автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование и доработка научных критериев сопоставления и выбора систем охлаждения электрических машин большой и средней мощности

Введение.

Глава 1. Системы охлаждения электрических машин.

1.1. Системы охлаждения турбогенераторов.

1. 2. Системы охлаждения гидрогенераторов.

1 3. Системы охлаждения электрических машин переменного тока.31 1.4. Системы охлаждения электрических машин постоянного тока.

Глава 2. Общие критерии сопоставления систем охлаждения электрических машин.

2.1. Вводные замечания.

2.2. Общие критерии.

2. 3. Сопоставление турбогенераторов.

2.4. Сопоставление гидрогенераторов.

2. 5. Сопоставление машин постоянного и переменного токов.

2. 6. Предварительные выводы.

Глава 3. Частные критерии сопоставления систем охлаждения электрических машин.

3.1. Вводные замечания.

3.2. Влияние длины канала при непосредственном охлаждении.

3. 3. Алгоритм и программа выбора систем охлаждения.

3. 4. Содержание МАТ1-АВ и особенности применяемых блоков.

3. 5. Формирование моделей.

Глава 4. Применение критериев сопоставления при практическом проектировании систем охлаждения электрических машин большой и средней мощности.

4.1. Общие положения.

4. 2. Технология выбора системы охлаждения турбогенератора средней мощности для заданных условий эксплуатации.

4. 3. Сопоставление систем охлаждения турбогенераторов большой мощности.

4.4. Сопоставление систем вентиляции гидрогенераторов.

4. 5. Определение предельно допустимой мощности турбогенератора с полным воздушным охлаждением.

Актуальность работы. Электромашиностроение развивается в условиях жесткой конкуренции. Электромашиностроительные фирмы в этих условиях стремятся, с одной стороны, повышать качество продукции и, с другой стороны, обеспечивать ее патентную чистоту. В результате в практике работы созданы многочисленные конструкции электрических машин, которые отличаются в первую очередь системами охлаждения. Принятая в той или иной конструкции система охлаждения электрической машины во многом определяет ее фундаментальные характеристики: качество, надежность и экономичность.

Проектировщик электрической машины оказывается сегодня перед проблемой выбора наиболее рациональной системы охпаждения из множества возможных вариантов. Для сопоставления различных систем и правильного выбора наилучшей из них, необходимо располагать объективными, т. е. научно обоснованными критериями сопоставления и практическим инструментарием, позволяющим использовать указанные критерии при проектировании, учитывая те специфические условия эксплуатации проектируемой электрической машин, которые сформулированы в технических требованиях.

Следует подчеркнуть, что условия эксплуатации могут быть весьма разнообразными (назначение машины, режимы работы, место размещения, тип защиты и др.). Именно это обстоятельство, наряду с указанными выше требованиями к конструкции, породило обилие созданных и гипотетических модификаций электрических машин и их систем охлаждения.

В охарактеризованной ситуации для разработки объективных критериев сопоставления и выбора систем охлаждения в качестве первого шага необходимо систематизировать известные конструкции и на этой основе выделить самые общие критерии. Затем, после разделения систем на основные классы, разработать внутри ка>кдого класса более глубокие, так называемые "частные" критерии, позволяющие выполнить расчет и анализ основных технических характеристик, определить наиболее перспективные способы интенсификации процесса теплообмена для обеспечения допустимых превышений температуры активных частей машины в зависимости от нагрузок, свойств охлаждающей среды, расхода энергии на обеспечение ее циркуляции. То есть в конечном итоге может быть определена эффективность и экономичность каждой анализируемой системы охлаждения после ее предварительного выбора.

Решение сформулированной задачи является важнейшим шагом в общем процессе проектирования электрической машины.

Можно добавить, что разработанный в настоящем исследовании аппарат анализа позволяет сделать правильный выбор не только создателю электрической машины, но и ее пользователю (покупателю).

Цели работы. Основные цели данной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Систематизировать большинство встречающихся к настоящему времени систем охлаждения в конструкциях различных типов электрических машин и классифицировать их по отдельным классам.

2. Дать общие и частные научные критерии, на основе которых можно выбрать рациональную систему охлаждения для проектируемых или заказанных электрических машин.

3. Дать универсальный метод расчета и построения зависимости любых параметров системы, при непосредственном охпаждении, в виде компьютеризованной модели.

4. Изложить технологию выбора рациональной системы охлаждения на конкретных важных примерах проектирования крупных электрических машин, в том числе машин предельной мощности.

