Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2009
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61084 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов / П.Г. Круковский, В.А. Яцевский, В.М. Хуторный // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 7. — С. 145-147. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859726629051301888 |
|---|---|
| author | Круковский, П.Г. Яцевский, В.А. Хуторный, В.М. |
| author_facet | Круковский, П.Г. Яцевский, В.А. Хуторный, В.М. |
| citation_txt | Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов / П.Г. Круковский, В.А. Яцевский, В.М. Хуторный // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 7. — С. 145-147. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| first_indexed | 2025-12-01T11:18:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, №7 145
логия. – 2-6т. 16, №1. – С. 83-85.
3. Мовчан В.А., Малашенко И.С. Жаростойкие
покрытия, осажденные в вакууме. –Киев, Науко-
ва думка, 1983.– 232 с.
4. Москаленко А.А., Зотов Е.Н., Добри-
вечер В.В., Надтока В.Н., Хямялайнен Л.Т.
Експериментально-расчетное определение поля
температур полого цилиндра при локальном
внутреннем обогреве. Сборник докладов кон-
ференции «Результаты фундаментальных ис-
следований в области енергетики и их практиче-
ское значение», Москва, 24-26 марта 2007г.– М.:
ОИВТ РАН, «Шанс», 2008.–С.99-105.
5. Бирюлин Г.В. Теплофизические расче-
ты в конечно-элементном пакете COMSOL /
FEMLAB. Методическое пособие. – С-Петерб.:
ГУ ИТМО, 2006.– 86с.
УДК 532.542:536.252/255:621.314.212
Круковский П.Г., Яцевский В.А., Хуторный В.М.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В МИНИКАНАЛАХ
ОБМОТОК СИЛОВЫХ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
От точности расчётов теплового состоя-
ния силовых высоковольтных трансформаторов
больших мощностей, выполненных в процессе
разработки, в значительной степени зависят их
технико-экономические показатели, надёжность,
качество и конкурентоспособность [1]. Суще-
ствующие инженерные методы расчёта систем
охлаждения трансформаторов не удовлетворяют
современным, постоянно растущим запросам
промышленности как по точности, так и по диа-
пазонам режимных и конструктивных параме-
тров продукции.
Улучшение технико-экономических пара-
метров и конкурентоспособности силовых мас-
лонаполненных трансформаторов на мировом
рынке возможно за счёт повышения их удельных
нагрузок и коэффициентов заполнения обмоток,
что можно осуществить путём максимального
уменьшения и оптимизации размеров охлаж-
дающих каналов, в частности высоты горизон-
тальных межкатушечных каналов. Поэтому с
целью экономии материалов и энергоресурсов
производители пытаются выпускать как можно
более компактные образцы трансформаторов,
что приводит к применению так называемых
миниканалов высотой порядка 3 мм и меньше,
а также комбинации каналов различной высо-
ты. Важным обстоятельством, требующим учёта
при детальных расчётах локальных перегревов,
является то, что величина тепловыделений (по-
терь электрической энергии) в отдельных про-
водниках по радиальному размеру катушек мо-
жет значительно (в несколько раз) отличаться в
силу неравномерного распределения радиальной
и осевой составляющих индукции магнитного
поля, которые вызывают соответствующие вих-
ревые токи и дополнительные потери в прово-
дниках. Детальное исследование гидродинами-
ки и теплообмена в таких миниканалах сегодня
можно реализовать посредством расчётов с по-
мощью дву- и трёхмерных CFD-моделей в со-
пряжённой постановке.
При экспериментальном определении тем-
пературы масла термопарами, устанавливаемы-
ми в разных точках по сечению масляных кана-
лов, получаются изменяющиеся (колеблющиеся)
значения температуры даже при установившем-
ся (стационарном) режиме. Это объясняется тем,
что наиболее нагретые слои масла находятся
очень близко к поверхности обмотки, а места их
отрыва случайны. В экспериментах также было
обнаружено, что направление движения попе-
речных потоков масла в горизонтальных каналах
в исследованных физических моделях было слу-
чайным и менялось от одной серии измерений к
другой после охлаждения и повторного нагрева
масла. Это говорит о квазистационарном (сто-
хастическом) характере термогидравлических
процессов в силовом трансформаторе при есте-
ственной системе охлаждения (типа М и Д).
