Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора

Описана методика квазистационарного расчета методом конечных элементов термомеханических характеристик изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора ТГВ-200. Приведены результаты исследований возникающих в процессе пуска перемещений и напряжений узлов стержня в его активной и лобовой частях....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2003
Автор:	Кучинский, К.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2003
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143678
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора / К.А. Кучинский // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 4. — С. 48-51. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-143678
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1436782018-11-09T01:23:00Z Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора Кучинский, К.А. Електричні машини та апарати Описана методика квазистационарного расчета методом конечных элементов термомеханических характеристик изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора ТГВ-200. Приведены результаты исследований возникающих в процессе пуска перемещений и напряжений узлов стержня в его активной и лобовой частях. Описано методику квазістаціонарного розрахунку методом скінченних елементів термомеханічних характеристик ізоляції обмотки статора при пуску турбогенератора ТГВ-200. Наведено результати досліджень переміщень та напружень вузлів стержня у його активній та лобовій частинах, які виникають у процесі пуску. A technique allowing calculating thermomechanical parameters of isolation in the stator winding of turbogenerator TGV-200 by finite elements method is described. Moving and tensions of the turbogenerator bar in his active and frontal parts, arising up in the process of starting, is explored, and results are presented. 2003 Article Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора / К.А. Кучинский // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 4. — С. 48-51. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143678 621.313.322 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Кучинский, К.А. Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора Електротехніка і електромеханіка
description	Описана методика квазистационарного расчета методом конечных элементов термомеханических характеристик изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора ТГВ-200. Приведены результаты исследований возникающих в процессе пуска перемещений и напряжений узлов стержня в его активной и лобовой частях.
format	Article
author	Кучинский, К.А.
author_facet	Кучинский, К.А.
author_sort	Кучинский, К.А.
title	Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора
title_short	Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора
title_full	Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора
title_fullStr	Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора
title_full_unstemmed	Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора
title_sort	термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2003
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143678
citation_txt	Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора / К.А. Кучинский // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 4. — С. 48-51. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT kučinskijka termomehaničeskoesostoânieizolâciiobmotkistatorapripusketurbogeneratora
first_indexed	2025-07-10T17:42:37Z
last_indexed	2025-07-10T17:42:37Z
_version_	1837282738592284672
fulltext	48 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 ISBN 966-593-254-4 УДК 621.313.322 ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТКИ СТАТОРА ПРИ ПУСКЕ ТУРБОГЕНЕРАТОРА Кучинский К.А., к.т.н. Институт электродинамики НАН Украины Украина, 03680, Киев-57, пр. Победы, 56. тел. (044) 441-25-64. Описано методику квазістаціонарного розрахунку методом скінченних елементів термомеханічних характеристик ізоляції обмотки статора при пуску турбогенератора ТГВ-200. Наведено результати досліджень переміщень та напружень вузлів стержня у його активній та лобовій частинах, які виникають у процесі пуску. Описана методика квазистационарного расчета методом конечных элементов термомеханических характери- стик изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора ТГВ-200. Приведены результаты исследований возни- кающих в процессе пуска перемещений и напряжений узлов стержня в его активной и лобовой частях. В настоящее время большинство энергетических электромашин и, в частности, турбогенераторов (ТГ) ТЭС и АЭС, полностью отработали свой расчетный ресурс. Поэтому важнейшей проблемой в энергетиче- ском электромашиностроении