Температурное состояние стержней турбогенераторов с воздушным охлаждением при номинальном режиме и режиме короткого замыкания

УДК 536.7

ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ СТЕРЖНЕЙ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ПРИ НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ И РЕЖИМЕ КОРОТКОГО

ЗАМЫКАНИЯ

А.В. Третьяк

Выполнен обзор существующих методик расчета теплового состояния стержней турбогенераторов, указаны их достоинства и недостатки. Для анализа теплового состояния стержней турбогенераторов с воздушным охлаждением предложено использовать метод конечных элементов в 3-х мерной постановке, который позволяет более точно учесть пространственное распределение циркуляционных токов, условий теплоотвода. С использованием модели проведен расчет теплового состояния стержней турбогенератора в режиме короткого замыкания, обоснована возможность дальнейшей эксплуатация турбогенератора после режима короткого замыкания.

Ключевые слова: турбогенератор, воздушное охлаждение, тепловой расчет, режим короткого замыкания, ресурс, система охлаждения.

Одним из наиболее перспективных направлений энергомашиностроения является создание турбогенераторов с воздушным охлаждением мощностью более 100 МВт. Это обусловлено их более высокой надежностью по сравнению с существующими аналогами, простотой в эксплуатации, пожаробезопасностью, а также отсутствием дополнительных систем жизнеобеспечения.

Переход на выпуск более мощных турбогенераторов привел к необходимости интенсификации охлаждения его составных частей. Наиболее теплонапряженными элементами турбогенератора являются токопроводящие стержни статора. Температурное состояние стержней зависит от величины циркуляционных токов, условий теплоотвода. При моделировании температурного состояния следует учитывать сложную геометрию стержней, особенно в лобовой части турбогенератора.

В ремонтной и аварийной документации турбогенераторов акцентируется внимание на большом количестве повреждений конструкционных элементов статора, вызванных тепловыми нагрузками. При этом 15.. .20 % отказов приходится на стержни статорных обмоток в результате повреждения изоляции из-за нагрева токопроводящих элементов статора. Самые серьезные повреждения изоляции наблюдаютя в лобовых частях при режимах короткого замыкания. Для контроля теплового состояния статора в турбогенераторе установлен ряд измерительных приборов. Однако в условиях эксплуатации производится контроль теплового состояния только пазовой части стержней, контроль наиболее теплонагруженных лобовой части не предусмотрен. Поэтому тепловое состояние лобовых частей токопроводящих стержней, обоснование их надежности, особенно в

режимах короткого замыкания, должен выполняться на этапе проектирования турбогенератора и его системы охлаждения. Существующие методики расчета позволяют определить тепловое состояние стержней, но точность такого расчета низкая в связи с тем, что эти методики не учитывают сложную геометрию лобовых частей, неоднородность тепловыделения, условий их обтекания потоком охлаждающего воздуха. В связи с этим необходимы модели в 3 - мерной постановке, учитывающие сложную геометрию стержней, неоднородное пространственное распределение циркуляционных токов, условий теплоотвода.

Увеличение мощности турбогенераторов, повышение их надежности невозможно без надежного охлаждения их элементов. При проектировании новых и модификации уже существующих систем охлаждения используются данные о температурном состоянии стержней обмотки статора на разных режимах работы турбогенератора (стационарный режим, аварийный режим короткого замыкания). Для расчета теплового состояния стержней необходимо применять модели, учитывающие сложную конфигурацию стержней, неоднородность распределение циркуляционных токов. В связи с этим статья, в которой предложена модель для анализа 3 - мерного теплового состояния стержней обмотки статора, а также результаты моделирования и предложения по улучшению условий охлаждения является актуальной.

Целью исследований является повышение мощности и надежности турбогенераторов на основе более точного моделирования теплового состояния стержней обмотки статора.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать модель теплового состояния стержней обмотки статора, которая обеспечит расчет температурного поля с учетом 3 - мерного распределения тепловых потерь вызванных циркуляционными токами и омическими потерями.

2. С использованием математической модели теплового сосотояния стержней выполнить анализ и обосновать ресурс стержней после режима короткого замыкания с высокими токовыми и температурными нагрузками.

Величина максимальной нагрузки турбогенераторов ограничивается допустимыми рабочими температурами, применяемых материалов активных частей (медные проводники обмотки статора и шихтованная сталь). Допускаемые температуры активных частей закладываюся на этапе проектирования и система охлаждения должна обеспечить нахождение температур в пределах, указанных в техническом задании. Таким образом, система охлаждения во многом определяет основную концепцию конструкции турбогенератора. При проектировании систем охлаждения необходимо располагать информацией о температурных полях в элементах турбогенератора и, в частности, в стержнях обмотки статора.

При тепловом расчете в зарубежной и отечественной практике проектирования турбогенераторов применяют следующие методы:

1) метод развернутых эквивалентных схем;

2) аналитический метод определения теплового состояния;

3) метод конечных элементов.

