автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Термомеханические процессы в стержневых обмотках турбогенераторов с водяным охлаждением

лэясмякз госу^арстзз^ыл технический. теиза-ШЕГ

На правах рукогагаг

ИССД РАТИБ НА:«

Т5Р1:0:/ЕХ.^ИЧЗСКИЕ ПРОЦЕССЫ Б СТЖНЕБЬГХ ОБМОТКАХ ТУРБОГЗпЕРАЮРСБ С БОДЯНЫМ ОХЯАНЙЕНИЕМ

Специальность 05.09.CI - электрические мажкы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград-1991

Работа выполнена s Ленинградском гооударс'ГБс;н:-к.>;: техническом yiws&pczrsra на кафедра "Злектричоскке .

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

М. В. д-АРТЬЯНОБ

Официальные оппонента - .доктор технических наук,

профессор ВршскхХ '¿.к. - кандидат технических наук , доцент Ваксер K.M.

Ведущая организация - НИИ Ленинградского производственного

электромашиностроительного объединения "Электросила" жени С.М.Кирова.

Защита диссертации состоится "■/^"/W/i'i'llf^'i г. в /^^ча-ссз на заседании специализированного совета К.063.33.15 Ленинград' ского государственного технического университета по адресу: I9525I, Ленинград, Политехническая ул., 29, главное здание,

ауд. 3(У5> ) •

С диссертацией мочно ознакомиться з фундаментальной библиотеке университета.

- Автореферат разослан " с'1/ 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент С.А.Ваянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность пробле?-!. Ваттной задачей в комплекса проблем, вязанных с обеспечением требуемого уровня уксияуа-гэциожсЯ на-эшгости мотгых турбогенераторов, язяяется установление пркчин-с-следствеккых сапзей между реальными условиями эксплуатации и араметрами, опредеяяадими работоспособное состоя:гае важнейших цементов конструкции.

Статистический анализ поь—зывает, что в современных турбэ-енераторах обмотка статора .гвляотея одним из наименее надежных зло в конструкции.

Наиболее существенным« т* акторами, снижающими электрическую рочность изоляции стержней, является тепловое и механическое гарёние, а также циклические термомеханические нагрузки, при.об-?тащие особую опасность в условиях маневренных реяимов зкеплуа- . удии и различных аварийных ситуациях в системе охлаждения. Воз-жа-оцие при этом тепловые наприкения и деформации могут также ;иводить к пс влегато локальны:« нагревов вследствие повреждения юляции и перекрытия каналов охлаждения, что способствует понашита дополнительных приращений тепловых деформаций.

Разработка методов стабилизации тармомеханичэского состоя-[Я обмотки при переменных р -¡жи^ех эксплуатации является актуаль->й задачей, направленной ка повышение эксплуатационной нааежно-•и турбогенераторов.

Цель работы и задачи исследования. Настоящая работа направ-на на исследование перехо.глых термомеханических процессов з зржнехжх обмотках турбогенераторов с водяным охлаждением, воз-кащих при различных эксплуауационно-азарийных ситуациях з цэ-х повышения их эксплуатационной надежности. . . ■

Основными задачами работы являются

1. Разработка математической модели и методики численного допирования переходных термоыехаяических полей и процессов в ержневых обмотках мощных турбогенераторов при различных эксп-атациопно-аварийнкх ситуациях.

2. Определение переходных термомеханичзехих характеристик, язывахщих конкретные изменрг-чя рабочего рекима с теяяоЕыма л пмомсханическими процессами ь обмоткэ.

3. Разработка ».'.етодпки моделирования и кссгадозапие процесса тепловой стабилизации те.рксузхалкчеокого состояния сойотки при п.ереманнж нагрузках. . .

Методик*. исследования базируется на гс&рсыеккоЯ методологии численного эксперимента. В оснс^у ыотодикя поло-:г:н математические модели ¡зысокого уровня адекватности и аффективные алгоритм их реализации на ЭВМ.