В работе исследовалась компьютерная
CFD-модель, представляющая собой фрагмент
обмотки высшего напряжения силового масля-
ного трансформатора рис. 1, состоящая из не-
скольких катушек, помещённых в бак с маслом.
Геометрическая модель представляет собой осе-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, №7146
симметричный сегмент цилиндра рис. 1,а с со-
ответствующими внутренним и внешним диаме-
трами, внутренним и наружным вертикальными
охлаждающими каналами. Высота горизонталь-
ных охлаждающих каналов варьировалась в диа-
пазоне h = 2,4…3,6 мм.
Двумерная сопряжённая задача теплообме-
При задании граничных условий в области
проводниковых и изоляционных материалов
компоненты скорости принимались равными
нулю, на границе между несжимаемой жидко-
стью и твёрдыми материалами задавались тепло-
вые граничные условия сопряжения.
На границе входа и выхода масла задава-
лись условия свободного входа-выхода. Полная
система уравнений Навье-Стокса, уравнение со-
хранения энергии в масле и уравнения теплопро-
водности в области проводниковых и изоляцион-
ных материалов решались с помощью неявного
конечно-объёмного метода.
При равномерном тепловыделении по ра-
диусу катушек анализ полученных полей пока-
зывает симметричную картину движения масла
в обмотке с постепенным увеличением глубины
проникновения масла к центру катушек, макси-
мальная интенсивность которого достигается в
верхних катушках, где образуется течение, ана-
логичное течению при образовании классиче-
ских ячеек Релея - Бенара.
С ростом высоты горизонтального кана-
ла падает как максимальная температура, так и
объём, занимаемый наиболее нагретой частью
трансформаторного масла. Это обусловлено су-
щественным увеличением циркуляции масла и
теплообмена в межкатушечном пространстве с
ростом высоты горизонтального канала. С уве-
личением высоты горизонтального канала, на-
блюдается также увеличение общего уровня ско-
ростей движения масла, что свидетельствует об
увеличении расхода (а соответственно и средней
скорости движения). Наблюдается также более
глубокое проникновение движущегося масла к
центру горизонтального канала, что также свиде-
тельствует об улучшении циркуляции масла в ка-
нале с ростом его высоты. С точки зрения тепло-
обмена это является положительным фактором,
так как верхние катушки обмотки всегда более
нагреты, и именно их охлаждению при проекти-
ровании следует уделять особое внимание.
В результате расчётов получены превыше-
ния средней температуры поверхности групп ка-
тушек обмотки и объёма рассматриваемой части
обмотки над средней температурой масла в баке
и температурой охлаждающей среды от высо-
ты горизонтальных каналов охлаждения рис. 2.
Эти зависимости имеют непрерывный характер
(снижение величин с ростом высоты канала), что
естественно для протекающих в каналах тепло-
гидравлических процессов.
В существующих инженерных полуэмпири-
ческих методиках расчёта теплового состояния
силовых трансформаторов при высоте межкату-
шечного горизонтального канала меньше 3 мм
вводится эмпирический коэффициент застойной
зоны, который учитывает локальное отсутствие
(уменьшение) теплопередачи в центральной об-
ласти горизонтального межкатушечного канала.
на группы катушек рассматриваемой обмотки с
маслом при естественной конвекции решалась в
осесимметричной постановке, т. е. предполага-
лось, что в направлении тангенциального угла φ
цилиндрической системы координат зависимые
переменные (поля температур, скоростей, дав-
лений) не изменяются.
Рис. 1. Фрагмент компьютерной микромодели обмотки (а) и её температурное поле (б):
1 – внутренний вертикальный канал; 2 – межкатушечный горизонтальный канал; 3 – провод;
4 – изоляция провода; 5 – наружный вертикальный канал.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, №7 147
Рис. 2. Зависимость превышения средней температуры – поверхности обмотки ΔtП (а), средней
температуры объёма обмотки Δt0 над средней температурой масла в баке (б) и превышения
средней температуры обмотки Δt2 (в) над температурой охлаждающей среды от высоты
горизонтального канала охлаждения h. Сплошные кривые – CFD-модель, пунктирные –
методика на основе работы [2].
