Моделирование тепловых процессов в крайнем пакете статора генератора
Изучение особенностей математической модели для исследования теплообменных процессов в торцевой зоне сердечника статора турбогенератора. Обоснование технических решений, направленных на снижение тангенциальной неравномерности нагрева крайних пакетов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.02.2021 |
| Размер файла | 6,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В КРАЙНЕМ ПАКЕТЕ СТАТОРА ГЕНЕРАТОРА
Васько Петр Федосеевич, доктор технических наук,
заведующий отделом, Институт возобновляемой
энергетики НАН Украины
SIMULATION OF HEAT PROCESSES IN STATOR END PACKET OF A GENERATOR
Vasko P.F., Doctor of sciences (engineering),
manager of department, Renewable Energy Institute of NAS of Ukraine
Summary
The purpose of work is the creation a mathematical model and studies the heat transfer processes in stator core end zone of a turbogenerator, as well as a scientific substantiation of technical solutions for decrease the tangential unevenness of end packets heat. Found that the teeth at phase zone junction of the stator winding lower layer are the most heating. Their temperature exceeds the limit permissible value (120 °C) under rated load condition of a turbogenerator and negatively affects the state of winding main insulation and reduces the reliability of machine on the whole. With help a mathematical simulation the efficiency of technical solutions for decrease the tangential unevenness of end packets heat and their complex (simultaneous) use, is shown. The complex approach allows reducing the maximum temperature of stator core end packets teeth by 24% and eliminating the unevenness of their heating.
Keywords: turbogenerator, mathematical model, stator core end packet, tangential unevenness, losses, temperature, cooling.
Аннотация
турбогенератор сердечник процесс теплообменный
Целью работы является создание математической модели и проведение исследований теплообменных процессов в торцевой зоне сердечника статора турбогенератора, а также научное обоснование технических решений, направленных на снижение тангенциальной неравномерности нагрева крайних пакетов. Установлено, что зубцы на стыке фазной зоны нижнего слоя обмотки статора имеют наибольший нагрев. Для номинального режима работы турбогенератора их температура превышает предельно допустимое значение (120 °С), что негативно влияет на состояние основной изоляции обмотки и снижает надежность машины в целом. С помощью математического моделирования показана эффективность технических решений по снижению тангенциальной неравномерности нагрева крайних пакетов, а также комплексного (одновременного) их использования. Комплексный подход позволяет на 24 % снизить максимальную температуру зубцов крайних пакетов сердечника статора и устранить неравномерность их нагрева.
Ключевые слова: турбогенератор, математическая модель, крайний пакет сердечника статора, тангенциальная неравномерность, потери, температура, охлаждение.
Постановка проблемы. С помощью экспериментальных и теоретических исследований [1 - 4] недоказано, что при эксплуатации мощных турбогенераторов, особенно в режиме потребления реактивной мощности, имеет место тангенциальная равномерность нагрева крайних пакетов сердечника статора. При этом температура отдельных зубцов может отличаться по окружности в 1,8 - 2,0 раза.
Прежде всего, это касается зубцов межфазных зон, прилегающие пазы которых содержат стержни разных фаз обмотки статора. К тому же, установлено, что уровень нагрева зубцов межфазной зоны зависит от места расположения стержней разных фаз. Максимальный нагрев наблюдается в зубцах, в соседних пазах которых размещаются стержни разных фаз нижнего слоя обмотки статора. Уровень температуры может превышать допустимые для железа статора значения (120 °С), что в эксплуатации негативно влияет на надежность обмотки и турбогенератора в целом. Поэтому обоснование технических решений, направленных на снижение нагрева зубцов на стыках фазных зон обмотки статора и его неравномерности по окружности крайнего пакета сердечника статора турбогенератора, является актуальной задачей.
Цель работы. Создание математической модели теплообменных процессов в крайнем пакете сердечника статора для проведения вариационных расчетов нагрева отдельных зон пакета при разных нагрузках и условиях охлаждения.
Изложение основного материала. С помощью математической модели выполнен оценочный тепловой расчёт, который, с одной стороны, не требует большого объёма трудовых затрат, а с другой - может представить информацию касательно теплового состояния отдельных элементов и узлов объекта исследования. Использования приближённых методов расчёта допустимо для типовых конструкций турбогенераторов [5]. При этом общепринятое отдельное рассмотрение теплового состояния статора и ротора, поскольку их взаимное влияние друг на друга в этом отношении незначительно [6 - 8].