Няугиая »органа. Поя решении научной звдэ»* р&счетнс-теоре-тичесиого исследования эксплуатацяокко-пзарийных переходных тер-: мсмеханичееких процессов в стержневой обмотке турбогенератора с водяным охлаждением разработаны следующие новые положения.

1. Математическая модель и методика численного моделирования переходных термомеханичегккх полей и процессов в стзржнеьых обмотках при различных'экеллуатэциоино-аааркйгяк ситуациях.

2. Переходже термсызханичзские характеристики, связывающие конкретное изменение рабочего режима с тепловыми и термомеханическими процессами в обмотке.

3. Методика моделирования и результаты исследования процесса стабилизации терчоыехакического состояния обмотки при переменных графиках нагрузки.

Практическая ценность результатов. Разработанная математическая модель и полученные переходные термомеханические характеристики обмотки могут' быть испо.чьзоЕакы при совершенствовании существующих и разработке новых конструкций изоляции стержневых обмоток, а также нормировании условий эксплуатации турбогенераторов.

Результаты и методика моделирования процесса тепловой стабилизации термомехенического состояния обмоток могут быть испол: зованы при практ1. ¡еской реализации аналогичных процедур в реальных условиях эксплуатации.

Результаты диссертационной работы использованы в ДГТУ при выполнении научно-исследовательских оабот по повышению надежное ти мощных турбогенераторов.

Апробация работы. Основные результаты исследований доклада вались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры электрических машин ЛГТУ.

Пубсикацк;:. По результатам знполчечн^ исследования опубликована. одна статья.

Объем работа. ДчссеА тационкая работа состояв из гвгдечия, четырех глав, заключения и приложения, список литературы кз 119 наименований, содер>кит £0 страниц машинописного текста, б таблицы и '46 рисунков на 50 страницах.

КРАТКОЕ иОДЕР/ш'ШЖ РАБОТЫ

Во вваш?нии обосновывается актуальность тема. О'.омечается, что е работах Счастливого сформулирован комплекс фундаментальных задач надежности эле трических ..'.ашин, з работах Гурови-ча Э.И. и Рыбина ЮЛ. разработаны математические аналитические модели переходных тепловых процессов, в работах Зэхсера В.Д., Хазанова А.И., фирмы "Сименс'" предстал лека результаты физических экспериментов по'исследовак'-яс тепловых напряжений э стерхневнх обмотках генераторов с во;тным охлаждением в условиях переменных тепловых нагр„ зек. Далее во введении формулируются задачи диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.

3 первой главе представлена статистика отказов стержневых обмоток. Отмечено, что одной из основных причин отказов турбогенераторов явотэтея заводские дефект:. причем особое значение тлеет качество изготовлен»:: . Статистика показывает, что примерно одна треть всех аварийных остановок турбогенераторов обусловлена изоляцией обмотки статора.

Повреждения обмотки статора происходят вследствие элзктри-ческого пробоя изоляции обмотки. Основное условие.возникновения пробоя состоит в наличии участков пониженной электрической прочности в изоляции обмотки. Тгкчэ участки могут появиться вследствие дефектов изготовления, ловрождений при монтаже обмотки или возникнуть и полутать развтие в процессе эксплуатации или ремонтных работ.

Рассмотрены также основные закономерности старения изоляции стержневых обметок под действием различных факторов, определяемых эксплуатационным" условиями работа .турбогенератора. По-ч-азано, что термомехяническиэ нагрузки язляются наиболее сущ^ст-знннм и наименее изученным фактором снижения их эксплуатационной ^яде^носги.

Во втстой главе рассматривается численная математическая модель переходных термомеханических процессов в стеркневых обмотках с водяным охла^кдзнием.