Самым распространенным является метод развернутых эквивалентных схем, который основан на представлении конструкции в виде однородных тел. Достоинством данного метода является возможность достаточного быстрого расчета температурного состояния электрических машин с простой компановкой и определения характерных значений температуры в элементах конструкции. Существенным недостатоком является очень большая погрешность - ±10 %, что делает невозможным применением данного метогда при расчете температурного состояния высоконагружен-ных турбогенераторов.

Вторым по применяемости является метод, основанный на аналитическом решении системы дифференциальных уравнений, описывающих распределение температуры вдоль узлов и деталей турбогенераторов. Однако, аналитическое решение может быть найдено только при внесении целого ряда упрощающих допущений. В результате это также приводит к очень большим погрешностям.

В последнее время широкое применение получил метод конечных элементов. Данный метод применяется в совремнных прикладных программах типа Solid Works Simulation, Ansys, ELCUT для моделирования тепловых и электромагнитных полей. Наиболее полное описание температурного состояния статора электрического двигателя описано в работе [1]. Достоинством данного метода является высокая точность. Однако данный метод не использовался при анализе теплового состояния лобовых стержней статора, для которых характерно сложное 3 - мерное распределение тепловых потерь, условий теплоотвода. Поэтому, необходимо разработать модель, которая обеспечит расчет температурного поля стержней статора с учетом более точного задания потерь вызванных циркуляционными токами и омическими потерями в зоне лобовых частей, условий теплоотвода с поверхности стержня.

Модель лобовых частей стержней статора турбогенератора ТА-120

Конструкция стержней турбогенераторов достаточно детально описана в литературе [3,4].

Основными составляющими конструкции стержня турбогенератора ТА-120 (см. рис. 1) являются: медь (82 проводника) поз. 1, изоляционная прокладка поз. 2, слюдинитовая изоляция в виде ленты толщиной 0,16 мм, в количестве 14 слоев, изоляция класса F поз.3.

Пространственная конфигурация лобовых частей стержней определяется их расположением в пазу и соединением в лобовых частях двух

стержней одной фазы. Данные по точкам, описывающим пространственную конфигурацию стержней, используются при определении тепловыделения в стержнях. Для определения точек, определяющих положения проводников стержня в 3 - мерном пространстве, разработана компьютерная программа [2].

Рис. 1. Конструктивные элементы стержня

Рис. 2. Схема распределения ЭДС, вызванных циркуляционными токами

При определении основных и дополнительных электрических потерь, приводящих к тепловыделению в стержнях, наименее изученными являются потери, вызванные циркуляционными токами. Циркуляционные токи существенно перегружают отдельные проводники стержня и могут явиться причиной повреждения обмотки. На рис. 2 приведено распределения ЭДС, вызванных циркуляционными токами вдоль проводников стержня. Известные формулы определения электрических потерь в лобовой части стержня дают лишь приближенное и усредненное значение. Поэтому при определении циркуляционных токов предложено использовать формулы, основанные на поиске проекции вектора магнитной индукции для лобовых частей, в виде [5]

Вх = *2 •

У

1,2

'1,2

У

( X

22 + 2

) • у/

( X2 + У2

) •/(

+ У2)

10 -7,

2

где х,у,2 - координаты средней линии стержня; х12 , у12, 212 - координаты расположения вектора проводника относительно средней линии.

Согласно теореме о циркуляции магнитного поля связь между плотностью тока и магнитной индукцией имеет вид

Таким образом, располагая информацией о проекциях вектора магнитной индукции, задаваемых уравнениями (1) - (3) и решая дифференциальное уравнение (4), определяется плотность тока и, в конечном итоге, тепловыделение в стержнях.

Расчет температурного поля стержней в режимах короткого замыкания

При определении температурного поля стержней используется программный продукт SolidWorks Simulation, позволяющий определять трехмерное распределение параметров в элементах конструкции. В программном продукте решается система уравнений сохранения энергии для элементов конструкции, дополненная граничными и начальными условиями, теплофизическими свойствами теплоносителя и материала конструкции. Уравнение энергии для элементов конструкции записывается в виде

где е = сТ, с- удельная теплоемкость, Дж/(кгК), Т- температура, К; X- теплопроводность, Вт/(мК), Qн - удельное (на единицу объема) тепловыделе-

Расчетная схема стержня и основные элементы конструкции представлены в статье [5].

Для определения коэффициентов теплоотдачи определим скорость течения воздуха в зоне лобовых частей. Для расчета скоростей потока используется метод «схем замещения». При определении скоростей и расходов воздуха в системе вентиляции используется схема сопротивлений воздушного контура. По результатам расчета определено, что скорость воздуха в зоне лобовых частей составила 16 м/с. При турбулетном режиме течения воздуха критериальное уравнение для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид

ние, Вт/м3.