Зависимости, полученные с помощью су-
ществующей инженерной методики, имеют раз-
рыв для высоты канала равного 3,0 мм, что обу-
словлено спецификой расчёта с модификацией
и разветвлением алгоритма для различных диа-
пазонов высоты горизонтальных межкатушеч-
ных каналов и введением в них так называемого
коэффициента застойной зоны для высот канала
менее 3,0 мм. Поэтому результаты, полученные с
помощью CFD-модели для высоты канала в об-
ластях, близких к 3,0 мм, являются более точны-
ми по сравнению с полученными по эмпириче-
ской инженерной методике.
Выводы
Анализ гидродинамики обтекания и тепло-
обмена фрагментов трансформатора при есте-
ственной конвекции можно проводить с помо-
щью CFD-технологий без введения упрощений
о характере и схеме течения, свойственных тра-
диционным методикам, что позволяет выпол-
нять более детальное и точное проектирование
и оптимизацию параметров систем охлаждения
трансформаторов.
Из результатов CFD-моделирования могут
быть получены качественные и количествен-
ные результаты, описывающие эффективность
охлаждения отдельных катушек при уменьше-
нии высоты межкатушечных горизонтальных
каналов до значений, вызывающих практическое
прекращение циркуляции трансформаторного
масла в межкатушечном канале.
Зависимости для превышения средней тем-
пературы поверхности обмотки и объёма об-
мотки над средней температурой масла в баке
и температурой охлаждающей среды для груп-
пы катушек от высоты горизонтального канала
охлаждения (2,4; 3,0 и 3,6 мм) имеют непрерыв-
ный характер (снижение величин с ростом высо-
ты канала), что естественно для протекающих в
таких каналах теплогидравлических процессов.
В тоже время зависимости, полученные, с по-
мощью инженерной полуэмпирической мето-
дики имеют разрыв для высоты канала 3,0 мм,
что обусловлено наличием в них так называемо-
го коэффициента застойной зоны для высот ка-
нала менее 3,0 мм. Таким образом, результаты,
полученные с помощью CFD-модели для высо-
ты канала 3,0 мм являются более физическими
и потенциально более точными по сравнению с
существующей инженерной полуэмпирической
методикой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лизунов С.Д., Лоханин А.К. Проблемы
современного трансформаторостроения в
России. Часть 1 // Электричество. – 2000. – № 8.
– С. 2-10;
2. Mikhailovsky Υ.Α., Shvidler A.В., Tarle G.E.,
Tchornogotsky V.M., Voevodin I.D., Lyblin I.Sh.
Methods of temperature rise calculations of power
transformer windings // CIGRE. International
Conference on Large High Voltage Electric Systems.
Paris 29th August – 6th September, 1984, Report Nr.
Р.2-16.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61084 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T11:18:08Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Круковский, П.Г. Яцевский, В.А. Хуторный, В.М. 2014-04-23T21:29:03Z 2014-04-23T21:29:03Z 2009 Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов / П.Г. Круковский, В.А. Яцевский, В.М. Хуторный // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 7. — С. 145-147. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61084 532.542:536.252/255:621.314.212 ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов Круковский, П.Г. Яцевский, В.А. Хуторный, В.М. |
| title | Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов |
| title_full | Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов |
| title_fullStr | Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов |
| title_full_unstemmed | Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов |
| title_short | Исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов |
| title_sort | исследование гидродинамики и теплообмена в миниканалах обмоток силовых масляных трансформаторов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61084 |
| work_keys_str_mv | AT krukovskiipg issledovaniegidrodinamikiiteploobmenavminikanalahobmotoksilovyhmaslânyhtransformatorov AT âcevskiiva issledovaniegidrodinamikiiteploobmenavminikanalahobmotoksilovyhmaslânyhtransformatorov AT hutornyivm issledovaniegidrodinamikiiteploobmenavminikanalahobmotoksilovyhmaslânyhtransformatorov |