' Представленная методика ориентирована на лсснздованке термомеханических процессов в двухслойных стертлевнх обмотках статора отечественных турбогенераторов серии ТЕВ и ТЗй с водянки охлаждением. Стержень данных типое турбогенераторов выполнен из некоторого числа элементарных изолированных проводников прямоугольного сечзн я. Часть элементарных проводников выполняется полым. Каждый полый проводник с близлежащими сплошными образуют группу. Для полной компенсации Ц1гр;;уяя1 ;конных тонов, зооника-ощи из-за пазового рассеяния, выполняется транспозиция проводников на, 360°.

Исследование переходных термомеханичееккх процессов в обмотке турбогенератора с непосредственным охлаждением проводилось на'основе метода математического моделирования, предпола-гзицого математическое описание физического процесса в виде сис темы дифференциальных уравнений в частных производных при соответствующих условиях однозначности. При построении математичес-кс.; модели приняты следующие допущения: I) стержень теплоизолирован; 2) реальная транспозиция элементарных проводников заменена ступенчатой с шагом в одну группу; 3) температура меди в .поперечном сечении группы проводников принимается одинаковой; 4) физические параметры охлаждающей воды, активных материалов » изоляции приняты независящими от температуры; 5) не учитываются тепловые потоки вдоль длины меди витков (считается, что тепловс 'поток в воду существенно больше, чем вдоль меди витков).

С учетом принятых-допущений математическая формулировка з< дачи по расчету температурного поля сводится к решению уравнен! нестационарной т плопроьодности в расчетной области, представленной на рис. I.

Н -с Ч' * ы *

— Ген — зд 3

Крзявыа условия при этом имеют вид: - граничные условия

/-у

— О - на. поверхности катушки, где /?•/ - нормаль к

6Ш поверхности;

« -Я. - , - на вяутэежгах оопря?:«4;-

*дПй. и спя и

ных границах медь-изоляция, где П,2 ~ нормаль к соответств^эдой горнице;

- начальное условие

~ о - е начальный момент времени т. - С. Здесь обозначено: О - превышение температуры над кабальной температурой охлакдавдцей среды; - коэффициент -т^плоцрозод-ности материалов сроды; Су - удельная объемная теплоемкость материалов среды; "Ь - время; - производительность внутренних источников тепла; сх^ П„ (/9~ - удельный на единицу длина канала тепловой ноток в охлаж^аиций какал; - коэффициент теплоотдачи в канал ; П^ - периметр канала; ^ превышение температуры воды в канале над температурой входящей воды, принятой равной " О . ,

Подогрев охлаздаацей воды б канапе определяется из уравнения

/Э д _ с

л и начальном С?* —

при следящих граничном ^ и начальном _ с

условиях. Где - удельная объемная теплоемкость води;

- сечение канала; - скорость движения охлаждающей поды; Х- ~ координата, совпадающая с потоком охлаждающей среды в канале полого элементарного проводника.

Численное решение сформулированной задачи (2) и (2) было выполнено по явной схемс методой конечны?: разностей.

Конечно-разностные аналоги дифференциальной задачи примут

вид:

6/■ ч

/ г\>п _гг,

л I н ^ \ . А (н ■ \

\ ЧчфГ + ^ [ '¿'*) +

А . (¿Г ¿Г Л + О -

¿Г" - в: „ '.

о с>,\ '-а" ^-И

*'дл ДлЛ где Лу/•

¿2; • = 3 (АХИЩ-ЖЧ .

1г у — '

Здесь - превышение температуры в сеточном узле с ,

^ , к. в момент времени ; - превышение температу-

ры в сеточном узла с , ^ , £ в момент времени = ;

, Д Ь - шаги дискретизации соответственно по пространственной и временной координатам.

Величина продольных напряжений в поперечном сечении ^—¿¡^ на момент времени Ь = 1квепистационаркая задача) могут быть получены из следующих выражений:

Он«? V г

с (к .

_ \ fi -'Ун ____¡ñ)

'- (L

• Г! //-

í Q/ ¿O

где J --~ U^y? - среднее значениз -vswr.oparyp« в сечсчик

скеркня площадью t~ ; , 0{Lc - коэффициента теплом г:

расширения соответственно для мздл и иеслкцуги; , <-'и -

модуль упругости соответственно для г.еди и изоляции.

