Нагрів кінцевої зони статора турбогенератора при різних варіантах її конструктивного виконання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут електродинаміки НАН України

Нагрів кінцевої зони статора турбогенератора при різних варіантах її конструктивного виконання

Heating of stator end zone of turbogenerator at different variants it structural implementation

Кенсицький Олег Георгійович доктор технічних наук, завідувач відділу

Крамарський Володимир Анатолійович кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Кобзар Костянтин Олександрович кандидат технічних наук, головний конструктор, Державне підприємство «Завод «Електроважмаш»

Хвалін Денис Ігорович аспірант

Kensytskyi O.H. doctor of sciences (engineering), manager of department

Kramarskyi V.A. candidate of sciences (engineering), senior staff scientist

Kobzar K. O. candidate of sciences (engineering), main designer, State Enterprise «Plant «Electrotyazhmash» Hvalin D.I. postgraduate student

Summary

Taking into account the anisotropy and saturation stator core with help a quasi-three dimensional mathematical model for a number of variants the design of a stator core end zone of powerful turbogenerator on the conditions of reactive power consumption the distribution of magnetic induction and temperature in elements is obtained. By the criterion of decreasing the maximum and average temperature in the construction elements a comparative analysis of efficiency for these variants is made.

Keywords: turbogenerator, end zone, stator core extreme packet, temperature.

Анотація

Для низки варіантів конструкції торцевої зони осердя статора потужного турбогенератора за допомогою квазітривимірної математичної моделі отриманий розподіл магнітної індукції і температури в елементах у режимі споживання реактивної потужності з урахуванням анізотропії та насичення осердя статора. За критерієм мінімуму нагріву елементів конструкції проведений порівняльний аналіз ефективності варіантів.

Ключові слова: турбогенератор, торцева зона, крайні пакети осердя статора, температура.

Постановка проблеми

Забезпечення високого рівня експлуатаційної надійності, коефіцієнта корисної дії (ККД) та ремонтопридатності турбогенераторів (ТГ) на основі нових інженерних рішень є головними задачами важкого електромашинобудування. Значна кількість цих рішень спрямована на вдосконалення торцевої зони (ТЗ) статора, однієї з найважливіших проблемних зон конструкції машини, нагрів якої обмежує можливості ТГ в експлуатаційних режимах, в тому числі у режимах із споживанням реактивної потужності. Це пояснюється як складністю конструкції ТЗ, так і наявністю в цій зоні електричних, магнітних і теплових явищ, які ще недостатньо детально вивчені.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Особливо гостро необхідність впровадження нових рішень стосується ТГ з повітряним охолодженням

[1, 4, 9], для яких є характерним несприятливе поєднання низької спроможності відводу тепла та високої щільності повітря. Актуальність і невирішеність проблеми підтверджується чисельними публікаціями та різноманіттям технічних рішень, які застосовують провідні виробники ТГ у світі.

Численні теоретичні та експериментальні дослідження електромагнітних і теплових процесів в елементах конструкції ТЗ осердя статора потужних ТГ дозволили прояснити особливості, обумовлені нерівномірним розподілом магнітних потоків, щільності вихрових струмів, питомих втрат і нагрівів, та отримати необхідну інформацію й передумови для розробки математичних моделей і методів розрахунку магнітного поля, втрат і розподілу температури. Сучасні методи і наявна обчислювальна техніка дають можливість математично більш достовірно моделювати процеси в складних технічних об'єктах і оцінювати ефективність нових технічних рішень.

Мета роботи. Метою роботи є визначення температурного поля в елементах кінцевої частини ТГ для низки варіантів її конструктивного виконання і порівняльний аналіз їх ефективності.

Виклад основного матеріалу

У якості об'єкта дослідження розглянутий серійний ТГ типу ТГВ-500 потужністю 500 МВт (ДП завод «Електро- важмаш» м. Харків). Для порівняння ефективності різних варіантів конструкції ТЗ осердя статора в її основних елементах розраховане поле температури для режиму навантаження зі споживанням реактивної потужності (cos ф = - 0,95).

На рис. 1 наведена конструкція ТЗ ТГ, де позначені: 1 - крайній пакет осердя статора; 2 - натискний палець; 3 - мідний екран; 4 - натискна плита; 5 - корпус підшипника; 6 - газонаправляю- чий апарат; 7 - масло-ущільнююче кільце; 8 - газорозподільний циліндр; 9 - обмотка статора; 10 - кронштейни кріплення обмотки.

Обмотки статора і ротора охолоджуються дистилятом, осердя статора - воднем. В ТЗ осердя статора для захисту спинки крайнього пакета для підсилення екрануючої дії між натискною плитою і натискним пальцем встановлене плоске мідне кільце завтовшки 10 мм. Охолодження натискної плити здійснюється за допомогою охолоджуючих каналів, по яких циркулює вода.

Рис. 1.

