Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны
С помощью метода конечных элементов исследованы температурные поля на полюсном делении ротора турбогенератора ТГВ-300-2 в номинальном режиме при нарушениях симметрии непосредственного водородного охлаждения в каналах обмотки возбуждения. Показано, при каком количестве «дефектных» каналов максимальна...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Технічна електродинаміка |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62353 |
| 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: | Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны / К.А. Кучинский // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 4. — С. 59–66. — Бібліогр.: 16 назв. — pос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-62353 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кучинский, К.А. 2014-05-20T07:45:03Z 2014-05-20T07:45:03Z 2013 Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны / К.А. Кучинский // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 4. — С. 59–66. — Бібліогр.: 16 назв. — pос. 1607-7970 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62353 621.313.322 С помощью метода конечных элементов исследованы температурные поля на полюсном делении ротора турбогенератора ТГВ-300-2 в номинальном режиме при нарушениях симметрии непосредственного водородного охлаждения в каналах обмотки возбуждения. Показано, при каком количестве «дефектных» каналов максимальная температура изоляции обмотки ротора превышает предельно допустимую величину. Определены величины внутренних напряжений сжатия в меди витков на перегревающихся участках обмотки. Установлено, при каких температурах механические напряжения превосходят предел текучести меди. Проведено сопоставление значений экспериментальных и расчетных тепловых и термомеханических параметров на физической модели стержня обмотки статора мощного ТГ. За допомогою методу кінцевих елементів досліджено температурні поля на полюсному поділі ротора турбогенератора ТГВ-300-2 у номінальному режимі при порушеннях симетрії безпосереднього водневого охолодження в каналах обмотки збудження. Показано, при якій кількості «дефектних» каналів максимальна температура ізоляції обмотки ротора перевищує гранично допустиму величину. Визначено величини внутрішніх напружень стиску в міді витків на ділянках обмотки, які перегріваються. Визначено, при яких температурах механічні напруги перевищують границі текучості міді. Проведено порівняння значень експериментальних і розрахункових теплових і термомеханічних параметрів на фізичній моделі стрижня обмотки статора потужного ТГ. By means of a finite-elements method temperature fields on polar division of a rotor of turbogenerator ТГВ-300-2 in a nominal mode are investigated at infringements of symmetry of direct hydrogen cooling in channels of a winding of excitation. It is shown, at what quantity of "defective" channels the maximum temperature of isolation of a winding of a rotor exceeds maximum permissible magnitude. Magnitudes of internal stresses of compression in copper of convolutions on superheated sections of a winding are defined. It is defined, at what temperatures mechanical stresses surpass a copper yield stress. Comparison of values of experimental and settlement thermal and thermomechanical parameters on physical model of the rod of a winding of the stator powerful ТГ is spent. ru Інститут електродинаміки НАН України Технічна електродинаміка Електромеханічне перетворення енергії Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны Аналіз температурного поля ротора турбогенератора потужністю 300 мвт при асиметрії охолодження пазової зони The analysis of temperature field of rotor of turbogenerator capacity 300 mw at asymmetry of cooling of grooving zone Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны |
| spellingShingle |
Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны Кучинский, К.А. Електромеханічне перетворення енергії |
| title_short |
Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны |
| title_full |
Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны |
| title_fullStr |
Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны |
| title_full_unstemmed |
Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны |
| title_sort |
анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 мвт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны |
| author |
Кучинский, К.А. |
| author_facet |
Кучинский, К.А. |
| topic |
Електромеханічне перетворення енергії |
| topic_facet |
Електромеханічне перетворення енергії |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Технічна електродинаміка |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Аналіз температурного поля ротора турбогенератора потужністю 300 мвт при асиметрії охолодження пазової зони The analysis of temperature field of rotor of turbogenerator capacity 300 mw at asymmetry of cooling of grooving zone |
| description |
С помощью метода конечных элементов исследованы температурные поля на полюсном делении ротора турбогенератора ТГВ-300-2 в номинальном режиме при нарушениях симметрии непосредственного водородного охлаждения в каналах обмотки возбуждения. Показано, при каком количестве «дефектных» каналов максимальная температура изоляции обмотки ротора превышает предельно допустимую величину. Определены величины внутренних напряжений сжатия в меди витков на перегревающихся участках обмотки. Установлено, при каких температурах механические напряжения превосходят предел текучести меди. Проведено сопоставление значений экспериментальных и расчетных тепловых и термомеханических параметров на физической модели стержня обмотки статора мощного ТГ.