реформация изоляции при этом определяется ьыьачением:

С™ - ■

Определение средней интегрально" температура для :«едп к

изоляции проводилось численным методом: ■ £

Лл • у ■ "¡V Jr - ^ '1

- ¿ ~ 'y "

Расчет термомеханических 'дсЯюркягкй у, напряжений основывался на результатах теплового расчета, представленного тладо. средне иктегральггых по сеченки превшений температур м-.,ли и изоляции над абсолютной температурой входящей в обмотку охляжда-о-¡цей сре,ш , принятой в тепловом расчете раьмой нулю.

Поэтому полученные значения напряжений'и деформаций, также являются приращениями эткх вели чин, вызванной изменениями темпе' ратуры относительно абсолютной температуры входящей воды

1л. .

Численный расчет температурного поля исследуемой области производился на ЭВМ серии СМ--3 и на ПЭВМ кафедры электрических машин ДГТУ, по специально разработанной программе, составлонноЯ на входном языке "'ФОРГРАН ГУ"' и ча "ФЭРТРЛН-7У".

3 третьей главе ргссматр'/.озются аналитические математически* мзде.та псрс-ходгаос теряодехгишчсгких процзссов и анализ адэк-з.'-.т^осте ч/зл;;:!«® рокх-ний.

Просте!*.:«* коде.чыо аналитической теории теплопроводности язляетс-к адиабатический нагрев, соответствующий некоторому о'.;>.г/г:о:'у рп'-г.рздеясжьэ плотности потерь Ч , отсутствия теплообмена с охргкагацей средой ( о\ ~ О ) к низкой внутренней' теплопроводности тела ( л - О ).■ В этом случае скорость на-ростання те:л:юратури б кахдоЯ точке тела остается постоянной

А) С, _ = __Д ^ (7)

Другой наиболее широко распространенном моделью расчета нестационарного нагрова проводников сбмоток электрических машин ягпяется модель основания на классической теории нагрева твердого изотропного тела с бесконечно больпой теплопроводностью ( Л —_ ) > Данная модель учитывает теплоотдачу ( с< ^с О ) в окручггдазу» сроду с температурой 61„о -- Ун • Уравнение тепло-лого баланса з отом случае имеет вид

+ = , (8)

1 ас '

где V - объем мзди обмотки, Р - площадь поверхности охлаиде-ния. Решение данного уравнения мо-хэт быть предстазяено в виде

о / Л -(-/г

С)(1) в /-<2 ) + 9н& , (9)

— - установившаяся температура обмотки, ~

-Г ■€„ V

■ ;;лч!--;1л тскперг.тупа обмотки, / = ■ — - постоянная времени ■*•-■■ "'"-Г'.'.'¡кн. Ирм <^<5/./ уравнение описывает процесс оставайся об; и

'Лг.пг.ппггоскал модель проводника с внутренним охлаждением и уютом ого подогрева по длине Формулируется при еяепукгаих до-пулг'зчиях:

1) раеприда.ленче темпер«??»' одномерно по длине;

у

?.) начальная температура проводника равна начальной температуре схлаждагацей среды;

3) потери возраста»? мгновенно;

4) отсутствует теплообмен на внешней поверхности проводчика;

5) 'не учитывается продольная теплопроводность стенок проводника и потока охлаждающей среды.

Тогда приближенное аналитическое решение для наиболее нагретого выходного сечения проводника с внутренним водяным охлаждением может быть представлено ломаной линией с участком адиабатического нагрева

где б1( — (уу)-1-4)- установившаяся температура 1три ~Ь7/ ;

/у —(^ -/■ •/) (У -+■ гг" - время выхода на установившийся

режим; /71 — , (о — _—< ^ - безразмерные параметры;

Д . ' Суд/ V"

При необходимости представления указанной зависимости в экспоненциальной форме возможно использование следующей зависимости

** О© • 4

где

еъ V-

В случае мгновенного прекращения циркуляции охлаждающей воды выходу на адиабатический режим

30 = % (К)

предшествует некоторый промежуток времени (единицы, несколько десятков секунд), в конце которого завершается процесс выравнивания скоростей нарастания температур проводника и неподвижной воды.