При создании математической модели приняты допущения, которые упрощают расчеты и вместе с тем не влияют на достоверность модели реальным физическим процессам:
- с учетом транспозиции элементарных проводников стержня, принято, что тепловыделения в меди распределены равномерно;
- тепловые потери в стали сердечника статора в радиальном направлении заданы согласно результатам экспериментальных исследований для турбогенератора аналогичной мощности [8];
- элементы расчетной области рассматриваются как однородные анизотропные тела с усредненными теплофизическими параметрами материалов по соответствующему направлению в пределах элементарных расчетных объемов [6];
- поверхности расчётной области являются гладкими, скорость охлаждающего потока для поверхностей принята постоянной [6]
- коэффициенты теплоотдачи охлаждающих поверхностей определяются в соответствии с известными зависимостями [6, 9] и экспериментальными данными [8];
- зависимость теплофизических параметров (теплопроводности, плотности, теплоемкости) материалов обмотки и сердечника статора от температуры не учитывается;
- при выборе расчетной области учитываются симметрия и периодическая повторяемость элементов конструкции обмотки и сердечника статора, условия охлаждения и тепловыделения по окружности статора [7];
- потери в меди стержня и в стали сердечника статора, а также теплофизические параметры (теплопроводность, плотность и теплоемкость) задаются для ожидаемой расчетной температуры.
С учетом изложенных допущений, конструктивных особенностей и существующей схемы циркуляции хладагента рассматривается полевая задача общего расчета трёхмерного температурного поля для сектора крайнего пакета сердечника и обмотки статора. Для возможности сопоставления уровня нагрева зубцов межфазной зоны, прилегающие пазы которых содержат стержни разных фаз нижнего слоя обмотки статора, с нагревом зубцов со стержнями одной фазы в соседних пазах, расчетная схема охватывает три зубцовых (пазовых) деления статора (рис. 1). Для пазовой части обмотки математически корректно описана тепловая связь с сердечником (сталью) статора. Аналогично описана тепловая связь соответствующих поверхностей пакета и охлаждающих трубок стержня с хладагентом (водородом).
Рис. 1
Температурное поле описывается дифференциальным уравнением теплопроводности
где Т - температура в расчетной области;
с, р, X - удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности материала расчетной области, соответственно;
qV - удельные тепловые потери в расчетной области; I - соответствующая пространственная координата.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 2
На внешних границах каждой подобласти установлены следующие граничные условия: - для каналов охлаждающих трубок стержней обмотки
где лн.ст - коэффициент теплопроводности нержавеющей стали трубок;
*,- - коэффициент теплоотдачи от стенок охлаждающих трубок к водороду;
- для пакета сердечника статора
(3)
где Хст - коэффициент теплопроводности стали пакета;
* - коэффициент теплоотдачи к водороду соответствующей поверхности теплообмена;
- на границе контактных поверхностей элементов расчетной области задается равенство тепловых потоков
где Лк = Хк^к - эквивалентная теплопроводность, - площадь контакта.
Рис. 3
Задача является нелинейной, ее решение осуществляется численным методом в трёхмерной (пространственной) постановке с помощью программного обеспечения Comsol Multiphusics [10]. На рис. 2 показана сетка конечных элементов расчётной области крайнего пакета сердечника статора турбогенератора.
Теплофизические параметры основных конструктивных материалов элементов сердечника и обмотки статора, используемые в расчетной модели, сведены в таблице 1.
Таблица 1
|
Наименование материала |
Расчетное значение коэффициента теплопроводности, Вт/(м-К) |
|
|
Медь проводников стержня |
400 |
|
|
Главная изоляция стержня (класс В) |
0,185 |
|
|
Сталь пакета |
||
|
- вдоль листов |
20 |
|
|
- поперек листов |
2,4 |
|
|
Стеклотекстолит прокладок между стержнями |
0,34 |
|
|
Изоляция элементарных проводников |
0,22 |
|
|
Изоляция охлаждающей трубки |
0,2 |
|
|
Нержавеющая сталь охлаждающей трубки |
17 |
|
|
Эпоксидная мастика |
0,59 |
Тонкослойные структуры, такие как изоляция элементарного проводника (0,17 мм на сторону) и изоляция охлаждающей трубки стержня (0,2 мм на сторону), учтены путем использования эквивалентного коэффициента теплоотдачи - отношения теплопроводности соответствующей изоляции к ее толщине (аэкв = Х/5/' ).
