Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС

Розроблено математичну модель теплового стану гідрогенератора-двигуна Дністровської ГАЕС. Проведено розрахунки нагріву основних елементів статора ротора в різних режимах навантаження машини. Отримані результати співставлено з даними теплових випробувань гідрогенератора- двигуна. Запропоновано шлях...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Грубой, О.П., Шофул, А.К, Ключников, О.О., Федоренко, Г.М., Кенсицький, О.Г.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України 2012
Schlagworte:	Проблеми безпеки атомних електростанцій
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113301
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС / О.П. Грубой, А.К. Шофул, О.О. Ключников, Г.М. Федоренко, О.Г. Кенсицький // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2012. — Вип. 18. — С. 77-87. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-113301
record_format	dspace
spelling	Грубой, О.П. Шофул, А.К, Ключников, О.О. Федоренко, Г.М. Кенсицький, О.Г. 2017-02-05T19:28:59Z 2017-02-05T19:28:59Z 2012 Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС / О.П. Грубой, А.К. Шофул, О.О. Ключников, Г.М. Федоренко, О.Г. Кенсицький // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2012. — Вип. 18. — С. 77-87. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1813-3584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113301 621.313 Розроблено математичну модель теплового стану гідрогенератора-двигуна Дністровської ГАЕС. Проведено розрахунки нагріву основних елементів статора ротора в різних режимах навантаження машини. Отримані результати співставлено з даними теплових випробувань гідрогенератора- двигуна. Запропоновано шляхи підвищення надійності та навантажувальної здатності агрегату. Разработана математическая модель теплового состояния гидрогенератора-двигателя Днестровской ГАЭС. Проведены расчеты нагрева основных элементов статора и ротора в различных режимах нагрузки машины. Полученные результаты сопоставлены с данными тепловых испытаний гидрогенератора-двигателя. Предложены пути повышения надежности и нагрузочной способности агрегата. The mathematical model of the thermal state of hydro generator-motor of Dniester HPSPP is worked out. The calculations of heating of basic elements of stator and rotor are conducted in the different modes of loading of machine. They got results are confronted with data of thermal tests of hydro generator-motor. The ways of increase of reliability and loading ability of aggregate are offered. uk Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля Проблеми безпеки атомних електростанцій Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС Моделирование нагрева элементов статора и ротора гидрогенератора-двигателя днестровской ГАЭС Modeling of heating elements stator and rotor of hydro generator-motor of dniester HPSPP Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС
spellingShingle	Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС Грубой, О.П. Шофул, А.К, Ключников, О.О. Федоренко, Г.М. Кенсицький, О.Г. Проблеми безпеки атомних електростанцій
title_short	Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС
title_full	Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС
title_fullStr	Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС
title_full_unstemmed	Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС
title_sort	моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської гаес
author	Грубой, О.П. Шофул, А.К, Ключников, О.О. Федоренко, Г.М. Кенсицький, О.Г.
author_facet	Грубой, О.П. Шофул, А.К, Ключников, О.О. Федоренко, Г.М. Кенсицький, О.Г.
topic	Проблеми безпеки атомних електростанцій
topic_facet	Проблеми безпеки атомних електростанцій
publishDate	2012
language	Ukrainian
container_title	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
publisher	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
format	Article
title_alt	Моделирование нагрева элементов статора и ротора гидрогенератора-двигателя днестровской ГАЭС Modeling of heating elements stator and rotor of hydro generator-motor of dniester HPSPP
description	Розроблено математичну модель теплового стану гідрогенератора-двигуна Дністровської ГАЕС. Проведено розрахунки нагріву основних елементів статора ротора в різних режимах навантаження машини. Отримані результати співставлено з даними теплових випробувань гідрогенератора- двигуна. Запропоновано шляхи підвищення надійності та навантажувальної здатності агрегату. Разработана математическая модель теплового состояния гидрогенератора-двигателя Днестровской ГАЭС. Проведены расчеты нагрева основных элементов статора и ротора в различных режимах нагрузки машины. Полученные результаты сопоставлены с данными тепловых испытаний гидрогенератора-двигателя. Предложены пути повышения надежности и нагрузочной способности агрегата. The mathematical model of the thermal state of hydro generator-motor of Dniester HPSPP is worked out. The calculations of heating of basic elements of stator and rotor are conducted in the different modes of loading of machine. They got results are confronted with data of thermal tests of hydro generator-motor. The ways of increase of reliability and loading ability of aggregate are offered.
