Экскурсия по музею. КТГ-300. История заблуждения

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

8

8

8

8

8

8

путешествие в прошлое

Уважаемые

коллеги

!

Редакция

журнала

продолжает

цикл

статей

, 

посвященных

Открытым

фондам

Политехнического

музея

. 

Данные

статьи

представляют

результаты

исследовательской

работы

, 

выполняемой

студентами

Национального

исследовательского

университета

 «

МЭИ

».

ÊÒÃ-300. Èñòîðèÿ çàáëóæäåíèÿ

Экскурсия по музею

Возрастающие

потребности

в

электроэнергии

требуют

посто

-

янной

модернизации

электротех

-

нического

оборудования

. 

Одним

из

основополагающих

векторов

развития

электротехники

является

повышение

единичной

мощности

источников

 — 

рост

мощности

каж

-

дого

отдельного

генератора

. 

Повы

-

шение

единичной

мощности

воз

-

можно

двумя

путями

: 

увеличением

линейных

размеров

генератора

и

совершенствованием

систем

ох

-

лаждения

. 

Увеличение

линейных

размеров

часто

сопряжено

с

труд

-

ностями

из

-

за

ограничений

по

прочности

материалов

 — 

диаметр

бочки

ротора

современных

гене

-

раторов

не

превышает

 1250 

мм

. 

Поэтому

рост

единичной

мощности

достигается

именно

за

счет

увеличения

эффективности

систем

охлаждения

.

Самойлов

А

.

А

., 

студент 4 курса кафедры ЭЭС Института электроэнергетики НИУ «МЭИ»

Р

азвитие систем теплоотвода берет начало 

с использования самых доступных охлаж-

дающих  агентов:  воздуха,  воды  и  масла. 

Несмотря  на  некоторую  примитивность, 

эти системы охлаждения остаются самыми исполь-

зуемыми и сейчас. Однако прогресс не стоит на ме-

сте — в середине прошлого века в качестве охлаж-

дающих  сред  начинают  использовать  водород, 

гелий  и  некоторые  другие  газы.  Эти  мероприятия 

позволили сократить линейные размеры установки 

и расход материалов (по сравнению с генератора-

ми той же мощности, но с другой системой охлажде-

ния). Со временем процессы проектирования, про-

изводства и обслуживания несколько усложнились, 

а производство стало более наукоемким [1].

Именно  совершенствованию  систем  охлаж-

дения обязан своим появлением КТГ-300. Совет-

ские  ученые  решили  доводить  активные  части 

генераторов  до  низких  температур,  в  том 

числе  до  температур,  обеспечивающих 

сверхпроводящее состояние. Это открыло 

три основных направления:

1)  охлаждение турбогенераторов фреоном 

(фреотурбогенераторы);

2)  охлаждение  циркулирующим  сжижен-

ным газом (криотурбогенераторы);

3)  использование сверхпроводимости с при-

менением жидкого гелия (турбогенерато-

ры со сверхпроводниками).

Аббревиатура  КТГ-300  означает:  крио-

турбогенератор  мощностью  300  МВт  (ри-

сунок  1).  Здесь  наблюдается  несосты-

ковка  —  точно  известно,  что  в  качестве 

охлаждающей  среды  в  КТГ-300  использо-

вался гелий, который поддерживал обмотку 

ротора в сверхпроводящем состоянии. По-

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

9

9

9

9

9

этому  по  вышеуказанной  стандартной  классифика-

ции он должен называться СП-ТГ-300 [2]. 

В строении сверхпроводниковых силовых машин 

советские  ученые  видели  огромный  экономический 

эффект. КТГ-300 обещал обеспечивать более высо-

кий КПД, меньшую примерно на 60% массу и в 2 раза 

меньшие линейные размеры (по сравнению с генера-

торами  традиционной  конструкции).  Программы  по 

созданию силовых машин с использованием сверх-

проводимости  велись  и  в  других  странах  —  США, 

ФРГ, Японии, Швейцарии и Франции. Создание КТГ-

300 планировалось завершить в 1985 году [3].

Разработка и производство КТГ-300 (рисунок 2) 

велись  на  заводе  «Электросила»  —  предприятии 

с  богатейшей  историей.  Датой  основания  завода 

считают 3 апреля 1898 года, когда он вошел в со-

став акционерного общества русских электротехни-

ческих  заводов  «Сименс-Гальске».  Рабочие  пред-

приятия  активно  участвовали  во  многих  великих 

событиях истории России XX века — революциях, 

мировых  войнах  и  индустриализации.  Интересно, 

что даже во время блокады Ленинграда в годы Ве-

ликой Отечественной войны завод продолжал вы-

пуск продукции для нужд фронта и тыла. Работни-

ки завода в то время ставили на продукции метку 

«Сделано в блокадном Ленинграде» [4]. 