Распределение и уровень потерь по пакету заданы согласно результатам экспериментальных исследований на действующем турбогенераторе аналогичного типа и мощности. Тепловые потери в зубце межфазной зоны определены с учетом данных экспериментальных исследований на масштабной физической модели концевой зоны аналогичного турбогенератора [8]. В частности, было установлено, что тепловые потери в зубцах, прилегающие пазы которых содержат стержни разных фаз нижнего слоя обмотки статора, в 1,795 раз превышают тепловые потери в зубцах, в соседних пазах которых расположены стержни лишь одной фазы.
Соответствие математической модели реальному протеканию теплообменных процессов проверено путем сопоставления расчётного распределения температурного поля с результатами экспериментальных исследований для зубца вне межфазной зоны, прилегающие пазы которых содержат стержни одной фазы [8], и получены для турбогенератора аналогичного типа и мощности в номинальном режиме работы. Результаты расчетных и экспериментальных исследований приведены на рис. 3. Согласно с этими результатам, расхождение температуры отдельных зон составляет не больше 3 °С, что для тепловых расчетов считается приемлемым.
Рис. 4
На рис. 4 приведено полученное с помощью математического моделирования распределение температуры в крайнем пакете сердечника статора при номинальной нагрузке турбогенератора ТГВ- 200 для зубца межфазной зоны и зубца вне ее (температура охлаждающего водорода принята 40 °С). Для наглядности на этом же рисунке представлены значения температуры на поверхности крайнего пакета, которые позволяют сделать вывод о том, что максимальная температура стали пакета в межфазной зоне при номинальной нагрузке турбогенератора превышает допустимый уровень (120 °С согласно ГОСТ 533-2000) и находится у основания зубца на середине толщины пакета. При эксплуатации турбогенератора в режимах потребления реактивной мощности уровень температуры будет еще больше [8], что негативно скажется на состояние основной изоляции обмотки и снизит надежность электрической машины в целом.
Рис. 5
Рис. 6
Основным методом снижения тангенциальной неравномерности и уровня нагрева крайнего пакета сердечника статора турбогенератора является, прежде всего, интенсификация отвода тепловых потерь к охлаждающему водороду. Как показывают предварительные оценки [8], наибольшая часть тепловых потерь отводится с торцевых поверхностей пакета в радиальный вентиляционный канал между первым и вторым пакетами, а также в вентиляционный канал между нажимной плитой и крайним пакетом (общий объём составляет почти 95 %). В связи с этим одним из эффективных способов уменьшения тангенциальной неравномерности нагрева крайнего пакета сердечника статора является перераспределение потока охлаждающего водорода между нажимной плитой и этим пакетом с одновременным увеличением объема хладагента направляемого на охлаждение именно межфазных зон путем увеличения соответствующих отверстий в газораспределительном цилиндре. Как результат, поток водорода в межфазной зоне (и коэффициент теплоотдачи, соответственно) может быть увеличен в 1,5-2 раза без значительного ухудшения охлаждения других элементов и узлов торцевой зоны статора турбогенератора.
В данной работе исследовано повышение теплоотдачи для торцевой поверхности зубца межфазной зоны в вентиляционном канале между нажимной плитой и пакетом в 1,5 раза. В соответствии с полученными результатами математического моделирования, представленными на рис. 5, даже за счет такой интенсификации охлаждения межфазной зоны максимальные температуры пакета могут быть снижены до 109 °С (на 11,4 %).
Также известен способ уменьшения нагрева крайнего пакета сердечника статора путём повышение тепловой проводимости шихтованного пакета поперёк листов. Одной из технологий, которая позволяет увеличить поперечную тепловодность, является склеивание листов пакета, например, с помощью эпоксидного клея ЭК-3. С одной стороны, это повышает механическую жёсткость пакета, особенно устойчивость его листов на деформацию (изгиб) в режимах переменной нагрузки и потребления реактивной мощности турбогенератора. С другой стороны, как свидетельствуют исследования, - теплопроводность клееного пакета составляет в среднем 3,4 Вт/(м-К), что почти вдвое превышает её значение при отсутствии склеивания (1,9 Вт/(м-К)). Добавление же в клей дисперсных изоляционных наполнителей с высокой теплопроводностью (> 5-10 Вт/(м-К)) позволяет получить эквивалентную теплопроводность пакета до 5-6 Вт/(м-К).
