寿”做了新名字。本以为穿越后凭着自己的技能可以干一番大事业,不想却一身武艺而无用武之地,又无其他特长只好长期充当基本劳动力,乃至执委会成立发电机研制小组时也忘了还有这么一位专业对口的元老,好在打探到消息的他连夜上书,这才进入了研制小组——虽然穿越众带来了电机设计程序和图纸,但里面的参数怎么取就不是非专业人士自己能琢磨透的了。

然而,欢喜还没有结束,赵荣寿便被当头泼了一盘冷水-发电机研制组的时间紧,任务重之程度甚至超越旧时空。在旧时空,一个典型的工业城市平均每人需要3kW的功率,现在临高在“发动机行动”结束之后,人口已接近20万,刨去香港、高雄等地人口,要支撑工业的继续发展,发电总功率也要300兆瓦,虽然现在临高工业化程度远不及旧时空工业城市,但即使相差一个数量级,用电需求也在10兆瓦左右,更遑论“二五计划”就要展开的两广攻略了。现在临高的装机容量尚不足5兆瓦,电力瓶颈就快要凸显了。另一方面,旧时空的大型发电机所需的材料和条件-硅钢片、H级绝缘、焊接、水内冷、氢内冷统统的没有,旧时空买成白菜价的钕铁硼永磁体是元老院严格管控的,而且为了维护“元老院的技术始终是前进的”的政治正确,永磁发电机方案也被无情的抛弃了,稍稍值得欣慰的是,穿越前在众电气和电力口元老的坚持下,大直径机床作为储备物资采购了一套,现在正躺在仓库里等待重见天日,然而其中并不包括赵荣寿念念不忘的五轴联动数控机床,在旧时空,这台设备是他所在的北方电机厂职工为了加工三峡机组集资买的,虽然超级昂贵,但是加工轮机扇叶的效率提高了10倍不止,可谓是物有所值。

万事开头难。虽然在旧时空,电气工程也是招生最多的院系之一,但多数是偏向电机控制和电力系统的,真正做电机设计的并不多,众元老中有这么两三个比例已经算是超高的了,然而这两三个人之间却也发生了一场不大不小的路线之争:异步发电还是同步发电,火力还是水力。赵荣寿颇废了一番口舌才说服其他元老,采用三相隐极同步发电机的方案。感应发电机固然简单坚固,但鼠笼式感应电机转子端环和鼠笼条需要钎焊,戳中了元老院目前没有成型焊接工业的痛处,绕线式结构感应电机相比同步发电机工艺上就没有任何优势了,而且感应电机功率密度低、转差随负载变化,输出频率稳定性差一些、不能自励启动都是实在的问题。同步发电机又有隐极式和凸极式两种,一般而言,汽轮机多用隐极式,水轮机多用凸极式。元老院短时间内只能在南方地区活动,因而水轮机更对元老胃口。但是,电机的重量实际取决于转矩而不是功率,汽轮机转速可以到1500转,水轮机一般只有几十转,因此,在相同功率下,水轮机的转矩要比汽轮机高出几十倍,重量自然也重上几十倍,在旧时空,最大的汽轮机单机功率可以做到百万千瓦,也就是千兆瓦级,而水轮机最大单机也不过70万千瓦。更何况元老们并没有从旧时空带来足够的硅钢片和高等级绝缘材料,现在能用的低碳钢和低等级绝缘材料性能相差甚远,水内冷、氢内冷也完全谈不上,目前临高自己制作发电机,功率密度和旧时空保守估计也要差上五倍以上。旧时空汽轮发电机每千克材料能出的功率尚且不足一千瓦,在当前的临高,如果造水轮机的话,大概要100千克材料才能出1千瓦功率。试想,在1901年,3.7千瓦,1500转汽轮机重量高达155公斤,因此,在当前时空,造水轮机材料的消耗大大超出了众元老的想象。当他把这些冷冰冰的数据一摆,原本支持水力发电的元老也便纷纷改口支持火力发电了。

“总算是可以重操旧业了,幸好没有荒废太久”,赵荣寿一边暗想,一边拿出自己从旧时空搞来的私货-毛子的一套设计计算手册,从前到后细细浏览起来。在电气口的元老里,他更倾向于理论计算派,当然,这并不代表他对法拉第等实践派的元老不以为意,恰恰相反,他对其他元老充满敬意,在旧时空,电机草创之时,正是一批又一批实践派的先贤通过不断的试验一点点揭示性能和参数间的关系,才建立起电机学-由参数推性能和电机设计-由性能推参数两大互逆的体系。只是发电机这么大的功率可以说是差之毫厘,谬以千里,直接上马加工隐患太大。