является необходи- мость продления надежной и эффективной эксплуата- ции ТГ сверх нормативных сроков, установленных соответствующими инструкциями и стандартами. Необходимо учитывать, что современный этап развития электроэнергетики характеризуется манев- ренностью ТГ АЭС по реактивной мощности, манев- ренностью по активно-реактивной мощности, часты- ми пусками и остановами ТГ ТЭС и ГЭС, обуслов- ленными дефицитом активных и реактивных мощно- стей. При этом возрастает преимущественное влияние частых циклов пуск - останов на увеличение повреж- даемости ТГ и ускоренный износ различных его узлов в маневренных режимах работы. Наблюдения об отказах и повреждениях узлов ТГ позволили установить, что основными причинами повреждений статора ТГ мощностью 160 - 320 МВт являются повреждения активной стали и обмоток вследствие местных перегревов, ослабления прессов- ки активной стали и ее вибрации, ослабления пазовых клиньев и крепления лобовых частей обмотки [1]. Как отмечается в работе [10], степень ослабления прессовки сердечника статора существенно зависит от уровней нагрева его железа и обмотки. Существенная неравномерность усилий под гайками стяжных ребер на ТГ мощностью 200, 300 МВт может привести к критическим механическим напряжениям в сердечни- ке, в особенности в зоне распорок. Вклад в деграда- цию статора ТГ вносят и термомеханические воздей- ствия в маневренных режимах эксплуатации. Числен- ные эксперименты позволили количественно оценить вклад циклических температурных воздействий на термомеханику статора и определить предельные слу- чаи, когда температурные воздействия могут пред- ставлять опасность для сердечника. Режимы пуска и останова - характерные манев- ренные режимы ТГ. При изменении нагрузки в основ- ных узлах ТГ возникают неравномерные тепловыде- ления, что приводит к взаимным перемещениям раз- личных его конструктивных частей. Повышение локальных тепловых нагрузок, зна- чительное увеличение нагрева активных и концевых частей сердечника статора может привести к его ин- тенсивной деградации и повреждаемости. Взаимные перемещения стержней обмотки отно- сительно железа статора в связи с различием их ко- эффициентов теплового расширения могут приводить к повреждениям изоляции и деформациям обмотки. В работе исследуется влияние нестационарного температурного поля на величины термомеханических перемещений и напряжений в элементах изоляции стержня обмотки статора со стороны турбины в про- цессе пуска турбогенератора ТГВ-200 мощностью 200 МВт от нуля до номинального значения нагрузки. Для получения наиболее полных результатов ис- следования проводились численно при помощи мето- да конечных элементов (МКЭ) [4, 8]. Общепринятая формулировка МКЭ предполагает отыскание поля перемещений на основе данных тем- пературного поля и термомеханических коэффициен- тов применяемых материалов, после чего вычисляют- ся компоненты деформаций и напряжений в элемен- тах с учетом соответствующих начальных и гранич- ных условий. Перемещения рассчитываются в узлах сетки, на- кладываемой на исследуемую область (железо стато- ра, медь обмотки, изоляция), деформации и напряже- ния - в элементах. В процессе минимизации потенциальной энергии упругого тела получаются интегралы, которые входят в уравнения для элементов [8]:  V T dVBDBK ]][[][][ . (1) ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 49 },{][ }]{[][][}{ 0 PdS P P P N dVDBdV Z Y X Nf S z y x T V T V T                           (2) где [B] - матрица градиентов, связывающая деформа- ции и перемещения; [D] - матрица упругих констант, описывающая механические свойства;  0 - начальная деформация элемента, связанная с тепловым расширением; [N]- матрица функций формы; X, Y, Z - объемные силы; Px, Py, Pz - поверхностные нагрузки; {P} - вектор-столбец узловых сил. Для решения задачи в случае плоского напря- женного состояния используем треугольный сим- плекс-элемент с шестью компонентами узловых пере- мещений. В результате минимизации матрица жесткости элемента записывается как:         StBDBk Т  , (3) где t - толщина элемента, S - его площадь. Вектор нагрузки элемента, обусловленный теп- ловым воздействием:         StDBf Т  0 . (4) Матрица жесткости конечного элемента устанав- ливает однозначную связь между векторами узловых усилий и узловых перемещений. Выражения для матриц градиентов, упругих кон- стант, вектора начальной тепловой деформации эле- мента подробно рассматриваются в работе [7] Полная система уравнений элемента для расчета неизвестных перемещений U в узлах:    f U U U U U U k m m j j i i                          2 12 2 12 2 12 . (5) Полученная система алгебраических уравнений разрешается методом блочного исключения по Гауссу. После определения перемещений в узлах