Математична модель спільного розрахунку електромагнітного поля та нагрівів у ТЗ статора ТГ дозволяє математично строго враховувати режим роботи ТГ шляхом завдання системи реально розподілених струмів лобових частин обмоток статора і ротора [2]. Квазітривимірна математична модель займає проміжне положення між двовимірним і тривимірним рішеннями і реалізована у програмному середовищі ComsolMultiphusics [10]. Вона побудована на чисельних розрахунках у поперечному та поздовжньому перетинах ТГ, взаємопов'язаних за допомогою комплексу граничних умов (ГУ). Розрахункова область охоплює всю ТЗ генератора, включаючи крайні та основні пакети осердя статора. При цьому враховуються реальна геометрія елементів ротора й статора, анізотропія та насичення осердя статора. Модель відповідає реальним розмірам ТГ в цілому, а також його окремих вузлів. Для кожного вузла задані фізичні параметри матеріалу, з якого він виготовлений. Для феромагнетиків побудовані відповідні криві намагнічування.

Спочатку розглядається двовимірна польова модель електромагнітного поля поперечного перерізу центральної зони ТГ. Рівняння для двовимірного магнітного поля відносно аксіальної складової векторного магнітного потенціалу (ВМП) Az у розрахунковій області має вигляд:

турбогенератор температурний електромагнітний

Величини струмів в обмотках статора та ротора й кута в задаються у відповідності з режимом роботи генератора.

Рис. 2

Коефіцієнти тепловіддачі торцевих поверхонь та вентиляційних каналів задані у відповідності до рекомендацій [3, 5]. Температура холодного газу прийнята 40 °С. Параметри охолодження незмінні для всіх варіантів ТЗ ТГ, що розглядаються.

Оскільки ефективність різних варіантів конструкції ТЗ визначається з порівняння максимальної та середньої температури осердя статора, надалі приводяться тільки результати теплового розрахунку.

На рис. 2 показаний миттєвий розподіл магнітної індукції (МІ) та ВМП у певний момент часу в центральній зоні (у даному випадку t = 0,02 с, що відповідає одному повному обороту ротора). Відтінками сірого кольору показані рівні МІ у Тл у відповідності з приведеною шкалою.

Маючи розподіл поля у центральній частині, моделюється магнітне поле у поздовжньому перетині ТГ. З врахуванням симетрії вздовж осьового та радіального напрямків (рис. 1), розрахункова область ТЗ обрана у вигляді половини перерізу ротора вздовж його осі та перетину зубця осердя статора у тангенціальному напрямку (по колу) [11]. Цей перетин співпадає з циліндричною координатною площиною rz і є площиною симетрії ротора (на рис. 2 вона проходить по радіусу ООі).

Рівняння для двовимірного поля в циліндричних координатах відносно складової ВМП Az, яка є тангенціальною складовою у розрахунковій області, має вигляд (і). Необхідна структура силових ліній магнітного поля формується за допомогою комплексу ГУ для ВМП, що встановлюються для зовнішніх меж області [2].

На рис. 3 показаний розподіл МІ та ВМП в ТЗ ТГ для режиму навантаження зі споживанням реактивної потужності (cos ф = - 0,95).

Приймаючи отримані результати електромагнітного розрахунку як джерело виникнення вихрових струмів і тепловиділень, моделюються теплообмінні процеси у ТЗ ТГ. Рівняння для двовимірного температурного поля має вигляд:

Рис. 3

Варіант 1. Базова (заводська) конструкція ТЗ ТГ.

На рис. 4 показаний розподіл температури для режиму навантаження зі споживанням реактивної потужності (cos ф = - 0,95) у розрахунковій області ТЗ ТГ базової конструкції (рис. 1), а на рис. 5 - розподіл нагрівів двох крайніх пакетів осердя статора, натискного пальця, мідного екрана та натискної плити.

Максимальна температура в зубцевій зоні біля дна паза крайнього пакета осердя становить 111 °С, натискної плити - 108 °С, натискного пальця - 99 °С, що відповідає результатам натурних випробувань ТГ [3]. Максимальна температура в зубцевій зоні крайнього пакета біля дна паза пояснюється тим, що окрім радіального поля зубцева зона.

Рис. 4

Зрозуміло, що розподіл нагрівів натискної плити обумовлений наявністю каналів з охолоджуючою водою. Однак вони ефективні лише в локальній близькості і на нагрів мідного екрану не впливають. З віддаленням від зубцевої зони крайніх пакетів з максимальною температурою у сторону спинки осердя температура різко зменшується з причини екрануючої дії натискної плити та мідного екрана. Аксіальна складова МІ в зоні коронки зубців сягає 1,1-1,15 Тл (торець сходинки першого пакету), однак ця зона інтенсивно охолоджується газом, що циркулює в зазорі. Тому температура тут невисока.

Із всього наведеного можна зробити висновок, що нагрів елементів ТЗ ТГ є вкрай нерівномірним, що обумовлено аналогічним розподілом втрат та наявною схемою охолодження. Максимальні значення температури в окремих елементах більше середнього майже втричі.

Рис. 5

Варіант 2. Глибокий скіс крайніх пакетів осердя статора.