Научная новизна. Идея разработки критериев сопоставления систем охлаждения электрических машин была высказана несколько лет назад профессором И.Ф.Филипповым. Позднее в качестве руководителя данной диссертационной работы профессор Филиппов предложил углубить, расширить и усовершенствовать проделанное ранее исследование, дать универсальный метод расчета параметров, определяющих разработанные критерии, разработать алгоритм и программу такого универсального метода и выработать практические приемы использования объективных критериев при проектировании электрических машин большой и средней мощности, в первую очередь, турбогенераторов и гидрогенераторов. Поставленная задача решена в настоящей работе.

1. Путем анализа многочисленных конструкций электрических машин, их систем охпаждения, существенно расширен диапазон применения так называемых "общих" критериев.

2. Проведен анализ "частных" критериев и на базе обобщения зависимостей температуры активных частей машины и давления нагнетателей от длины охлаждающих каналов при непосредственном охлаждении разработана универсальная методика расчета, позволяющая выполнять анализ влияния всех параметров систем охлаждения на их эффективность и экономичность.

3. На примерах решения проблемы рационального охлаждения турбо- и гидрогенераторов показаны приемы практического применения общих и частных критериев сопоставления систем охлаждения при практическом проектировании электрических машин.

4. В связи с актуальностью проблемы увеличения единичной мощности крупных электрических машин с воздушным охлаждением, в данной работе на базе разработанного метода расчета решена задача о предельной допустимой мощности турбогенераторов с полным воздушным охлаждением.

Практическая значимость работы. Проделанная работа позволяет произвести выбор рациональной системы охлаждения электрической машины, для которой заданы условия эксплуатации, не прибегая к дополнительному анализу всего многообразия систем. Такой выбор запрограммирован и осуществляется простой подстановкой отводимых потерь, названия охлаждающей среды и допустимой температуры изоляции. При этом выбранная система окажется предпочтительной по сравнению со всеми другими возможными вариантами.

Таким образом, как при проектировании, так и при заказах оборудования могут быть использованы надежные рекомендации, заложенные в алгоритме и методе расчета настоящего исследования.

Апробация работы. Основные теоретические и практические положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: конференциях профессорского -преподавательского состава ЭТУ (ЛЭТИ) в 2000 - 2001 г., семинарах кафедры электромеханики и электромеханотроники

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в трех печатных научных работах, в числе которых две статьи и одно учебное пособие.

Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Произведена систематизация электрических машин большой и средней мощности по системам и способам охлаждения для отдельных классов машин: турбогенераторов; гидрогенераторов; электрических машин переменного и постоянного токов. Рассмотрено современное состояние систем охлаждения многочисленных модификаций. Основное внимание уделено тенденциям и перспективам развития существующих систем.

2. Предложены общие критерии классификации и на основе результатов расчета их значений сделано сопоставление разных систем по классам электрических машин и внутри каждого класса.

3. Разработаны алгоритмы выбора из существующего многообразия исполнений рациональной системы охлаждения с унифицированными характеристиками. Их применение позволяет проектировщику сделать первый шаг в анализе системы охлаждения проектируемой машины -выделить из числа возможных предпочтительную систему для ее дальнейшего углубленного анализа.

4. Обобщены математические формулы, определяющие зависимость максимального превышения температуры активных частей и давления нагнетателей от длины охлаждающих каналов системы непосредственного охлаждения. Формулы отражают также зависимость температуры от физических параметров охлаждающей среды и геометрии каналов.

5. В программе МАТЛАБ разработаны модели, описывающие полученные соотношения, которые диктуются возможными техническими условиями. Модели представляют собой инструмент оценки системы непосредственного охлаждения электрической машины на основе частного критерия сопоставления - длины охлаждающего канала. Анализ результатов универсальных расчетов по программе МАТЬАВ количественно демонстрирует влияние длины канала на главные параметры системы охлаждения. Причем следует подчеркнуть, что сконструированные модели позволяют варьировать и исследовать влияние не только длины канала, но и всех физических и геометрических параметров системы охпаждения в произвольном диапазоне значений.

6. Разработан метод выбора рациональной системы охлаждения в конструкции проектируемой машины на базе общих и частных критериев. Показана процедура выбора при использовании полученных моделей на конкретных реальных примерах. Попутно получены важнейшие для дальнейшего проектирования результаты.

7. Выполнено сопоставление реальных конструкций турбогенераторов разных фирм путем применение данных моделей. Показаны ограничения возможностей той или иной системы охлаждения.

8. При сопоставлении гидрогенераторов, различающихся системами вентиляции (радиальные или аксиальные), доказано, что в большинстве случаев предпочтительно применение радиальной системы вентиляции по следующим причинам: в аксиальной схеме вентиляции расход воздуха нерегулируем применение радиальной системы вентиляции вследствие регулируемости расхода позволяет минимизировать вентиляционные потери. Таким образом, одним из частных критериев сопоставления является величина вентиляционных потерь. Преимуществом радиальной схемы вентиляции является также возможность уменьшения аксиальной длины машины, т. е. более рациональной компоновки.