Для  разработки  наукоемких  и  эксперименталь-

ных установок на территории Электросилы был ос-

нован  специальный  цех  (работники  называют  его 

«криоцех»),  в  котором  рассчитывались,  произво-

дились и испытывались экспериментальные низко-

температурные машины.

Учитывая  статус  завода  «Электросила»  (сей-

час  —  ПАО  «Силовые  Машины»),  который  обла-

дает  некоторым  уровнем  секретности,  на  данный 

момент  не  представляется  возможным  выяснить 

схему конструкции и точные технические характе-

ристики  КТГ-300.  Примем,  что  за  основу  КТГ-300 

была взята конструкция предшествующего генера-

тора — КТГ-20.

Ротор  генератора  представ-

ляет собой экранированный в те-

пловом  и  электромагнитном  от-

ношении  вращающийся  криостат 

(сосуд  Дьюара)  с  заключенной 

в нем сверхпроводящей обмоткой 

возбуждения. Обмотка возбужде-

ния выполнена из ниобий-титана 

(Nb-Ti).

На  момент  создания  КТГ-300 

Nb-Ti  являлся  самым  технически 

совершенным  сверхпроводником, 

который  переходил  в  сверхпрово-

дящее состояние при температуре 

ниже 9,2 К. Этот «холодный» сверх-

проводник второго рода характери-

зовался высокими значениями кри-

тического  поля  (магнитного  поля, 

при  котором  разрушается  сверх-

проводящее  состо яние).  Впервые 

он  был  синтезирован  в  1962  году 

в  Atomics  In ter national,  США.  Нио-

бий-титан  используется  по  сей 

день для создания сверхпроводни-

ковых магнитов.

Рис

. 1. 

Общая

конструктивная

схема

криотурбогенератора

: 1 — 

ротор

; 2 — 

статор

; 3 — 

кожух

; 4 — 

уплотнение

; 

5 — 

подшипник

; 6 — 

щеточный

аппарат

; 7 — 

устройство

подачи

гелия

Рис

. 2. 

Макет

КТГ

-300 

из

московского

Политехнического

музея

№

 2 (59) 2020

120

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

0

0

0

0

0

0

0

0

ПУТЕШЕСТВИЕ

В ПРОШЛОЕ

Основными узлами ротора являются:

– каркас с обмоткой возбуждения;

– бандажный  цилиндр  обмотки,  выполненный 

заодно с тепловыми мостами;

– тепловой  экран  из  бронзы,  посаженный  на 

тепловые мосты;

– несущая оболочка с демпферной обмоткой в ка-

честве электрического экрана;

– хвостовины  с  фланцами,  токоввод  и  гелиевая 

магистраль.

Ротор  вращается  в  пространстве,  образованном 

внутренней  стенкой  цилиндра  из  стеклопластика 

(выгородки) и торцевыми щитами. Охлаждение про-

странства — воздушное, воздух прогоняется с помо-

щью аксиального вентилятора на валу ротора.

Обмотка возбуждения выполнена из плоских ка-

тушек,  соединенных  последовательно.  Катушки  ро-

тора  размещаются  на  основаниях  между  щеками 

и  удерживаются  магнитными  клиньями,  намотаны 

прямоугольным проводом, состоящим из жил Nb-Ti, 

заключенных в медную матрицу.

Криостатирование обмотки возбуждения осущест-

вляется  жидким  гелием  при  температуре  кипения 

(4,2  К).  Теплоизоляцией  низкотемпературной  зоны 

являются два слоя вакуумной изоляции: один слой 

расположен между бандажным цилиндром обмотки 

возбуждения и тепловым экраном, второй между те-

пловым экраном и несущей оболочкой. Степень раз-

ряжения составляет 10–5 мм рт. ст. 

Бандажный  цилиндр  обмотки  возбуждения  из-

готавливался  из  немагнитной  стали  и  воспринимал 

центробежные  и  электромагнитные  усилия.  Тепло-

вой  экран  из  бронзы  посажен  на  тепловые  мосты 

бандажного  цилиндра  и  расположен  симметрично 

по отношению к обмотке ротора. Силовой несущей 

оболочкой ротора является наружный цилиндр из ти-

танового сплава. В цилиндре выфрезерованы пазы, 

в которые укладываются медные полосы демпфер-

ной обмотки, удерживаемые клиньями из бронзы. 

Токоввод  обмотки  возбуждения  состоит  из  двух 

отдельных токопроводов, выполненных из плетеного 

круглого медного стержня и охлаждаемый парами ге-

Рис

. 3. 

Макет

КТГ

-300-2 

в

музее

ПАО

 «

Силовые

Машины

»

лия. Гелиевая магистраль смонтирована в централь-

ном аксиальном канале ротора со стороны возбуж-

дения и заканчивается узлом ввода гелия в обмотку 

возбуждения.