На рис. 6 приведены результаты математического моделирования нагрева крайнего пакета при его поперечной теплопроводности 3,4 Вт/(м-К), из которых можно заключить, что максимальная температура стали зубцов составляет 118 °С (снижение на 4 %).
На рис. 7 показаны результаты моделирования для одновременного применения интенсификации охлаждения межфазной зоны и повышения поперечной теплопроводности стали. Согласно этим результатам, такой подход позволяет снизить максимальный нагрев зубца до 103 °С (на 16,3%).
Рис. 7
В более новых модификациях турбогенератора типа ТГВ-200 (после 1968 г.) с целью снижения тепловых потерь от аксиального магнитного поля в зубцах крайних пакетов сердечника статора на глубину до дна паза выполняются продольные рассечки (шлицы). Для обеспечения механической жёсткости пакетов шлицы заполняются эпоксидной смолой с добавками (замоноличенными). Таким образом, участия в отведении тепловых потерь шлицы не принимают (без учёта уменьшения потерь на вихревые токи в зубцах от аксиальных потоков рассеяния обмоток статора и ротора).
Размоноличивание рассечек в межфазной зоне и обеспечение циркуляции в них хладагента позволит существенно повысить отвод тепловых потерь.
На рис. 8 показано полученное с помощью математической модели распределение температуры на поверхности крайнего пакета при коэффициенте теплоотдачи в рассечках 100 Вт/(м2-К). Температура при этом может быть снижена до 106 °С (на 13,8 %).
Из рис.9 можно сделать вывод, что одновременное (комплексное) применение описанных выше решений позволит снизить максимальную температуру до 94,6 °С (на 23,8 %). При этом максимум нагрева расположен в глубине зубца вне межфазной зоны, а температура зубцов межфазной зоны имеет такой же уровень (максимальное значение 89,6 °С), как и в остальных по окружности крайнего пакета.
Рис. 8
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 9
Таким образом, комплексное применение вышеописанных технических решений позволяет получить практически одинаковый уровень нагрева зубцов крайнего пакета сердечника статора в тангенциальном направлении при номинальной нагрузке турбогенератора, независимо от их расположения относительно обмотки статора. В целом, турбогенератор будет иметь запас по температуре стали сердечника статора 25,4 °С, что способствует повышению его надежности и нагрузочной способности при эксплуатации.
Выводы
1. Нагрев зубцов межфазной зоны крайнего пакета сердечника статора, в соседних пазах которых размещены стержни разных фаз нижнего слоя обмотки статора, для номинального режима работы мощного турбогенератора достигает 120 ° С. При эксплуатации машины в режимах с потреблением реактивной мощности температура этих зубцов будет превышать допустимое в соответствии с ГОСТ 533-2000 (МЭК 34-3-88) значение, что негативно скажется на состоянии основной изоляции обмотки и снизит надежность турбогенератора, в целом.
2. Эффективными методами улучшения отвода тепловых потерь от торцевого пакета турбогенератора ТГВ-200 являются:
- внедрение вентиляции шлицов зубцов межфазных зон;
- интенсификация охлаждения межфазной зоны путем перераспределения потока водорода между нажимной плитой и крайним пакетом;
- повышение поперечной теплопроводности стали пакета за счет применения технологии склеивания листов железа.
Комплексное применение таких мероприятий позволит на 24 % снизить максимальную температуру стали, устранить тангенциальную неравномерность нагрева крайних пакетов сердечника статора, повысить надежность и нагрузочную способность турбогенератора, а также расширить диапазон его регулирования в режиме потребления реактивной мощности.
Список литературы
1. Костяев, Б. В. О нагреве крайних пакетов сердечника статора крупных турбогенераторов при недовозбуждении / Б. В. Костяев, А. В. Пташкин // Электрические станции. 1979. № 5. С. 40-44.
2. Данилевич, Я. Б. Магнитное поле в торцевой зоне сердечника статора электрической машины переменного поля с учетом влияния пазового рассеяния / Я. Б. Данилевич, Р. М. Пипко // Электротехника. 1982. № 9. С. 36-39.