1оЬ

9. В последние грд^1 в связи с переориентацией энергетики на применение генераторов средней и малой мощности, развитие систем охпа>кдения приобрело тенденцию к применению воздушного охлаждения. Актуальной оказалось проблема увеличения единичной мощности турбогенераторов с полным воздушным охлаждением. В данной диссертационной работе на базе применения полученных моделей дан ответ на вопрос, какая предельно допустимая (по термическим ограничениям) единичная мощность турбогенератора может быть достигнута при применении полного воздушного (косвенно-непосредственного) охлаждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Хуторецкий Г. М., Титов В. В., и др. Турбогенераторы. Расчет и конструкция. Под ред. Иванова Н. П. И Лютера Р. А./ Л: Энергия, 1967.

2. Хуторецкий Г. М., Токов М. И., Толвинская Е. В. Проектирование турбогенераторов. Л: Энергоатомиздат, 1987.

3. Сипайлов Г. А., Санников Д. И., Жадан В. А. Тепловые гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. М:1989.

4. Филиппов И. Ф. Вопросы охлаждения электрических машин. Л: Энергия, 1964.

5. Коган 3. В., Титов В. В. Ротор турбогенератора с непосредственным охлаждением проводников обмотки // Электричество, 1957, № 67.

6. Иванов Н. П. Турбогенераторы с форсированием охлаждением // Электричество, 1957, № 11.

7. Schmitt N., Willyoung D., Winchecter R., Diagonal-flow ventilation of gas-pickup rotors for large turbine generators, power Apparatus and systems, 1963, №64.

8. Алексеев A. E. Конструкция электрических машин, М.- Л: Госэнергоиздат 1958.

9. Алексеев А. Е., Костенко М. П. Турбогенераторы. М. Л: "Госэнергоиздат" 1939.

10. Пинчук Н. Д. Продукция "Электросила" для энергетики. Сб. науч. статей. Вып. 39. СПб, 2000. С 5-13.

11. Альбом вентиляционных расчетов турбогенераторов серии ТВВ. "Электросила" Л. 1979.

12. Кади-Оглы И. А. Анализ схем непосредственного охлаждения водяного охлаждения обмоток роторов турбогенераторов. В кн.:проблемы создания турбо- и гидрогенераторов большой мощности. Л. "наука" 1972, с. 86 94.

13. Кади-Оглы И. А., Антонов Ю. Ф., Брагин В. Б., Ваксер Б. Д. и др. Серия турбогенераторов с полным водяным охлаяодением // Сб. "Электросила" Санкт-Петербург. 2000, № 39, С. 14 21.

14. Глебов И. А., Данилевич Я. Б., Шахтарин В. Н., Турбогенераторы с использованием сверхпроводимости. Л. "Наука", 1981.

15. Дрейцер Л. С. Радиальная система вентиляции мощных турбогенераторов. "Электротехника", 1969, № 2, с. 5 -10.

16. Альпер Т. И., Сергиевская Т. Г. Охлаждение гидрогенераторов. М: Энергия, 1969.

17. Исспедование охлаждения гидрогенераторов. Труды НИИЭП, т. 1, ЦИНТИЭП, 1959.

18. Альпер Т. И., Поликовский В.И., Сергиевская Т. Г. Исследование систем охлажцения гидрогенераторов на вентиляционной модели, "Вестник электропромышленности" 1957, № 10.

19. Охлаждение турбо- и гидрогенераторов" материалы научно-технической конференции, ЦИНТИЭП, 1959.

20. Сергиевская Т. Г. Работы НИИЭП по вентиляции мощных гидрогенераторов. Сб. "Охлаждение турбо- и гидрогенераторов" ЦИНТИЭП, 1959.

21. Альпер Т. И., Земляной М. И., Поликовский В.И., Сергиевская Т. Г. Новая система охлаждения крупных гидрогенераторов, "Вестник электропромышленности" 1958, № 4.

22. Альпер Т. И., Земляной М. И., Поликовский В.И., Сергиевская Т. Г. усовершенствование систем охлаждения крупных гидрогенераторов. Труды НИИЭП, т. 1, ЦИНТИЭП, 1959.

23. Домбровскиий В. В., Еремеев А. С, Иванов Н. П., Ипатов П. М.и др. Проектирование гидрогенераторов "Энергия" 1965.

24. Иванов Смоленский А. В., Абрамов А. И. Расчет и конструкции гидрогенераторов, изд-во "Высшая школа", 1964.

25. Борисенко А. И., Федюшкин А. М. Классификация систем независимой вентиляции электрических машин. Сборник "Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах", вып. 8, Харьков 1978, с. 65 ~ 74.