За допомогою методу кінцевих елементів досліджено температурні поля на полюсному поділі ротора турбогенератора ТГВ-300-2 у номінальному режимі при порушеннях симетрії безпосереднього водневого охолодження в каналах обмотки збудження. Показано, при якій кількості «дефектних» каналів максимальна температура ізоляції обмотки ротора перевищує гранично допустиму величину. Визначено величини внутрішніх напружень стиску в міді витків на ділянках обмотки, які перегріваються. Визначено, при яких температурах механічні напруги перевищують границі текучості міді. Проведено порівняння значень експериментальних і розрахункових теплових і термомеханічних параметрів на фізичній моделі стрижня обмотки статора потужного ТГ.
By means of a finite-elements method temperature fields on polar division of a rotor of turbogenerator ТГВ-300-2 in a nominal mode are investigated at infringements of symmetry of direct hydrogen cooling in channels of a winding of excitation. It is shown, at what quantity of "defective" channels the maximum temperature of isolation of a winding of a rotor exceeds maximum permissible magnitude. Magnitudes of internal stresses of compression in copper of convolutions on superheated sections of a winding are defined. It is defined, at what temperatures mechanical stresses surpass a copper yield stress. Comparison of values of experimental and settlement thermal and thermomechanical parameters on physical model of the rod of a winding of the stator powerful ТГ is spent.
|
| issn |
1607-7970 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62353 |
| citation_txt |
Анализ температурного поля ротора турбогенератора мощностью 300 МВт при ассиметрии охлаждения пазовой зоны / К.А. Кучинский // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 4. — С. 59–66. — Бібліогр.: 16 назв. — pос. |
| work_keys_str_mv |
AT kučinskiika analiztemperaturnogopolârotoraturbogeneratoramoŝnostʹû300mvtpriassimetriiohlaždeniâpazovoizony AT kučinskiika analíztemperaturnogopolârotoraturbogeneratorapotužnístû300mvtpriasimetrííoholodžennâpazovoízoni AT kučinskiika theanalysisoftemperaturefieldofrotorofturbogeneratorcapacity300mwatasymmetryofcoolingofgroovingzone |
| first_indexed |
2025-11-25T22:19:19Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:19:19Z |
| _version_ |
1850562385736105984 |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4 59
УДК 621.313.322
АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ РОТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА МОЩНОСТЬЮ
300 МВт ПРИ АСИММЕТРИИ ОХЛАЖДЕНИЯ ПАЗОВОЙ ЗОНЫ
К.А.Кучинский, канд.техн.наук
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина. E-mail: kuchynskyy@mail.ru
С помощью метода конечных элементов исследованы температурные поля на полюсном делении ротора тур-
богенератора ТГВ-300-2 в номинальном режиме при нарушениях симметрии непосредственного водородного
охлаждения в каналах обмотки возбуждения. Показано, при каком количестве «дефектных» каналов макси-
мальная температура изоляции обмотки ротора превышает предельно допустимую величину. Определены ве-
личины внутренних напряжений сжатия в меди витков на перегревающихся участках обмотки. Установлено,
при каких температурах механические напряжения превосходят предел текучести меди. Проведено сопостав-
ление значений экспериментальных и расчетных тепловых и термомеханических параметров на физической
модели стержня обмотки статора мощного ТГ. Библ. 16, табл. 2, рис. 5.
Ключевые слова: ротор, охлаждение обмотки, тепловой дисбаланс, максимальная температура.
Ротор турбогенератора (ТГ) является самой нагруженной и наиболее ответственной частью
машины как в тепловом, так и в механическом отношении. Максимальная рабочая температура об-
мотки ротора (ОР) ТГ мощностью 300 МВт типа ТГВ-300 при номинальной нагрузке может грани-
чить с допустимой по условиям нагревостойкости использованных изоляционных материалов [7, 12].
Ротор находится также под воздействием значительных механических нагрузок, вызванных влиянием
центробежных и знакопеременных изгибающих сил.