issn	1813-3584
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113301
citation_txt	Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС / О.П. Грубой, А.К. Шофул, О.О. Ключников, Г.М. Федоренко, О.Г. Кенсицький // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2012. — Вип. 18. — С. 77-87. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT gruboiop modelûvannânagrívuelementívstatorairotoragídrogeneratoradvigunadnístrovsʹkoígaes AT šofulak modelûvannânagrívuelementívstatorairotoragídrogeneratoradvigunadnístrovsʹkoígaes AT klûčnikovoo modelûvannânagrívuelementívstatorairotoragídrogeneratoradvigunadnístrovsʹkoígaes AT fedorenkogm modelûvannânagrívuelementívstatorairotoragídrogeneratoradvigunadnístrovsʹkoígaes AT kensicʹkiiog modelûvannânagrívuelementívstatorairotoragídrogeneratoradvigunadnístrovsʹkoígaes AT gruboiop modelirovanienagrevaélementovstatorairotoragidrogeneratoradvigatelâdnestrovskoigaés AT šofulak modelirovanienagrevaélementovstatorairotoragidrogeneratoradvigatelâdnestrovskoigaés AT klûčnikovoo modelirovanienagrevaélementovstatorairotoragidrogeneratoradvigatelâdnestrovskoigaés AT fedorenkogm modelirovanienagrevaélementovstatorairotoragidrogeneratoradvigatelâdnestrovskoigaés AT kensicʹkiiog modelirovanienagrevaélementovstatorairotoragidrogeneratoradvigatelâdnestrovskoigaés AT gruboiop modelingofheatingelementsstatorandrotorofhydrogeneratormotorofdniesterhpspp AT šofulak modelingofheatingelementsstatorandrotorofhydrogeneratormotorofdniesterhpspp AT klûčnikovoo modelingofheatingelementsstatorandrotorofhydrogeneratormotorofdniesterhpspp AT fedorenkogm modelingofheatingelementsstatorandrotorofhydrogeneratormotorofdniesterhpspp AT kensicʹkiiog modelingofheatingelementsstatorandrotorofhydrogeneratormotorofdniesterhpspp
first_indexed	2025-11-26T00:17:52Z
last_indexed	2025-11-26T00:17:52Z
_version_	1850599671860297728
fulltext	ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 77 УДК 621.313 О. П. Грубой, А. К. Шофул, О. О. Ключников, Г. М. Федоренко, О. Г. Кенсицький * Державне підприємство «Завод «Електроважмаш», Харків Інститут проблем безпеки АЕС НАН України, Чорнобиль МОДЕЛЮВАННЯ НАГРІВУ ЕЛЕМЕНТІВ СТАТОРА Й РОТОРА ГІДРОГЕНЕРАТОРА-ДВИГУНА ДНІСТРОВСЬКОЇ ГАЕС Розроблено математичну модель теплового стану гідрогенератора-двигуна Дністровської ГАЕС. Проведено розрахунки нагріву основних елементів статора ротора в різних режимах наванта- ження машини. Отримані результати співставлено з даними теплових випробувань гідрогенератора- двигуна. Запропоновано шляхи підвищення надійності та навантажувальної здатності агрегату. Ключові слова: гідрогенератор-двигун, моделювання, тепловий стан, надійність. Сьогодні гідроенергетика (у першу чергу ГАЕС) – гарант технологічної безпеки екс- плуатації АЕС. Як правило, ефективними, надійними та безпечними є енергетичні єдині тех- нологічні комплекси АЕС + ГЕС + ГАЕС [1]. Розміщення ГЕС і ГАЕС поблизу АЕС, завдяки їхній швидкодії, дає змогу використовувати їх і як додатковий резерв електрозабезпечення власних потреб АЕС у позаштатних та аварійних ситуаціях. Подальший розширений розвиток ядерної енергетики, передбачений Об’єднаною енергетичною стратегією (ОЕС) України на період до 2030 р. [2], неможливий без випереджаючого зростання в ОЕС маневрених потуж- ностей, частка яких у загальному балансі електроенергетики має бути не меншою 15 %. Метою створення математичної моделі теплового стану гідрогенератора-двигуна типу СВО 1255/255-40 УХЛ4 було визначення нагріву основних активних елементів і вузлів ма- шини та перевірка технічних рішень, спрямованих на підвищення її надійності та навантажу- вальної здатності. Математична модель описує процеси масопереносу та теплообміну в елементах і вуз- лах статора та ротора гідрогенератора-двигуна й дозволяє визначити не тільки середні по об’єму, а й максимальні температури, а також локалізувати їх розташування в машині. При цьому враховуються реальні схема та умови охолодження активних зон, підігрів охолоджу- ючого повітря при проходженні тракту охолодження (рис. 1). Рис. 1. Схема вентиляції гідрогенератора-двигуна СВО 1255/255-40 УХЛ4 Дністровської ГАЕС (цифра всередині стрілки – розрахункова витрата повітря через відповідні канали). © О. П. Грубой, А. К. Шофул, О. О. Ключников, Г. М. Федоренко, О. Г. Кенсицький, 2012 О. П. ГРУБОЙ, А. К. ШОФУЛ, О. О. КЛЮЧНИКОВ ТА ІН. ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 78 Із урахуванням конструктивних особливостей гідрогенератора-двигуна та схеми цир- куляції повітря розглядалась польова задача спільного розрахунку тривимірного температу- рного поля для сектора осердя та обмотки статора й ротора. При математичному описанні температурного поля було прийнято припущення, що спрощують розрахунки, але істотно не впливають на їхню адекватність: 1. З огляду на наявність транспозиції в пазовій і лобовій частинах стрижня обмотки статора приймаємо, що тепловиділення в міді по висоті стрижня розподілено рівномірно. 2. Вважаємо, що тепловиділення в міді обмотки полюсів ротора також розподілено рі- вномірно. 3. Приймаємо, що тепловиділення по довжині стрижня обмотки статора та витків об- мотки полюсів ротора розподілено рівномірно. 4. Вважаємо, що теплові втрати в сталі осердя статора в осьовому напрямку також ро- зподілено рівномірно. 5. Елементи розрахункової області розглядаються як однорідні анізотропні тіла з усе- редненими теплофізичними характеристиками матеріалів за відповідним напрямком у межах елементарних розрахункових об’ємів. 6. Коефіцієнти тепловіддачі з охолоджуючих поверхонь визначаються за відповідними критеріальними залеж- ностями та експериментальними даними [6, 42, 51]. 7. Залежність теплофізичних па- раметрів (коефіцієнтів теплопровіднос- ті, питомої щільності, теплоємності) матеріалів обмотки та осердя статора від температури не враховується. 8. При виборі розрахункової об- ласті передбачається, що існує симет- рія та періодична повторювальність елементів конструкції обмотки й осер- дя, умов охолодження та тепловиді- лень по колу статора й ротора. 9. Електромагнітні втрати в об- мотках статора та ротора задаються для очікуваної розрахункової темпера- тури, а потім перераховуються відпові- дно до отриманих рівнів нагріву. Розрахункова схема охоплює половину зубцевого (пазового) ділення статора та половину полюсного ділен- ня ротора. Розрахункові схеми для ста- тора й ротора наведено на рис. 2. Верхній і нижній стрижні обмо- тки статора в поперечному перерізі розбито навпіл, що пов’язано із знач- ною висотою стрижня порівняно з його шириною (співвідношення приблизно 5 : 1). Анало- гічно навпіл розбита по висоті обмотка полюса ротора. Для пазової частини обмотки статора та котушки полюса ротора математично коректно описано їхній тепловий зв’язок з осердям (сталлю) статора й полюса ротора, температура яких у вигляді тривимірного поля. Аналогіч- но описано тепловий зв’язок лобових частин обмотки статора з охолоджуючим повітрям і пазовою частиною обмотки. Рис. 2. Розрахункова схема статора й ротора гідрогенератора-двигуна. МОДЕЛЮВАННЯ НАГРІВУ ЕЛЕМЕНТІВ СТАТОРА Й РОТОРА ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 79 Уздовж машини розрахунок виконано для п’яти перетинів статора (рис. 3): верхня лобова частина обмотки статора; верхня кінцева зона осердя статора (вісім верхніх кінцевих пакетів); середня частина осердя статора (40 центральних пакетів); нижня кінцева зона осердя статора (вісім нижніх кінцевих пакетів); нижня лобова частина обмотки статора. Позначення «нижній» та «верхній» відповідають реальному розташуванню елементів і вузлів вертикального гідрогенератора-двигуна енергоблока Дністровської ГАЕС. Рис. 3. Розрахункова схема статора гідрогенератора-двигуна. Позначення вузлів розрахункової схеми на рис. 2 без дужок відповідають центральній частині статора, у круглих дужках – верхній кінцевій зоні статора, у квадратних дужках – нижній кінцевій зоні статора, у фігурних дужках – верхній і нижній лобовим частинам обмо- тки статора. Аналогічно розрахунок ротора виконано для трьох перерізів: центральної частини, що включає осердя полюса та центральну частину обмотки збу- дження; верхньої лобової частини обмотки збудження та нижньої лобової частини обмотки збудження. Відповідно до наявної схеми циркуляції холодоагенту (повітря) розроблено розрахун- кову схему (рис. 4). Охолоджене повітря після газоохолоджувачів подається до центральної зони хресто- вини (вузол 64), звідки через канали обода ротора (вузол 56) та між полюсні вікна (вузол 57) потрапляє у повітряний зазор між статором і ротором (вузол 58). Частина охолодженого по- вітря із зони хрестовини за допомогою верхнього і нижнього вентиляторів спрямовується у зону верхніх та нижніх лобових частин обмотки статора (вузли 62 і 63 відповідно). Із повітряного зазору повітря проходить через канали осердя статора (вузол 59 для зу- бцевої зони й 60 для зони ярма) і попадає в зону над спинкою ярма (вузол 61). Сюди же через натискні гребінки також подається повітря із зон верхніх і нижніх лобових частин обмотки статора. Увесь обсяг холодоагенту із зони над спинкою ярма статора спрямовується до газо- охолоджувачів. О. П. ГРУБОЙ, А. К. ШОФУЛ, О. О. КЛЮЧНИКОВ ТА ІН. ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 80 Рис. 4. Розрахункова схема циркуляції холодоагенту (повітря) у гідрогенераторі-двигуні. Частина повітря із зони лобових частин обмотки статора через повітророзподільні ущільнення повертається до центральної частини хрестовини. Враховується перетікання по- вітря із зони нижніх лобових частин обмотки статора в повітряний зазор між статором і ро- тором і далі з повітряного зазору в зону верхніх лобових частин. Обсяги циркуляції повітря (розрахункові) позначено на рис. 4 курсивом. У табл. 1 наведено отримані від заводу-виробника розрахункові значення теплових втрат гідрогенератора-двигуна для номінальних генераторного та двигунного режимів нава- нтаження. Як видно, найбільш напруженим із точки зору максимальних теплових втрат для гід- рогенератора-двигуна є двигунний режим. І саме для нього в подальшому будуть наведені всі розрахунки. Максимальні температури основних вузлів генератора-двигуна в генератор- ному режимі можуть бути отримані шляхом перерахунку втрат, що залежать від режиму на- вантаження (втрати в обмотках статора й ротора). Таблиця 1. Втрати гідрогенератора-двигуна типу СВ 1255/255-40 УХЛ4 в номінальних режимах навантаження Найменування втрат Режим навантаження Генератор Двигун Втрати холостого ходу, кВт 1125,3 1125,3 Втрати короткого замикання, кВт 1023,3 1419,6 Втрати на збудження, кВт 657,2 610,7 Втрати на вентиляцію, кВт 1588 1588 Механічні втрати, кВт 432 432 Сума втрат, кВт 4825,8 5157,6 Розрахунковий ККД, % 98,532 98,771 Теплові втрати були розподілені по конструктивних вузлах машини відповідно до ві- домих співвідношень [3]. Теплофізичні параметри матеріалів і холодоагентів, що застосовувалися при проведе- ні розрахунків, зведено в табл. 2. Орієнтовно інтенсивність теплообміну (коефіцієнт тепловіддачі) для основних тепло- обмінних поверхонь визначалась, виходячи з даних теоретичних та експериментальних дос- ліджень потужних турбо- та гідрогенераторів [3 - 7]. Вихідними даними для визначення інтенсивності теплообміну були розрахункові значен- ня витрати холодоагенту по основних зонах, отримані з вентиляційного розрахунку (див. рис. 1). Розрахунок нагріву основних активних елементів машини було виконано відповідно до прийнятих припущень та викладених вище розрахунків втрат в окремих вузлах, парамет- МОДЕЛЮВАННЯ НАГРІВУ ЕЛЕМЕНТІВ СТАТОРА Й РОТОРА ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 81 рів теплопередачі конструктивних матеріалів і теплообміну основних теплообмінних повер- хонь. У табл. 3 наведено максимальні температури основних активних елементів у двигун- ному режимі при номінальному навантаженні. Максимум температур спостерігається у вер- хніх стрижнях обмотки статора в центральній частині осердя статора – 108,6 °С. Температу- ра лобових частин обмотки статора при цьому досягає у верхній частині статора 80,0 °С, у нижній – 77,9 °С. Обмотка полюса ротора має максимум у 85,6 °С, сталь осердя статора – 89,4 °С, сталь башмака полюса ротора – 78,7 °С. Таблиця 2. Теплофізичні параметри конструкційних матеріалів і холодоагентів Параметр Значення Коефіцієнти теплопровідності, Вт/(м⋅К): - ізоляція елементарних провідників стрижня обмот- ки статора 0,20 - корпусна ізоляція обмотки статора 0,20 - сталь пакетів осердя статора вздовж листів 36,0 - сталь пакетів осердя статора поперек листів 3,2 - мідь провідників обмоток статора й ротора 390,0 - сталь полюсів й обода ротора вздовж листів 60,0 - сталь полюсів й обода ротора поперек листів 2,0 - ізоляція котушки полюса ротора 0,16 Холодоагент (повітря) при розрахунковій темпера- турі 60 °С: - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м⋅К) 