26. Борисенко А. И., Костиков О. Н., Яковлев А. И. Охлаждение промышленных электрических машин. М: Энергоатомиздомат, 1983.

27. Домбровский В. В., Хуторецкий Г. М. Основы проектирования электрических машин переменного тока. Л. "Энергия", 1974.

28. Костиков О. Н., Пашков В. Н., Яковлев А. И. Автономные системы охлаждения с кипением теплоносителя во всыпных обмотках. Сборник "Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах", вып. 8, Харьков 1978, с. 144 147.

29. Кухарский М. П. Иваников Б. Н. Голошумов А. Ф. и др. Охла>|адение высокомоментных двигателей постоянного тока с помощью тепловой трубы в валу, сборник "Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах", вып. 8, Харьков 1978, с. 138 144.

30. Филиппов И. Ф. Некоторые современные проблемы и тенденции охлаждения элекфических машин. // Сб. "Электросила". Л. "Энергия" 1968, №27, с. 154-159.

31. Кацман М. М. Электрические машины, "высшая школа", М. 2000.

32. Филиппов И. Ф. Али Б. Разработка фитериев классификации электрических машин по способам охлаждения. Известия СПбГЭТУ /ЛЭТИ/, серия "Электротехнология, электротехника, электромеханика", статья находится в печати.

33. Москвитин А. И. Непосредственное охлаждение элею-рических машин. М. Издательство АН СССР, 1962.

34. Расчетные данные турбогенераторов. Протокол № 83-84/981. "Электросила" 1984.

35. Технические материалы № 78-87/981 по результатам испытаний парогенераторов с основными и экспериментальными схемами вентиляции. "Электросила", 1987.

36. Веников В. А. Применение теории подобия и физического моделирования в электротехнике. М.-Л: "Госэнергоиздат" 1949.

37. Филиппов И. Ф. Теплообмен в электрических машинах. Л: Энергоатомиздат, 1986.

38. Филиппов И. Ф. Основы теплообмена в электрических машинах. Л: Энергия, 1974.

39. Али Б. К проблеме классификации систем охлаждения крупных электрических машин. Сборник статьей "проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования", вып. 3, ОЭЭП РАН, СПбГТУ. 2001. С 158 165.

40. Потемкин В. Г. MATLAB: Справ, пособие. М: Диалог-МИФИ, 1987.

41. Потемкин В. Г. Система MATLAB 5 для студентов. М. Диалог-МИФИ, 1988.

42. Гультяев А. MATLAB 5.2: Имитационное моделирование среде Windows. СПб: КОРОНА принт, 1999.

43. Али Б. Научные критерии классификации и выбора систем охлаждения электрических машин. Учеб. пособие под редакцией И. Ф. Филиппова. СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 2001.

44. Данько В. Г. Оценка разных способов охлаждения крупных электрических машин. В кн.: проблемы создания турбо- и гидрогенераторов большой мощности. Л. "наука" 1971, с. 64 69.

45. Базаров В. Н. Оценка конструктивного совершенства систем охлаждения электрических машин. "Электротехника", 1973, № 1, с. 84 -85.

46. Токов М. И. Проектирование электрических машин. Вып. 2, Л., 1975

47. Отчет о научно-исследовательской работе "исследование системы воздушного охлаждения ротора турбогенератора мощностью 200-250 МВт на полномасштабной модели" № 170, "Электросила", 1993.

48. Карташова Т. Н., Филиппов И. Ф. Теплообмен в электрических машинах. Санкт-Петербург 1996.

49. Хуторецкий Г. М. Проектирование и расчет современных двухполюсных турбогенераторов. Л. ЛПИ, 1962.

50. Joho R., Baugartner J., Henkel Т., Stephan С. E., Type-tested air-cooled turbo-generator in the 500 MVa range. ABB Alstom Power Ltd "Switzerland" Session 2000, paper 11-101.

51. Stephan C. E., Baer J., Joho R., Schu R., Advaanced technologies for lager air-cooled tur generators with highest unit-raitings. CIGRE Sess 1996, paper 11-101.

52. Mayle R. E., Hess S., Hirsch C, Wolfersdo J. Rotor-stater gap flow analysis and experimer IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. No. 2, June 1998.

53. Кади-Оглы И. A., Карташова Т. Н, Шалаев В. Г. Проблема повышения эффективности воздушного охлаждения турбогенераторов // Сб. "Электросила" Санкт-Петербург. 2000, № 39, С. 22 26.

54. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин, (перевод с нем.) Под ред. В. В. Мальцева. М. Л. "Госэнергоиздат", 1961.

55. Борисенко А. И. Данкько В. Г. Яковлев А. И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. "Энергия" М. 1974.