3. Смородин, В. И. Некоторые особенности электромагнитных процессов на торце статора турбогенератора / В. И. Смородин, А. С. Карацуба, Л. Н. Руденко Л.Н. [и др.] // Техническая электродинамика. 1983. № 3. С. 65-72.
4. Электромагнитное экранирование незамкнутыми структурами в электрических машинах / А. И. Титко. Киев: Наук. думка, 1994. 304 с.
5. Турбогенераторы. Расчет и конструкция / В. В. Титов [и др.]. Л.: Энергия, 1967. 896 с.
6. 3D loss and heat analysis at the end region of 4- poles 1150 MW nuclear power turbine generator / G. Zhou [et al.] // Archives of electrical engineering. 2014, Vol. 63 (1). P. 47-61.
7. Study of Three-Dimensional Temperature Field with Changed Structures of Air-Cooled Turbo Generator Stator / Y. Liu [et al.] // International Journal of Control and Automation. 2015, Vol. 8. № 5. P. 37-42.
8. Счастливый, Г. Г. Турбо- и гидрогенераторы при переменных графиках нагрузки / Г. Г. Счастливый, Г. М. Федоренко, В. И. Выговский. Киев: Наук. думка, 1985. 208 с.
9. Борисенко, А. И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах / А. И. Борисенко, В. Г. Данько, А. И. Яковлев. Москва: Энергия, 1974. 560 с.
10. Comsol Multiphysics Modeling and Simulation Software [Electronic Resource]. Mode of access: http://www.comsol.com/.
11. Электрические машины с жидкостным охлаждением / Г. Г. Счастливый [и др.]. Киев: Наукова думка, 1989. 288 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Проектирование турбогенератора с косвенной водородной системой охлаждения, включающее создание обмоток статора и ротора и с непосредственным водородным охлаждением сердечника статора. Расчет намагничивающей силы и тока обмотки возбуждения при нагрузке.
курсовая работа [581,1 K], добавлен 12.01.2011Испытание изоляции обмотки статора генератора повышенным выпрямленным напряжением. Определение работоспособности промежуточного реле с катушкой из медного провода, выбор реле. Расчет намагничивающей и контрольной обмоток для испытания стали статора.
курсовая работа [342,2 K], добавлен 30.11.2012Выбор обмоточных данных и тепловой и механический расчёт статора и ротора. Определение электромагнитных нагрузок, характеристик холостого хода, тока возбуждения в номинальном режиме, потерь и к.п.д., нажимного кольца, пальцев и стяжных рёбер статора.
курсовая работа [300,9 K], добавлен 24.12.2012Составление программы испытаний электрического турбогенератора и определение работоспособности промежуточного реле. Расчет начальной температуры обмотки статора и вычисление параметров намагничивающей и контрольной обмоток для испытания стали статора.
курсовая работа [9,5 M], добавлен 30.11.2012Расчет пазов и обмотки статора, полюсов ротора и материала магнитопровода синхронного генератора. Определение токов короткого замыкания. Температурные параметры обмотки статора для установившегося режима работы и обмотки возбуждения при нагрузке.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 20.06.2014Выбор типа турбогенератора, обоснование вариантов структурной схемы электростанции. Выбор способа синхронизации генераторов и сети. Расчет релейной защиты элемента схемы станции. Защита от замыканий на землю в обмотках статора генератора и трансформатора.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 22.10.2015Изучение кинетики тепловых процессов в резервуарах типа РВС для хранения нефти и нефтепродуктов. Расчет и построение физико-математической модели по оценке теплового состояния резервуара РВС с учетом солнечной радиации, испарений и теплообмена с грунтом.
реферат [196,1 K], добавлен 25.09.2011Назначение и описание конструкции трехфазного асинхронного двигателя. Разработка технологического процесса изготовления статора, обоснование типа производства. Применяемые приспособления и нестандартное оборудование. Испытания статора двигателя.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 13.03.2013Методика проектирования турбогенератора, его характеристики. Определение размеров и электромагнитных нагрузок. Расчет обмоточных данных статора. Ток возбуждения при нагрузке, диаграмма Потье. Параметры, постоянные времени и токи короткого замыкания.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 28.05.2013Определение основных размеров и электромагнитных нагрузок. Расчет обмоточных данных статора, зубцовой зоны ротора и обмотки возбуждения. Параметры, постоянная времени и токи короткого замыкания, расчет потерь и КПД. Характеристики турбогенератора.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 18.05.2013