Ыы = 0,0432Яе°,78.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи на поверхности стенки

а = 0,04321/_0,5(—)0,78 • 10-4 , Вт/(см2К V

В критериальном уравнении в качестве определяющей берется средняя температура [5], в качестве определяющего размера 1 - длина стенки стержня (1=100 мм).

Определено, что коэффициент теплоотдачи равен 0,12 Вт/(см К).

Расчеты теплового состояния стержня проводились для максимальной токовой нагрузки турбогенератора ТА-120 в режиме короткого замыкания. В таблице приведены допускаемое время и превышения по токовой нагрузке в режимах короткого замыкания:

Допустимые токовые нагрузки турбогенераторов

1/1н 1,15 1,2 1,25 1,3 1,4 1,5 2 2,5 >3

1, мин 15 6 5 4 3 2 1 0,5 0,5

2

Для наиболее высокой токовой нагрузки более 3 А/мм , возникающей в режиме короткого замыкания турбогенератора, проведены расчеты температурного поля (рис. 3). Как показал анализ температурного поля (рис. 4), режим короткого замыкания не приведет к значительному уменьшению ресурса стержня. Поэтому после осмотра статора и основных токоведущих элементов турбогенератора согласно нормативной документации турбогенератор может быть использован в дальнейшей эксплуатации без ограничений.

Рис. 3. Температурное поле стержня в режиме дву фазного КЗ

Температура,

Рис. 4. График определения ресурса стержней

В данной работе изложена проблема расчета теплового состояния турбогенераторов с воздушным охлаждением. Проведен анализ существующих методик тепловых расчетов турбогенераторов. Определены основные задачи, возникающие при проектировании турбогенераторов с воздушным охлаждением.

В ходе работы были получены следующие результаты.

1. Разработана модель теплового состояния стержней, которая обеспечивает расчет температурного поля с учетом более точного задания потерь, вызванных циркуляционными токами и омическими потерями.

2. С использованием математической модели теплового сосотояния стержней статора проведен анализ и обоснована возможность дальнейшей эксплуатация статора турбогенератора ТА-120 без ограничений после режимов короткого замыкания.

Список литературы

1. Глухов Д. М. Моделирование многофазных асинхронных двигателей в многофазных режимах роботы: автореф. дис. ...канд.. техн. наук Томск, 2005. 18 с.

2. А.с. №29454. Украина. Компьютерная программа «Расчет эвольвенты 2009». Грубой А.П., Задоров Ю.М., Третьяк А.В. Дата регистрации 14.07.09.

3. Филиппов И. Ф. Вопросы охлаждения электрических машин. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1964. 334 с.

4. Алексеев А. Е. Конструкция электрических машин. М.-Л., Госэнергоиздат, 1958. 428 с.

5. Чистяков, А. А. Электрические усилия в обмотках статоров мощных турбо- и гидрогенераторов: автореф. дис. ... канд. техн. наук, Ленинград, 1972. 21 с.

6. Грубой А.П., Гакал П.Г., Третьяк А.В. Определение теплового

состояния лобовых частей стержней обмотки турбогенераторов

// Авиационно-космическая техника и технология. 2012-№8(95).

С.114-118.

7. Грубой А.П., Гакал П.Г., Третьяк А.В. Проблемы охлаждения турбогенераторов большой и средней мощности // Авиационнокосмическая техника и технология.2011. №7(84). С. 199-201.

8. Патент на полезную модель №66935. Украина. Статор электрической машины / Кобзарь К.А., Гордиенко В.Ю, Третьяк А.В. Дата регистрации 21.01.12.

Третьяк Алексей Bладимирович, асп., зав. сектором мех. расчетов, Украина, Харьков, ГП Завод «Электротяжмаш», НА У им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»

THE THERMAL STATE RODS TURBOGENERATORS WITH AIR COOLING AT THE NOMINAL MODE AND SHORT-CIRCUIT CURRENT

A.V. Tretiak

Detailed analysis of the existing calculation methods of bars heat state of turbogenerators was performed, deficiency of the existing methods were taken in to consideration. The calculation method of bars heat state of Turbogenerators with air cooling by the method of end elements in three dimensional model taking in to account action of circulating currents is proposed. The calculation was carried out in the short-circuit mode of Turbogenerator and the possibility of further stator operation after short-circuit was stated. Modernization of the existing cooling system with improved heat removal in the teeth zone was carried out.

Key words: turbogenerator, air cooling, heat calculation, short-circuit mode, resource, cooling system.

Tretiak Aleksii Vladimirovich, postgraduate, Head of sector on mechanical calculations, Ukraine, Kharkiv, State Enterprise Plant “Electrotyazhmash”, NAU named after N. Ye. Zhukovskyi “Kharkiv Aviation Institute ”