0,0285 - густина, кг/м3 1,060 - питома теплоємність, Дж/(кг⋅К) 1020 Таблиця 3. Максимальні температури активних елементів гідрогенератора-двигуна у двигунному режимі при номінальному навантаженні (температура повітря після газоохолоджувачів – 35 °°°°С) Найменування вузла Максимальна температура, °С Верхні стрижні обмотки статора 108,6 Нижні стрижні обмотки статора 104,3 Верхні лобові частини обмотки статора 80,0 Нижні лобові частини обмотки статора 77,9 Зубці осердя статора 89,4 Ярмо осердя статора 77,7 Обмотка полюсів ротора 85,6 Полюсний башмак ротора 78,7 Сталь полюсу ротора 72,1 Сталь ободу ротора 48,8 Гаряче повітря на вході газооходжувача 63,2 Максимум температури охолоджуючого повітря спостерігається в радіальних венти- ляційних каналах осердя статора в зоні ярма й сягає 65,8 °С. До газоохолоджувачів після змішування з повітрям із зони лобових частин холодоагент потрапляє з температурою 63,2 °С. На рис. 5 наведено розрахункові значення температур повітря в корпусі гідрогенера- тора-двигуна при номінальному навантаженні у двигунному режимі. Аналогічно проведено розрахунки нагріву основних активних елементів машини для генераторного режиму при номінальному навантаженні. О. П. ГРУБОЙ, А. К. ШОФУЛ, О. О. КЛЮЧНИКОВ ТА ІН. ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 82 Основні втрати в сталі осердя статора, режими охолодження теплообмінних повер- хонь, механічні втрати та втрати на вентиляцію для генераторного режиму приймалися та- кими ж, як і для двигунного режиму, що обумовлюється однаковим рівнем напруги на затис- качах обмотки статора, а також швидкості обертання ротора. Рис. 5. Розрахункові значення температур повітря в корпусі гідрогенератора-двигуна при номінальному навантаженні у двигунному режимі (температура повітря після газоохолоджувачів 35 °С). Перераховувалися втрати в обмотках статора й полюса ротора, а також додаткові втрати на поверхні полюсів ротора відповідно до реальних значень струмів. У табл. 4 наведено максимальні температури основних активних елементів у генера- торному режимі при номінальному навантаженні. Максимум температур, як і в генераторно- му режимі, спостерігається у верхніх стрижнях обмотки статора в центральній частині осер- дя – 95,3 °С. Температура лобових частин обмотки статора при цьому досягає у верхній час- тині статора 70,3 °С, у нижній – 68,6 °С. Обмотка полюса ротора має максимум температури 87,9 °С, температура сталі осердя статора 82,6 °С, а сталі башмака полюса ротора – 75,0 °С. Максимум температури охолоджуючого повітря спостерігається в радіальних вентиля- ційних каналах осердя статора в зоні ярма й сягає 63,5 °С. До газоохолоджувачів після змішу- вання з повітрям із зони лобових частин холодоагент потрапляє з температурою 61,0 °С. Таблиця 4. Максимальні температури активних елементів гідрогенератора-двигуна у генераторному режимі при номінальному навантаженні (температура повітря після газоохолоджувачів 35 °°°°С) Найменування вузла Максимальна температура, °С Верхні стрижні обмотки статора 95,3 Нижні стрижні обмотки статора 92,6 Верхні лобові частини обмотки статора 70,3 Нижні лобові частини обмотки статора 68,6 Зубці осердя статора 82,6 Ярмо осердя статора 74,8 Обмотка полюсів ротора 87,9 Полюсний башмак ротора 75,0 Сталь полюса ротора 69,7 Сталь обода ротора 48,3 Гаряче повітря на вході газооходжувача 61,0 МОДЕЛЮВАННЯ НАГРІВУ ЕЛЕМЕНТІВ СТАТОРА Й РОТОРА ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 83 На рис. 6 наведено розрахункові значення температур повітря в корпусі гідрогенера- тора-двигуна при номінальному навантаженні в генераторному режимі. Таким чином, можна відзначити при номінальному навантаженні і в генераторному, і у двигунному режимах максимальні температури активних елементів статора й ротора не перевищують граничних значень, обумовлених керівництвом з експлуатації: для обмотки й сталі осердя статора 120 °С; для обмотки ротора 130 °С. Адекватність розробленої моделі розрахунку нагрівів основних активних елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна типу СВО 1255/255-40 УХЛ4 Дністровської ГАЕС було перевірено шляхом порівняння розрахункових значень температури активних зон з екс- периментальними даними [8], отриманими під час проведення теплових випробувань в умо- вах станції під час