компо- ненты деформации в элементе определяются решени- ем системы:                                          m m j j i i xy y x U U U U U U B 2 12 2 12 2 12 . (6) Компоненты напряжений    xyyx T  ,, в элементах вычисляются по закону Гука:          0 DD (7) либо через узловые перемещения:            0 DUBD . (8) Приведенные выше теоретические положения реализованы в виде пакета прикладных программ для ПЭBM на языке ФОРТРАН. Областью исследований являлась наиболее на- гретая половина нижнего стержня (пазовая и лобовая части) обмотки статора ТГВ-200 со стороны турбины. Для расчета термомеханических характеристик использовались установившиеся (эксперименталь- ные) пространственные распределения уровней нагревов меди, изоляции стержня и основных составляющих сердечника статора (коронки, середина, основания зубцов, ярмо) в аксиальном направлении от середины генератора до концевых зон со стороны турбины в номинальном режиме по результатам работ [2, 9]. Для исследования перемещений и напряжений использовались следующие коэффициенты теплового расширения, модули упругости и коэффициенты Пу- ассона соответственно: 1 – для изоляции [6]: C/11035,1 5  , МПа1085,1 4E ,  =0,39; 2 – для меди [6]: C/1107,1 5  , МПа101,1 5E ,  =0,33; 3 – для сердечника статора [3]: C/1101,1 5  , МПа1025,1 5E ,  =0,30. Предполагалось, что процесс пуска ТГВ-200 из холодного состояния осуществлялся за 20 мин (т.е. скорость набора нагрузки от нуля до номинальной мощности составляла 10 МВт/мин). При этом собст- венно нестационарный тепловой процесс рассматри- вался для промежутка времени 50 мин с целью дос- тижения температурами соответствующих узлов ста- тора (стали сердечника, меди обмотки, изоляции стержня) своих установившихся значений (или доста- точного приближения к ним). На первом этапе предварительно рассчитывались перемещения на половине сердечника статора в акси- альном сечении в зависимости от времени по извест- ному соотношению: )()( 0 iFeiFeFeiгрi tTltu  , (9) где 5,20 Fel м – начальная длина половины сердеч- ника статора. Изменение температуры стали )( iFei tT в интер- вале времени 200200  t мин описывается зави- симостью: 50 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 ISBN 966-593-254-4                 Fe i T t Feном iFeiiFei e t T tTtT 1)()( 200 1)1( , (10) где )( iFei tT - температура в определенной простран- ственной точке сердечника статора в момент времени it ; )( 1)1(  iFei tT - соответственно темпера-тура сер- дечника статора в момент времени 1it ; FeномT - ус- тановившаяся температура сердечника статора в ре- жиме номинальной нагрузки; 200t = 20 мин - время процесса пуска; it - текущий момент времени; FeT =10 мин - тепловая постоянная времени железа стато- ра. В промежутке времени 5020t = (20 - 50) мин предполагается, что кривая нагрева описывается сум- мой экспонент:                     1 0200 . 200 1)( t k T tkt Feном iiFe Fe i e t TtT , (11) где t = 1 мин - шаг по времени нестационарного про- цесса нагрева. На рис. 1 показано изменение нагрева в середине модели сердечника статора (кривая 1). 0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 Т,С t, мин 1 3 2 Рис. 1. Нагрев сердечника статора и изоляции стержня при пуске ТГВ-200 Полученные величины перемещений сердечника статора для каждого момента времени it (рис. 2) слу- жат граничными условиями I рода для узлов модели лобовых частей обмотки в местах вязки стержней к опорным кронштейнам и кольцам бандажами из стек- лошнура. 0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 10 20 30 40 50 ux, мм t, мин Рис. 2. Перемещения Ux узлов в середине модели сердечника статора при пуске ТГВ-200 Относительно характера нагрева изоляции в па- зовой и лобовой частях стержня при пуске ТГ необхо- димо отметить следующее. Результаты работы [5] по- казали, что “изоляция в электрических машинах (ЭМ) нагревается значительно быстрее стали, а с медью – одинаково, и для правильного выбора мощности ЭМ при нерегламентированных перегрузках ее по току следует учитывать постоянную времени нагрева меди обмоток, поскольку температура меди и изоляции одинакова, а основным информационным параметром о надежной работе ЭМ является температура изоля- ции“. Таким образом, нагрев изоляции в зоне лобовых частей описывается аналогичными (10) и (11) зависи- мостями: в интервале времени 200t = (0 - 20) мин                  Cu i T t Cuном iCuiiCuiiлобi e t T tTtTtT 1 )()()( 200 1)1( , (12) где CuT = 3 мин - тепловая постоянная времени меди обмотки; в интервале времени 5020t = (20 - 50) мин                     1 0200 . 200 1)()( t k T tkt Cuном iCuiiлобi Cu i e t TtTtT .