ОР выполняется в виде последовательно соединенных 18 концентричных катушек, в каждой из
которых по семь витков, состоящих из двух параллельных проводников. На рис. 1 показано заполнение
паза ротора: 1 – клин; 2 – стеклотекстолитовые прокладки между клиньями и верхними витками; 3 –
корпусная изоляция; 4, 6 – межвитковая изоляция; 5 – медь сечением 7,5×30 мм2; 7 – дополнительные
прокладки под нижними витками. Витки выполнены из П-образных проводников, сложенных попарно
и образующих внутренний канал, через который проходит охлаждающий водород. Применение непо-
средственного охлаждения позволило создать в ОР при номинальной нагрузке плотность тока, равную
9,5 А/мм2 [14]. Охлаждение ОР осуществляется по двусторонней схеме непосредственного охлаждения
проводников. Водород двумя параллельными потоками раздельно охлаж-
дает лобовую и пазовую части обмотки. Выход газа из каждого витка пазо-
вой части в зазор машины осуществляется в средней части ротора по ради-
альным отверстиям в витках и пазовых клиньях.
При эксплуатации или ремонте ТГ возможна закупорка витков ОР
вследствие перекрытия выходного вентиляционного отверстия в средней
части бочки ротора из-за сдвига (смещения) стеклотекстолитовых про-
кладок между витками ОР или под пазовым клином при вращении ротора
в процессе пусков и остановов, а также перекрытия входного окна в ло-
бовой части или засорение вентиляционного канала витка ОР за счет слу-
чайно попавших между катушками посторонних предметов, наплывов
лака и т.д. [9]. Эти явления приводят к повышенному местному нагреву
обмотки с последующим повреждением изоляции. Негативным следстви-
ем частичной закупорки вентиляционных каналов становится также на-
рушение симметрии распределения расходов газа по пазам. Это может
явиться одной из причин тепловой неуравновешенности роторов ТГ с
непосредственным газовым охлаждением.
Таким образом, в процессе эксплуатации необходимо иметь ин-
формацию о температурных отклонениях, которые оказывают влияние на
снижение надежности ТГ.
В работе [6] приведены результаты расчетов температурного поля
ротора с самовентиляцией из подпазовых каналов на примере ТГ мощно-
стью 160 МВт завода «Электросила» (Россия). Масштабным обобщенным
© Кучинский К.А., 2013
Рис. 1
60 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
параметром вентиляционной системы, воздействующим на характерные избыточные температуры и в
основных чертах управляющим процессом теплового статического прогиба вала заданной конфигу-
рации, был принят относительный дефицит расхода (т.е. относительная разность значений полного
расхода воздуха в исправной и дефектной половинах ротора). На основе расчетной оценки чувстви-
тельности ротора к температурным возмущениям сделан вывод, что интегральному температурному
перекосу в 10 °С (при линейном законе распределения избыточной температуры по диаметру) соот-
ветствует статический небаланс порядка 8−10 кг. Тогда значимой для вибрационного состояния ро-
тора является температурная неравновесность половин ротора в единицы градусов, а тепловой неба-
ланс ротора вследствие возможной асимметрии питания пазов охлаждающим газом ведет к неблаго-
приятным механическим последствиям таких различий.
Учитывая изложенное, создание эффективной методики для определения температурного поля ма-
шины в анормальных режимах является актуальной задачей. Необходимость уточнения результатов при
ухудшении условий охлаждения (или различных вариантах закупорки каналов в обмотке ротора) обуслов-
лена и тем, что ”… такой дефект на работающем турбогенераторе не всегда может быть выявлен своевре-
менно, хотя в местах отсутствия вентиляции … на меди могут возникать цвета побежалости” [16].
Целью работы являлись расчетные исследования нагрева ротора турбогенератора ТГВ-300
при нарушениях симметрии непосредственного водородного охлаждения в каналах обмотки возбуж-
дения, способных привести (при определенных условиях) к превышению максимальной температуры
изоляции предельно допустимой величины, тепловому небалансу ротора, появлению внутренних ме-
ханических напряжений сжатия в витках на перегревающихся участках обмотки, превосходящих пре-
дел текучести меди. Методика расчета основана на использовании метода конечных элементов
(МКЭ) и реализована в виде разработанного пакета программ TERM для ПК на языке ФОРТРАН.
Основные теоретические положения для определения тепловых нагрузок при помощи МКЭ и осо-
бенности разработанной полевой методики приведены в работе [13]. В [11] отражены результаты вариант-
ных расчетов температурного поля на зубцовом делении ротора ТГВ-300 при различных условиях охлаж-
дения витков обмотки возбуждения. В качестве упрощающего допущения принималось, что отвод тепла
осуществлялся только с поверхности ротора в зазор и каналы витков обмотки возбуждения. Таким образом,
не учитывался теплопереток к соседним зубцово-пазовым областям, смежным зонам ярма и большого зуба,
в чем заключались основные количественные и качественные неточности расчетов.