Охлаждение ротора осуществляется по замкнуто-

му  циклу  при  непрерывной  принудительной  подаче 

гелия в ротор с возвратом газа в холодильную уста-

новку. Жидкий гелий через узел подачи поступает на 

периферию бандажа ротора, проходит через каналы 

в элементах крепления обмотки ротора. Пары гелия 

в центральной части ротора делятся на два потока, 

охлаждающих тепловые мосты ротора. Третий поток 

газообразного  гелия  используется  для  охлаждения 

токовводов.

Статор  КТГ  выполнен  беззубцовым  с  шихтован-

ным  ферромагнитным  экраном,  имеет  непосред-

ственное  фреоновое  охлаждение.  Фреонозапол-

ненный объем статора ограничен корпусом, щитами 

и выгородкой из стеклопластика. В стержнях обмотки 

и ферромагнитном экране имеются каналы для цир-

куляции хладагента. 

Отличие  КТГ-300  от  КТГ-20  заключалось  в  при-

менении  конструкции  катушек  ротора  —  они  нахо-

дились в напряженном состоянии с целью повыше-

ния критического тока ротора. Демпферная обмотка 

имела короткозамыкающие кольца. Учитывая общее 

увеличение  мощности,  все  элементы  конструкции 

и соединения были укреплены [5].

На данный проект было выделено около 20 мил-

лионов советских рублей, порядка двух третей дан-

ной суммы было потрачено на новое оборудование 

и развитие производства, необходимое для испыта-

ний и строительства КТГ. Данный проект не был до-

веден до рабочего состояния. Известно, что после-

дующая модификация КТГ-300 (рисунок 3) не могла 

выдавать  электроэнергию  из-за  недостаточной  те-

плоизоляции жидкого гелия на пути от захолаживаю-

щей установки до обмотки ротора. Как следствие, ро-

тор  терял  сверхпроводящее  состояние.  На  данный 

момент использование сверхпроводимости в маши-

нах подобной мощности недоступно по технологиче-

ским причинам. 

121

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

1

ЛИТЕРАТУРА

1.  Опыт ленинградского производственного электромаши-

ностроительного  объединения  «Электросила»  по  про-

ектированию,  расчетам,  исследованиям  и  технологии 

производства  электрических  машин  и  низковольтной 

аппаратуры  /  Сб.  «Электросила»,  №  33.  Ленинград: 

Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981. 160 с.

2.  Опыт  ленинградского  производственного  электрома-

шиностроительного  объединения  «Электросила»  по 

проектированию, расчетам, исследованиям и техноло-

гии  производства  электрических  машин  и  низковольт-

ной аппаратуры / Сб. «Электросила», № 27. Ленинград: 

Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1968. 301 с. 

3.  Лабунец Н.А., Лохматов А.П. Итоги науки и техники. Се-

рия: Электрические машины и трансформаторы. Том 4: 

Сверхпроводниковые  трубогенераторы.  Москва:  Все-

союз. Ин-т науч. и техн. информ., 1984. 129 с.

4.  Струженцов Д.И. «Электросила»: 1898 – 1998 гг. СПб.: 

Историческая иллюстрация, 1998. 208 с. 

5.  Глебов И.А., Данилевич Я.Б., Шахтарин В.Н. Турбогене-

раторы с использованием сверхпроводимости. Ленин-

град: Наука, Ленинградское отделение, 1981. 231 с.

Рис

. 4. 

Макет

ТОКАМАКа

из

музея

ПАО

 «

Силовые

Машины

»

Свою историческую функцию КТГ выпол-

нил — научные открытия и технические но-

винки,  разработанные  при  проектировании 

и  строительстве  КТГ,  стали  толчком  к  раз-

витию  более  совершенных  установок  —

ТОКАМАКов (ТОроидальная КАмера с МАг-

нитными  Катушками),  используемых  для 

термоядерного синтеза (рисунок 4). 

Дальнейшее развитие сверхпроводящей 

техники идет по пути создания и использо-

вания  «теплых»  сверхпроводников,  обе-

спечивающих  сверхпроводящее  состояние 

при  достаточно  высоких    температурах. 

В  слаботочных  установках  уже  сейчас  ис-

пользуются  сверхпроводники,  работающие 

при  комнатной  температуре.  Можно  стро-

ить оптимистичные прогнозы о разработках 

технологий,  которые  позволят  использо-

вать «теплые» сверхпроводники в машинах 

большой  мощности,  что  позволит  возобно-

вить работы по созданию мощных сверхпро-

водящих генераторов. 

Экскурсия

международной

студенческой

делегации

на

заводе

ПАО

 «

Силовые

Машины

». 

От

НИУ

 «

МЭИ

» — 

автор

статьи

№

 2 (59) 2020