发电机研制工程启动的第一周,赵荣寿并没有开始设计,只是将带来的计算程序看了一遍又一遍,直到确认自己已经重新明白了每一步的意义。虽然如此,当他开始设计时仍是不禁皱了皱眉。上报给执委会的指标是200千瓦,1500转,重量控制在7吨以内,基本是旧时空20世纪前十年的水平,但以本时空的物资和加工条件,也不是轻易可以达到的。

电机设计首先的一步就是确定电磁热负荷。磁负荷是电机气隙磁密有效值,电负荷是圆周单位长度上的电流,而热负荷则是电负荷与导线中电流密度的乘积。一般而言,电负荷与磁负荷的乘积和电机的转矩与体积的比值成正比,因此,电磁负荷越高,电机体积越小。旧时空大型发电机磁负荷可以达到0.8T,而电负荷可以达到每毫米40A,但这些是建立在高标号的硅钢片和绝缘上的,在本时空自然是现阶段无法复制的。赵荣寿看了一眼钢铁厂元老提供的钢材磁化曲线的数据,饱和磁密只有不到1.2T,摇了摇头,作为经过多年科研训练的工科生,他知道,这以为这磁负荷只能在0.5T以下了,较旧时空下降了至少40% 。至于电热负荷,本时空由于没有石油和有机化工,绝缘水平更是低的惊人。高级的合成绝缘不提,即使是耐高温的天然绝缘材料,如石棉,云母,分布地最南也只到四川,主要产地都是新疆、内蒙古、辽宁一带,以现有条件,大批量的获取十分困难。“内蒙古,等大陆攻略展开,一定向执委会上书尽快占领内蒙古”,他一面忿忿的想,一面绞尽脑汁回忆绝缘发展史,然而一夜无果。第二天一早匆匆赶往大图书馆,最后终于找到了一种可行的方案:漆布。所谓漆布,就是用精细的棉布,浸上天然树脂和填料,天然树脂如石油、蜡、沥青、虫胶、松香等虽然临高找不到,但亚麻油等植物油脂勉强也可以。之前天地会在临高推广种植的蓖麻正好可以派上用场,填料里的石棉、云母不多,但沙子、石英砂海南却是不少,从玻璃厂分一杯羹即可。虽然这个绝缘只能到A级,最高温度90度,不过还在现在还在小冰河时期,还能凑合用。按照历史。小冰河要到1650左右才开始逐步结束,15年的时间应该足够发展处有机化工和石油产业了,最不济可以占领旧时空的四川和江苏东海一带开采石棉和白云母,把绝缘提高到B级125度。从大图书馆出来,他长长地送了口气,第一个难点算是解决了。

解决了绝缘的问题,设计算是进入了正轨,他选择了经典的4极48槽跨距为10的定子绕组型式。4极配合1500转速,刚好可以得到50Hz的工频,可以兼容现有的设备。至于60Hz的美国佬频率,这个时空估计不会再出现了。48槽定子,每极下有12槽,绕组跨距为10,刚好构成5/6短距绕组,也是经典的同时削弱5次和7次谐波的配合-本时空暂时没法用电力电子技术改善电流品质,只能从电机设计下功夫削弱谐波含量,这也是采用48槽定子的原因,24槽性能下降略大,36槽消谐波的效果则远不如48槽。

发电机绕组有散绕绕组、模绕绕组和罗贝尔线棒,赵荣寿无奈的选择了散绕绕组,虽然散绕耐电压最低,但其他两种绕组都需要焊接。模绕绕组是将一个大线圈分成多个小线圈,降低了槽内不同相线圈之间的电压,而罗贝尔线棒则是用预制成型的矩形线棒,每个线棒匝数和散绕绕组一样,但只提供一半的导体。由于还没有焊接工艺,所以暂时能用散绕绕组了,这样电机的电压最高只能到1000V,对于输配电显得有些低,只能等电机设计完再额外设计变压器了。