(13) В пазовой же части стержня (активной зоне ТГ) температуры изоляции для каждого момента времени принимались равными средним значениям между уровнями нагревов стали и меди с учетом соответст- вующего характера их изменения. Повышение температур изоляции при пуске ТГВ- 200 в середине пазовой и лобовой частей стержня об- мотки отражает рис. 1 (соответственно кривые 2 и 3). Приближенное численное решение МКЭ задачи термоупругости имеет вид компактного ряда значений перемещений в узлах и напряжений в элементах модели. Представление об изменении величин узловых пе- ремещений по оси х на внешней границе изоляции в се- редине пазовой (кривая 1) и лобовой (кривая 2) частей стержня обмотки в зависимости от времени дает рис. 3. ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 51 0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 10 20 30 40 50 ux, мм t, мин 2 1 Рис. 3. Перемещения Ux узлов изоляции в середине пазовой и лобовой частей стержня обмотки статора при пуске ТГВ-200 Из полученных результатов следует, что нелинейный характер изменения узловых перемещений изоляции обусловлен соответст- вующими начальными и граничными условиями в исследуемой области. Максимальные величины наблюдаются в конце процесса пуска и зависят от уровней нагревов стали зубца и меди обмотки. В работе [4] отмечается, что напряжения в материале, находящемся внутри конечного элемента, определяются разностью между существующими и начальными деформациями тела, обусловленными температурными воздействиями. Компоненты термомеханических напряжений в элементах изоляции нижнего стержня при пуске ТГ приведены на рис. 4 (кривые 1, 2 - соответственно по осям x и y в середине пазовой части; кривые 3, 4 - по осям x и y в середине лобовой зоны). -100 -80 -60 -40 -20 0 0 10 20 30 40 50 1 3 24 t, мин , МПа Рис. 4. Напряжения x , y в элементах изоляции в середине пазовой и лобовой частей стержня обмотки статора при пуске ТГВ-200 Результаты исследований показали, что рассчитанные значения термомеханических напряжений в элементах изоляции по оси x при пуске ТГ в конце процесса набора нагрузки по абсолютной величине существенно меньше предела ее прочности (80 - 90 МПа) (кривые 1, 3), а по оси y близки или даже превышают ее разрывную прочность. Таким образом, неравномерный характер нагрева ТГ в кратковременном режиме пуска вызывает взаимные перемещения обмотки и сердечника, дополнительные и уже опасные термомеханические напряжения материалов, что повышает износ изоляции и может привести к снижению эксплуатационной надежности машины. Кроме того, при большом числе тепловых циклов ТГ (периодические пуски - остановы) возможны повреждения как в концевых зонах, так и в средней части статора. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. В работе описана методика квазистацио- нарного численного расчета термомеханических ха- рактеристик изоляции стержня обмотки статора при пуске турбогенератора. 2. Выявлены общие закономерности распределе- ния перемещений и напряжений в элементах при ра- боте ТГ с переменной нагрузкой. 3. В конце процесса набора нагрузки значения термомеханических напряжений в элементах изоля- ции по оси y близки или даже превышают ее разрыв- ную прочность, что может привести к снижению на- дежности машины. ЛИТЕРАТУРА [1] Азбукин Ю.И., Аврух В.Ю. Модернизация турбогенера- торов. - М.: Энергия, 1980. - 232 с. [2] Беднарчук Ю.В., Гринченко Н.Г., Езовит Г.П. и др. Ис- следования режимов и усовершенствование конструк- ций мощных турбогенераторов (турбогенераторы типа ТГВ-200 и ТГВ-200М). - К: Наук. думка, 1972. - 178 с. [3] Глебов И.А., Данилевич Я.Б. Научные основы проекти- рования турбогенераторов. - Л.: Наука, 1986. - 184 с. [4] Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике.-М.: Мир, 1975. – 541 с. [5] Карпенко В.Н., Политучий А.И. Моделирование процес- са многоступенчатого нагрева электрических ма- шин//Техн. електродинамiка. - 2002. - Тем. вип. Ч.5. - С. 35 - 38. [6] Кулаковский В.Б. Работа изоляции в генераторах: Воз- никновение и методы выявления дефектов. - М.: Энер- гоиздат, 1981. – 256 с. [7] Кучинский К.А. Исследование термомеханических пе- ремещений и напряжений в изоляции статорной обмот- ки мощного турбогенератора//Електротехнiка i Елек- тромеханiка. - 2003. - № 1. - С. 60 - 63. [8] Сегерлинд Л. Применение метода конечных элемен- тов.-М.: Мир, 1979.- 392 с. [9] Счастливый Г.Г., Федоренко Г.М., Выговский В.И. Турбо- и гидрогенераторы при переменных графиках нагрузки. - К.: Наук. думка, 1985. - 208 с. [10] Шидловский А.К., Федоренко Г.М., Кузьмин В.В. Фундаментальные и прикладные исследования в области энергетического электромашиностроения на пороге III-го тысячелетия//Новини енергетики. - 2001. - Спец. вип. № 9. - С. 20 - 28. Поступила 28.09.2003

Термомеханическое состояние изоляции обмотки статора при пуске турбогенератора

Репозитарії

Схожі ресурси