дослідно-промислової експлуатації головного зразка машини, для одного режиму навантаження. Рис. 6. Розрахункові значення температур повітря в корпусі гідрогенератора-двигуна при номінальному навантаженні в генераторному режимі (температура повітря після газоохолоджувачів 35 °С) При проведенні експериментальних досліджень реальні значення температур фіксува- лися за допомогою штатних засобів термоконтролю (термометрів опору) для низки характе- рних режимів навантаження. Так, для порівняння було вибрано рівень навантаження у 400 МВт (Cos ϕ = 1,0) у двигунному режимі, що становить майже 95 % від номінального при дещо завищеному коефіцієнті потужності (номінальний сos ϕ = 0,979). Для проведення розрахунку нагрівів на математичній моделі відповідно до реального режиму було перераховано втрати обмотках статора й ротора гідрогенератора-двигуна та задано середню температуру холодного повітря після газоохолоджувачів (25 °С). Отримані розрахункові та експериментальні значення нагрівів окремих зон машини зведено в табл. 5. Із наведених результатів можна зробити висновок, що розроблена математична мо- дель у цілому адекватно відображає реальний теплообмін у корпусі турбогенератора- двигуна. Різниця між розрахунковими та експериментальними значеннями температур окре- мих елементів не перевищує 10 %, що для теплових розрахунків є цілком прийнятним. Розбіжності, не стільки у рівнях температур, скільки у характері їхнього розподілу, пов’язані перш за все з достовірністю вихідних даних – розподілом тепловиділень по актив- них елементах машини, реальною циркуляцією холодоагенту, урахуванням витоків тепла через конструктивні елементи енергоблока тощо. О. П. ГРУБОЙ, А. К. ШОФУЛ, О. О. КЛЮЧНИКОВ ТА ІН. ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 84 Таблиця 5. Розрахункові (1) та експериментальні (2) [8] нагріви основних елементів гідрогенератора-двигуна для навантаження 400 МВт (сos ϕϕϕϕ = 1,0) у двигунному режимі № Обмотка статора Сталь осердя статора Обмотка ротора Гаряче повітря бік турбіни центральна частина бік виводів бік турбіни центральна частина бік виводів 1 70,4 90,3* 71,3 57,5 66,6 57,8 72,3 51,7 2 67,4 65,2 73,6 62,1 61,8 66,9 72,0 47,2 * Максимальна температура міді верхнього стрижня обмотки статора. Так, наприклад, із експериментальних даних можна зробити висновок, що рівні взає- много перетоку повітря між нижніми лобовими частинами, повітряним зазором і верхніми лобовими частинами більший, ніж було визначено вентиляційним розрахунком. У будь-якому випадку використання розробленої моделі дає змогу оцінити нагрів ак- тивних елементів статора й ротора в різних режимах навантаження, визначити ефективність застосування нових технічних рішень і конструктивних матеріалів. Особливо зазначене сто- сується ротора, температура якого в реальних умовах вимірюється опосередковано й по суті є середньою. У той же час необхідно знати максимальні температури та місце їхнього розта- шування в машині. Основним фактором, що обмежує навантаження потужної електричної машини, зокрема гідрогенератора-двигуна, є максимальна температура активних елементів статора й ротора. Осо- бливо це стосується обмотки статора, оскільки саме її ізоляція повинна бути розрахована на но- мінальну напругу на затискачах генератора. Підвищений нагрів останньої в робочих режимах призводить до її передчасного старіння й пошкодження зі всіма негативними наслідками. При опосередкованому охолодженні обмотки статора, що ми маємо в нашому випад- ку, усі теплові втрати в міді обмотки відводяться до холодоагенту (повітря) через головну корпусну ізоляцію. Увесь обсяг головної ізоляції обмотки статора є тепловим бар’єром, що погіршує ефективність системи охолодження й обмежує робочу потужність машини, погір- шує її ККД. Особливо наведене стає актуальним, якщо порівняти теплопровідність слюдяної ізоляції (λ = 0,16 - 0,25 Вт/(м⋅К)), що застосовується для таких рівнів напруги (15,75 кВ), із теплопровідністю інших конструктивним матеріалів – міді й сталі осердя статора (390 та 36 - 40 відповідно). Підвищення інтегральної теплопровідності головної корпусної ізоляції може бути до- сягнуте двома шляхами: зменшенням товщини ізоляції; підвищенням її питомої теплопрові- дності. Перший шлях передбачає наявність нових матеріалів із підвищеною