电机的主要尺寸选择是电枢直径420毫米。铁芯长1400毫米,单单铜和铁芯消耗便有5吨多,净重2吨半有余,如此,加工完的电机会是直径近一米,长度近2.5米的“庞然大物”了,重量超过5吨,巨大的材料消耗,加工尺度也不得不动用储备的大尺寸机床,接近本时空加工的极限,这个初步方案在向众元老汇报时也十分自然的遭受了众多质询,不过质询最终都被电气口元老合力镇压了----对电力的需求迫在眉睫,已经等不及硅钢和高等级的绝缘材料的出现了。

初步方案在元老院通过后,接下来的工作便是乏味无比的反复校验了。定子槽宽、槽高、定子绕组匝数、线径、槽满率、励磁电流、转子极靴极槽、各处磁密,反反复复的修改参数。在旧时空,这些都可以用电脑设计软件快速调整,本时空自然可以申请用计算中心,不过现在计算中心是在过于繁忙,赵荣寿还是选择了手工计算,不过,在众电气元老支持下,他还是申请到了一台旧时空常用的液晶电子计算器,计算效率提高了不少,饶是如此,这一过程也花了他整整一个月的时间。

接着,他又设计了直流发电机。感应发电机转子是短路绕组,励磁是在定子侧,而同步发电机定子需要直流励磁,励磁和无功的调节性远好于感应发电机,但也导致必须外界励磁装置。同步发电机的励磁系统有三种:直流励磁机、交流励磁机、旋转整流器。本时空还不能生产功率整流二极管,赵荣寿也只好设计最落后的直流发电机励磁了。直流发电机的设计又花费了他一个月的时间,还多少引起了元老院的不满:这笔追加投资之前并没有在元老院的预算之内,电气口的元老一门心思放在主发电机上,其他元老对电机又缺乏足够的了解。

整套的发电机图纸有50多张,赵荣寿终于无法再拒绝旧时空科技了-----纯粹依靠手工画图板,复杂的零件和部件装配图一张就足以画上一两天,对于大型发电机这并不是危言耸听,一套图纸足够他忙活两个多月了,即便用上CAD,当然,是盗版的,画完整套图纸也花去了一个多月的时间,接下来就该轮到机械加工的人抓狂了。至于他本人,自然是要参与加工制造的,但是机械加工并不是他所擅长的,当年的金工实习小锤子他不过是将将及格而已,还干出过画错线、装反锯条、钻头下压过猛拔不出来等一系列让老师啼笑皆非的事情,于是乎动手能力超强的几位电气口其他元老就无辜的被轮流“抓壮丁”了。

机械口的元老们就更加无人幸免了,由于第一台“自主研制”的发电机意义重大,所有的机械加工都由元老亲自负责,没有归化民参加。

定子用冲片叠压而成,冲片形状引起了机械口元老的疑问,冲片上除了48各槽外,还有不完全对称的燕尾槽和孔,而且冲片也有两种不同的形状,需要单独开模具。面对疑问,电气口的元老们也只好耐心的解释。冲片上的孔是为了穿入螺栓后用螺母将定子铁芯压紧防止胀开。定子铁芯常用的压紧方式有三种,螺纹、焊接和扣片,本时空焊接被首先排除,而对于较长的铁芯,临高目前生产的钢材强度做扣片强度可能不足,所以最后选择了用螺栓螺母压紧的方法。冲片上的燕尾槽是为了和机壳相配合,保证可靠连接,而燕尾槽之所以不完全对称,是保证叠片时所有冲片都按照同一方向叠片,由于冲片上的毛刺集中在冲压的一侧,叠片时按照同一方向可以减少毛刺的影响。而冲片之所以有两种形状,是为了构成电机内部风道,提高散热效果。为了完成叠片,机械的元老们还制作了铁质的模具,然后小心翼翼的一片一片的将冲片放下去,所有冲片叠完后用压力机压紧,然后穿上螺栓,用螺母固定,这样就完成了定子铁芯。

转轴和转子铁芯则用整块的钢材用车床和车外圆后铣床铣出转子槽。在旧时空,整圆转子使用高强度的合金钢制作的,但本时空还没有冶炼特殊合金钢的能力,只能用普通钢代替了,索性由于转速不算高,转子表面线速度还远低于许用强度。当然,一切只是说着简单罢了,实际上,这个大家伙是水平最高的展元老用大口径机床一点点的加工出来的,为了保证一次成功,每次进给量不大,用了半个月的时间才加工完成。