Рис. 6

З рис. 6 можна встановити, що максимальна температура в зоні біля дна паза крайнього пакета осердя статора становить 95 °С, натискної плити - 108 °С, натискного пальця - майже 117 °С. З причини вкорочення натискного пальця його торець навантажений магнітним потоком, створеним МРС лобових частин обмотки статора, частиною основного потоку, яка «витискається» із повітряного проміжку, а також потоком, що обтікає натискну плиту. Тому при такому виконанні ТЗ осердя статора доцільно змінювати конструкцію натискного пальця, наприклад робити його подовженим у бік зазору машини, як це реалізовано у ТГ типу ТВВ-1000 або запропоновано у роботі [7].

Максимальні та середні абсолютні температури основних елементів кінцевої частини ТГ для різних варіантів конструкції зведені у табл. 1.

Таблиця 1

Звідки видно, що з розглянутих варіантів конструкції торцевої частини статора у варіанті 3 з електропровідним Т-подібним екраном між натискною плитою і натискними пальцями максимальне перевищення температури основних елементів конструкції над холодним газом (40 °С) є найнижчим, а саме: крайнього пакета осердя 52 °С, натискної плити 75 °С, натискного пальця 55 °С. Застосування структурного екрана (варіант 4) дозволяє зменшити максимальну температуру крайнього пакета осердя статора, але при цьому збільшується середня температура з причини наявності мідних елементів. Структурний екран не впливає на нагрів натискної плити та пальців.

Для ТГ з глибоким скосом крайніх пакетів осердя статора (варіант 2), який виконує функцію шунта [6, 8], застосування ефективних екранів дозволить зменшити розмір скосу, що значно підвищить міцність конструкції статора, збільшить коефіцієнт магнітного зв'язку обмоток.

Висновки

Розроблена модель розрахунку розподілу МІ і температури в основних елементах торцевої частини статора ТГ дозволяє якісно і наглядно оцінювати ефективність різних варіантів конструкції з урахуванням всіх електромагнітних і теплофізичних характеристик. Точність розрахунків визначається переважно достовірністю цих характеристик.

Серед розглянутих варіантів конструкцій ТЗ осердя статора ТГ найбільш ефективною з точки зору мінімізації температури її основних елементів є конструкція з Т-подібним електромагнітним екраном.

Пошук оптимальної конструкції кінцевої частини осердя статора ТГ доцільно проводити з використанням комбінації електропровідного Т- подібного екрана та найбільш ефективних відомих і нових окремих технічних рішень, наприклад внутрішнього екранування крайніх пакетів.

Список літератури

Алексеев Б.А., Мамиконянц Л.Г., Поляков Ф.А., Шакарян Ю.Г. Проблемы электрических машин на сессии СИГРЭ // Электричество. 2009. № 3. С. 60-67.

Кенсицький О.Г., Хвалін Д.І. Електромагнітне поле у торцевій зоні турбогенератора при зміні реактивного навантаження // Технічна електродинаміка. 2018. №1. С. 62-68.

Постников И. М., Станиславский Л. Я., Счастливый Г. Г. Электромагнитные и тепловые процессы в концевых частях мощных турбогенераторов. - Киев: Наукова думка, 1971. 360 с.

Смородин В.И., Крамарский В.А., Кузьмин В.В., Черемисов И.Я. Концепция нетрадиционного исполнения торцевой зоны статора турбогенератора с полным воздушным исполнением // Техническая электродинамика. 1991. № 2. С. 47-50.

Счастливый Г.Г., Федоренко Г.М., Выгов- ский В.И. Турбо- и гидрогенераторы при переменных графиках нагрузки. Киев: Наукова думка, 1985. 208 с.

Титко О.І., Мишастий М.Д., Воронін А.І., Хвалін Д.І. Експериментальні дослідження ефективності екранів зубцево-пазової конструкції статорів турбогенераторів // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. 2017. №46. С. 34-42.

Патент 99571 Україна МПК Н02К 5/04. Ста

тор електричної машини / Крамарський В.А., Че- ремісов І.Я., Титко О.І., Грубой О.П., Пенський В.Ф., Мінко О.М. № u 2014 14220; заявл.

31.12.2014; опубл. 10.06.2015. Бюл. № 11.

Патент 111154 Україна МПК Н02К 3/42.

Осердя статора електричної машини змінного струму / Титко О.І., Кобзар К.О., Хвалін Д.І. № u 2015 1257; заявл. 21.12.2015; опубл. 10.11.2016.

Бюл. № 21.

Dr. Carl-Ernst Stephan, Jurgen Baer, Hans Zimmerman, Dr. Gerhard Neidhofer, Dr. Rjland Egil. New air-cooled turbogenerator in the 300-MVA class. ABB Review, 1/1996. Pp. 20-28.

Comsol Multiphysics modeling and simulation software. http://www.comsol.com/

Fujita M., Ueda T., Tokumasu T. Eddy current analysis in the stator end structures of large capacity turbine generators // International Conference on Electrical Machines and Systems. November, 2009. Tokyo. Japan. - Pp. 1-6.

Размещено на Allbest.ru