С момента прекращения циркуляции охлаждающей среди процесс может быть рассчитан по выражению

Л) - ? А + Т ГУ €

1+ ^ 1 *

Л - -

+ hL.

V- -о {- JL ' * 4 т:- а /'

* с, - ?

ri V

f—rr > (И)

/V

где A — -p:_ ^ G; _ v---:~ • y _

■'да 1 CV,-/ /'v c cxc £

При час -гном, но также мгновенном сокращении расхода переходный тепчозой режим может быть приближенно списан следующим Б1.п:а*:екием t/7}.

à ),' т.)

г//^Vм

>1v _ С) у/' / , > _ Q 1/f J__ ✓ > A' 4 'A?/- & /v ^¿ZWJ

- исходная к конечная установившиеся температуры; , £-, , С<, , сД - походные и конечные расхож и коэффициенты тепло-с-тлпщ.

-'.'л.тазация теплового состояния обмоток в условиях переменных г.-а;-рузок возможна путем коррекции уровня расхода охяая-чгжщой среды. Величина компенсационного расхода

при переходе из режима с нагрузкой А/ к режиму с нагрузкой = /у , где - -со:-?:;;тциент изменения нагрузки, может быть приближенно опреде.''0'.:ч, следующим образом

-Ч СИ

£ о , ! >

~ v J1 F '

Так как cV2 тз овов очередь является функцией расхода , то окончательное значение может быть получено на основе метода последовательных приближений.

Подготовлены такте числовые характеристики исследуемой математической модели для турбогенератора типа Т8В-320.

Анализ адекватности разработанной математической модели проводился путем сопоставления чиг.лен;гьк и аналитических решений для ряда тестовых задач.

Четвептач глава псспяяена численным исследованиям т»рмоме-хонлчоских процессов в стер*невч",: обмотках при различных эксяяуа-тационно-аварий;:;« режимах раблtu турбогенератора, а такте э

условиях тепловой стабилизации их тепломеханического с:остог.нг.я

путем регулирования расхода и начальной температурь/ охлаждающей среды. Некоторые результаты ппедстазле;а ниже.

1. Двухкратный наброс нагрузки с последующим ее сбросом до первоначального уровня.

Изменение соотношения между тсядиерс.турами меда; и изоляции в рассматриваемом переходном процессе (с;,!.рис.2) приводит к перемене знака относящихся к изоляции величия деформаций к напряжений.

2. Наброс нагрузки без охлаждения с последующим его включением .

Полученные результаты представлены на рис.о. Характерным для данного варианта, является возникновение существенных скачков напряжений и деформаций не только на выходном, ко и на входном участке стержней при возобновлении охлаждения нагретой обметки. .

3. Регулирование расхода охлаждающей среды.

Представленные на рис.4 результаты иллюстрируют переходные

термомеханические процессы в обмотках при двухкратном относительно номинального режима набросе нагрузки я соответствующем (15) увс личении компенсационного расхода охлаждающей среды при различных вьщержках времени "С = (0; 0,5; I; 2) мин относительно момента наброс.а нагрузки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей работе выполнено расчетно-теоретическое исследование переходных тормомеханических процессов в стержневой обмотке турбогенератора с водяным охлаждением, возникающих при различных эксплуатационно-аварийных ситуациях. Исследование направлено на решение задачи повышения надежности работы 'гурбогенераторов посредством совершенствования и разработки новых конструкций изоляции стержневых обмоток, нормирования условий эксплуатации , создания систем тепловой стабилизации тормомеханичес-кого состояния обмоток.