діелектричною міцністю й у сучасних умовах неможливий, другий – застосування ізоляції з підвищеної теп- лопровідністю – є більш доцільним і для нього існують необхідні умови. Опубліковано низку досліджень [9 - 12] щодо розробки систем високотеплопровідної (HTC) ізоляції із застосуванням вакуум-нагнітального просочення (VIP), основною відмінні- стю якої є застосування високотеплопровідних наповнювачів. При цьому до наповнювачів ставилися вимоги: висока теплопровідність та опір до часткових розрядів; сумісність із зв’язуючим і просочувальним компаундом; хімічна стабільність і низька токсичність; висока якість виробництва й прийнятна вартість. У результаті досліджень було визначено, що тільки нітрид бору BN (hexagonal) та окис алюмінію Al2O3 відповідають наведеним вимогам і можуть застосовуватися у складі високовольтної ізоляції. При цьому діелектричні та механічні властивості ізоляції не зміню- ються. Більш ефективним є використання в якості наповнювача BN (hexagonal). Додавання Al 2O3 дає змогу підвищити теплопровідність лише на 50 %, але він дешевший. МОДЕЛЮВАННЯ НАГРІВУ ЕЛЕМЕНТІВ СТАТОРА Й РОТОРА ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 85 Фірмою АВВ було створено систему ізоляції Micadur [12] із підвищеною питомою те- плопровідністю 0,48 Вт/(м⋅К) при додаванні Al2O3 і 0,58 Вт/(м⋅К) при використанні BN (hex- agonal). Її застосування в практиці виробництва потужного генеруючого обладнання відкри- ває нові можливості по розширенню верхньої межі потужностей гідро- та турбогенераторів із повітряним охолодженням, підвищення їхньої надійності та навантажувальної здатності. Гідрогенератор-двигун типу СВО 1255/255-40 УХЛ4 станційний № 1 Дністровської ГАЕС є головною машиною серії із семи машин, що мають бути виготовлені, змонтовані й пущені в експлуатацію в найближчі 10 років. За результатами дослідно-промислової експлу- атації головного агрегату серії мають бути запропоновані, розроблені й впроваджені в насту- пних машинах ефективні заходи й технічні рішення щодо підвищення їхньої безпеки, надій- ності й енерго-екологічної ефективності. Застосування ізоляції із підвищеною теплопровідністю дозволить знизити робочу те- мпературу обмоток, підвищити навантажувальну здатність й подовжити ресурс гідрогенера- тора-двигуна. З метою визначення кількісних показників впливу коефіцієнта теплопровідності голо- вної ізоляції обмотки статора проведено розрахунки нагріву основних елементів обмотки статора гідрогенератора-двигуна Дністровської ГАЕС типу СВО 1255/255-40 УХЛ4. Розрахунки виконано для двигунного режиму з номінальним навантаженням, при якому нагріви обмоток максимальні. На рис. 7 наведено залежність максимальних температур елементарних провідників стрижня обмотки статора гідрогенератора-двигуна від коефіцієнта теплопровідності головної корпусної ізоляції обмотки. Звідки видно, що при застосуванні системи ізоляції типу Micadur максимальні температури обмотки статора можуть бути знижені майже на 22 °С (понад 18 %) із збереженням геометричних розмірів і без втрати діелектричної стійкості ізоляції. 90 100 110 120 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 , Вт/(мК) Θmax Рис. 7. Максимальна температура міді стрижня обмотки статора залежно від коефіцієнта теплопровідності головної корпусної ізоляції. Перепад температури по товщині ізоляції стрижня обмотки при цьому може бути знижений на понад 20 °С (на 60 %). Зниження робочої температури обмоток дозволяє подовжити ресурс ізоляції, покра- щити термомеханічні умови її експлуатації, підвищити навантажувальну здатність та манев- рові можливості агрегату в цілому, у тому числі в режимах із споживанням реактивної поту- жності. Зокрема, навантаження у двигунному режимі може бути підвищене на 20 % із збере- женням існуючих рівнів максимальних нагрівів. О. П. ГРУБОЙ, А. К. ШОФУЛ, О. О. КЛЮЧНИКОВ ТА ІН. ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 86 Висновки Добудова й пуск в експлуатацію Дністровської ГАЕС потужністю 2300 МВт (у гене- раторному режимі) уперше в новітній історії дасть змогу вийти українській енергетиці на оптимальні співвідношення базових і маневрених потужностей. Частка маневрених потуж- ностей ГЕС і ГАЕС ОЕС України становитиме 12,5 % від загальних установлених потужно- стей, що відповідає оптимальному рівню в 10 - 15 %. Генератор-двигун типу СВО 1255/255-40 УХЛ4, спроектований та виготовлений укра- їнськими спеціалістами ДП «Завод «Електроважмаш», на сьогодні є найпотужнішою маши- ною подібного типу в Європі і другою у світі і, безумовно, є досягненням українського елек- тромашинобудування. Одним із дієвих шляхів підвищення надійності й навантажувальної здатності машини є застосування в якості головної систем високотеплопровідної ізоляції із вакуум-нагні- тальним просоченням. Що дозволяє знизити температуру обмотки статора на понад 18 % і підвищити навантаження у двигунному режимі на 20 %. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Шидловский А.К., Поташник С.И., Федоренко Г.М. Надежные гидроэлектростанции – гарант технологической безопасности и эффективной эксплуатации АЭС и ТЭС // Гідроенергетика України. – 2005. – №1. – С. 8 - 11. 2. Енергетична стратегія України на період до 2030 року // Відомості Міністерства палива та енер- гетики України. Спеціальний випуск. – К.: Міністерство палива та енергетики, 2006. – 144 с. 3. Титов В.В., Хуторецкий Г.М., Загородная Г.А. и др. Турбогенераторы. Расчет и конструкция. – Л.: Энергия, 1967. – 896 с. 4. Абрамов А.И., Иванов-Смоленский А.В. Расчет и конструкция гидрогенераторов. – М.: Высш. шк., 1964. – 260 с. 5. Борисенко А.И., Данько В.Г., Яковлев А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических ма- шинах. – М.: Энергия, 1974. – 560 с. 6. Борисенко А.И., Костиков О.Н., Яковлев А.И. Охлаждение промышленных электрических ма- шин. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 296 с. 7. Хуторецкий Г.М., Токов М.И., Толвинская Е.В. Проектирование турбогенераторов. – Л.: Энерго- атомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. – 256 с. 8. Тепловые испытания гидрогенератора-двигателя типа СВО 1255/255-40 УХЛ4 ст. № 1 Днестровской ГАЭС: (Заключит. отчет по НИР). - ГР 0111U001474. – Х.: Электротяж- маш, 2010. – 32 с. 9. Marek P., Grubelnik W., Koerbler B. High Performance Insulation System for HV Rotating Machines // Isovolta AG, System Development, A-8402 Werndorf, Austria, 10th Insucon International Conference Birmingham, 2006. 10. Miller M.L., Emery F.T. Thermal Conductivity of High Voltage Stator Coil Groudwall Insulation // EIC Conference in Chicago. - 1997. – P. 619 - 622. 11. Stephan C.-E., Liptak G., Schuler R. An Improved Insulation System for the Newest Generation of Sta- tor Winding of Rotating Machines // Cigre Session-1994, Group 11, Rep. 11-101. 12. Tari M., Yoshida K., Sekito S. et al. A. A High Voltage Insulating System with Increased Thermal Con- ductivity for Turbo Generators // Coil Winding, Insulation and Electrical Manufacturing Conference, Berlin, 2001. А. П. Грубой, А. К. Шофул, А. А. Ключников, Г. М. Федоренко, О. Г. Кенсицкий МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА ЭЛЕМЕНТОВ СТАТОРА И РОТОРА ГИДРОГЕНЕРАТОРА-ДВИГАТЕЛЯ ДНЕСТРОВСКОЙ ГАЭС Разработана математическая модель теплового состояния гидрогенератора-двигателя Дне- стровской ГАЭС. Проведены расчеты нагрева основных элементов статора и ротора в различных режимах нагрузки машины. Полученные результаты сопоставлены с данными тепловых испытаний гидрогенератора-двигателя. Предложены пути повышения надежности и нагрузочной способности агрегата. Ключевые слова: гидрогенератор-двигатель, моделирование, тепловое состояние, надежность. МОДЕЛЮВАННЯ НАГРІВУ ЕЛЕМЕНТІВ СТАТОРА Й РОТОРА ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2012 ВИП. 18 87 О. P. Gruboy, A. K. Shoful, О. О. Kluchnikov, G. M. Fedorenko, O. G. Kensitsky MODELING OF HEATING ELEMENTS STATOR AND ROTOR OF HYDRO GENERATOR-MOTOR OF DNIESTER HPSPP The mathematical model of the thermal state of hydro generator-motor of Dniester HPSPP is worked out. The calculations of heating of basic elements of stator and rotor are conducted in the different modes of loading of machine. They got results are confronted with data of thermal tests of hydro generator-motor. The ways of increase of reliability and loading ability of aggregate are offered. Keywords: hydro generator-motor, modeling, thermal state, reliability. Надійшла до редакції 10.01.12

Моделювання нагріву елементів статора й ротора гідрогенератора-двигуна дністровської ГАЕС

Institution

Ähnliche Einträge