电机的基座和端盖都是采用先铸后车的方法加工完成的。在机械加工的同时,另一组人也在紧张忙碌着,他们在蓖麻油中掺入不同量的石英砂浸泡细棉布,反复测试不同配比和浸渍时间的棉布的介电强度,在机械加工完成的同时,也最终确定了棉布绝缘层的处理工艺。之后,所有人一起动手,给定转子要用的上千米的粗铜线表面包上浸油的棉布。包好棉布的铜线又在木质的绕线模上一圈一圈缠成绕组。

所有这些完成后,下一道工序就是最复杂最精细的嵌线了。这一道工序在旧时空都是由最有经验的工人完成的,在三大电机厂里都是绝对保密的,甚至赵荣寿自己都没有亲眼见过,其他几位元老虽然有手工嵌线的经验,但这么长的线圈却也是第一回。

在记忆里,小的散绕绕组是工人用钎子和小锤子一点点敲进槽内和整形的,但旧时空电机早已经是真空绝缘浸渍了,是嵌线后整个定子浸泡在绝缘溶液里,生成的绝缘层十分均匀。穿越时倒确实带了一台绝缘浸渍机,但型号不够大,更何况现在也没有氮气保护,也没有石油基溶剂,基本就是个摆设,主要是为了若干年后仿制的。嵌线难倒了一众元老,最后还是法元老自告奋勇的尝试,极其谨慎的一根一根将裹好棉布的铜线依次下进槽内。线圈是多根并绕的,每个又有十几匝,所以每一个线圈需要放进槽里的铜线足有60多根。定转子一共60多个槽,嵌线这一工序又是耗费了一周的时间。索性槽满率设计不高,旧时空电机槽满率一般都在70%左右,外国高水平电机甚至可以超过80%,而当下电机设计槽满率不过60%,也算是一种先见之明。

最终,经过了大半年的时间,发电机、励磁机、变压器全部加工完成,所有部件运到了发电厂房等待最后的装配。励磁机选择是并励,已经预先通过电保证磁路中有剩磁。整个发电机系统从前到后依次为蒸汽机、励磁机、发电机。装配中最难的是使三者轴的中心对齐,俗称“对心”。旧时空大电机对心是有专门的精密仪器仪表的,不过,有经验的老师傅只靠经验也可以对的很好:在两侧联轴节上各绑上一根铁丝,铁丝前部销尖,选择轴,通过铁丝之间的相对位置的变化就可以确定偏差的大小和方向。不过这种原始的方法对大电机却是不行,因为人力不足以转动成吨重的大家伙,所以赵荣寿虽然对旧时空老师傅的手艺充满了尊敬、羡慕与怀念,还是不得不从库房申请了水平仪、千分表等一大堆管控使用的仪器仪表。众位元老又折腾了一整天,从天蒙蒙亮一直干到发黑,才算是都对好,外围围观执委和元老只好悻悻而归了-----他们本来是准备参加剪彩仪式的,现在只能推迟到明天了。本来电气口的元老们还打算多推迟几天,好将系统并网调试一下,不过并网和切除着实复杂,以本时空电力系统的强壮程度,还不能保证100%不出问题。

第二日一早,在剪彩过后,电气口的元老又忙碌开了。同步发电机并网有三个条件:相序一致、频率一致且激磁电势和电网电压大小相等,相位相同。发电机与电网同步的调整过程称为整步,有自整步法和精确整步法。自整步发在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻短接;用原动机把发电机拖动到接近同步速 在没有接通励磁电流的情况下将发电机接入电网; 再接通励磁并调节励磁强弱,依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速。自整步法操作简单,方便快捷;但合闸时有冲击电流,因而被否决了最后采用的是精确整步法。为此还特意申请了三只灯泡。将三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间,通过调节发电机励磁电流的大小使得电压相等;电压调整好后,如果相序一致,灯光应表现为明暗交替,如果灯光不是明暗交替,则说明相序不一致,这时应调整发电机的出线相序或电网的引线相序,严格保证相序一致;通过调节发电机的转速改变的频率,直到灯光明暗交替十分缓慢时,说明和的频率已十分接近,这时等待灯光完全变暗的瞬间到来,即可合闸。几位电气元老知道原理,但毕竟没有人实际做过,只能慢慢调整了。耐心的调整了几个小时后,三只灯泡一点点暗了下去,最后,终于同时熄灭了。

几位元老通过抓阄的方式决定推闸人选,穿越众自主研发的第一套发电机组成功投入运行,赵荣寿此时却在一边抑郁:“为什么换了一个时空,好事还是轮不到我呢?”


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