Основные методологические положения, разработанные при создании схемы формирования показателей эксплуатационной надежности стержневой изоляции, а также численной модели возникающих

Сопоставление переходных термомс-ханических характеристик обмотки при компенсации каброса нагрузки расходом с разными выдержками времени

в,С

1

Г

ч 0

а

г ч-

3 6-

н 8-

5 • ¡0.

при отсутствии компенсации

-/—Г = 0 мм

= 0.5 Инн ¿ —ТГ = -1,0 ши Ц — К^Омн

В ЪНИН

при ОТСуТСТВ!' компенсации

в ней пнреход.зых термомеханкчееккх процессоз, могут быть использованы г.ри разработке математической модели эксплуатационной надежности стержневой обмотки турбогенератора.

Основ.'-пде палочешш и выводы диссертационно? работы следующие.

1. Рассмотрены основные закономерности старении. изоляции стергшэвь'х обмоток под действием различных фактсрсЕ. Показано, что термсмехачичсские процессы яв.теютгя сзтцественным и наименее илучешгйзд фактором снижения их эксплуатационной надежности.

2. Разработана трехмерная численная математическая модель переходных тормомсханпческих процессов з стержневой обмотке статора турбогенератора типа ТЭВ-320 с водяным охлаждением и учетом транспозиции элементар-я-к проводников.

3. Разработана методика и составлена программа расчета переходных термсмэханичэских процессов в стержневой обмотке с во-дяпам охлаждением. соответствующих некоторым эксплуатационным

и аварийным ситуациям.

Проведено сопоставление численной модели с известными аналитическими математические моделями переходных тепловых процессов в обмотках с водяным охлаждением. Сопоставление результатов подтверждает адекватность разработанной численной модели реальным процессе!.! и хорошо согласуется с теоретическими представлениями о физической сущности принимаемых для' разных модег. Л допущений. Расхо-кдение результатов с имеющимися в литературе экспериментальными данными не превышает (5-11)«.

4. Получены переходные термомеханические характеристики, сЕязывяяцие конкретное изменение рабочего режима с тепловыми и термомеханическими процессами в обмотке.

Установлено, что цри двойном набросе нагрузки максимальное напряжение в изоляции увеличивается примерно в 10 раз, достигая 10 Ша. При сбросе нагрузки соотношение медду температурами меди и изоляции меняется на противоположное, что приводит к изменению знака деформации и напряжения изоляции. При отключении охлаждения в номинальном режиме в течение 6 мин температура меди монотонно возрастает и достигает 51°С, а величина напряжения - 8 Ша. При последующем подключении охлаждения возникает существенная разность температур между медью и изоляцией не только з конце, но к в начале стерши, приводящая к переменным деформациям и на-

пряжениям.

Полная закупорка канала увеличивает температуру соответствующего проводника по сравнения с номинальным режимом на 7,3°С, а при закупорке двух и трех соседних проводников их температура увеличивается соответственно на 7,5°С и 8,б°С.

5. Разработана методика расчста компенсационного расхода и моделирования процесса тепловой стабилизации термомеханическою состояния обмотки с водяным охлаждением при переменгых графиках нагрузки. =

Установлено, что компенсация термомэханических изменений при набросах нагрузки путем увеличения расхода охлаждающей среда эффективна при малых вздержках времени 2 мин. При этом происходит снижение не только времени переходного процесса, но и максимума термомеханических нагрузок.

По материалам диссертации опубликована одна статья.

Мартьянов М.В., Исса Р.Н. Термомехаиические процессы б стержневых обмотках турбогенераторов с водяным охлаждением в маневренных и аварийных режимах эксплуатации. Ленингр. гос.тех-кий ун-т. - Л. , 1991. - 14 с. :, ил. - Деп. в ИНФОРМЗШОТО. 6.05.91, И» 28-ЭТ91.

Подписано к печати ¿У Тираж 100 экз.

Заказул; Бесплатно

Отпечатано ка ротапринте ЛГТУ 195251, Ленинград, Политехническая ул.,29.