Для исследования тепловых процессов в активной зоне ротора ТГ при частичной закупорке
вентиляционных каналов в отдельных пазах были выполнены численные расчеты при номинальной
электрической нагрузке в синхронном режиме. Рассчитывалось температурное поле в наиболее на-
гретой зоне бочки ротора (центральном сечении – месте выхода горячего газа из обмотки) на полюс-
ном делении машины. Тем самым исследуемая область значительно расширилась, количество рас-
четных узлов существенно увеличилось. Задача решалась в декартовой системе координат.
Поскольку температура бочки ротора не является определяющей при оценке допустимости нагре-
вов элементов ТГ, большой зубец моделировался однородной структурой без учета дополнительных (для
выравнивания жесткости вала) продольных пазов. Дискретизация элементов заполнения каждого паза
ротора (рис. 1) осуществлялась автоматически в соответствии с границами раздела сред материалов. Об-
ласть разбивалась на 10452 элемента, температуры определялись в 5332 узлах треугольной сетки.
Источниками тепловыделений в роторе являются объемные потери на возбуждение (равномерно
распределенные по активному объему обмотки) и сосредоточенные поверхностные потери (на трение
бочки о водород). Удельные потери в меди обмотки ротора в номинальном режиме при токе возбуждения
3050 А составляют 1,694 Вт/см3. Потери на трение ротора о водород равны 244 кВт [15], тогда при длине
активной части ротора 5800 мм, диаметре бочки 1120 мм и числе узлов на поверхности модели по-
люсного деления 105 потери на трение в каждом из этих узлов составляют 1,717 Вт/см.
Коэффициенты теплопроводности λ [Вт/(м·°С)] принимались равными 55; 0,34; 0,19; 385;
160 соответственно для стали, изоляции (стеклотекстолит), водорода, меди, дюралюминиевого клина
[3]. Величина коэффициента теплоотдачи α с поверхности бочки ротора в водород воздушного зазора
принята 1410 Вт/(м2⋅°С), температура холодного газа − 35 °С, превышение температуры газа в зазоре
− 43 °С, соответственно температура газа в зазоре − 78 °С. При скорости газа в вентиляционных
каналах 48 м/с коэффициент теплоотдачи в них равен 880 Вт/(м2⋅°С), а температура газа в канале на
выходе из обмотки в номинальном режиме − 85 °С [2].
Моделирование термодефектов осуществлялось последовательной «закупоркой» вентиляци-
онных каналов (по одному) витков катушки, начиная с верхнего, ближайшего к пазовому клину, и
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4 61
далее увеличивая число их, рядом находящихся, к элементарным проводникам на дне паза. При этом
для различных вариантов дополнительное изменение превышения температуры газа в незакупорен-
ных каналах «дефектных» пазов принималось (в первом приближении) пропорциональным уменьше-
нию расхода газа в пазу (или увеличению количества закупоренных каналов витков ОР).
Получаемые при таком допущении нагревы меди «дефектных» пазов следует ожидать не-
сколько завышенными по величине, поскольку, хотя и бóльшая часть суммарных выделяемых в про-
водниках потерь должна отводиться охлаждающей средой в каналах, некоторая доля тепла передает-
ся также посредством теплопроводности через пазовую изоляцию в железо зубцов, ярма, клинья и, в
конечном итоге, конвективно снимается с поверхности бочки ротора в зазоре генератора.
Возникновение дефектов предполагалось в пазу ротора между осями d и q машины.
На рис. 2 показаны результаты исследований распре-
деления температурного поля при асимметрии охлаждения ОР
по оси малого зубца, прилегающего к «дефектному» пазу мо-
дели ротора ТГВ-300 (т.е. по радиусу, совпадающему с внеш-
ней поверхностью пазовой изоляции). Рис. 3 отражает резуль-
таты по оси «дефектного» паза (т.е. по радиусу ротора, совпа-
дающему с внутренней поверхностью пазовой изоляции эле-
ментарных проводников). Обозначения кривых от 0 до 6 со-
ответствуют вариантам расчета при частичной закупорке в
«дефектном» пазу от 0 (без дефекта) до 6 верхних (от зазора)
каналов охлаждения в витках обмотки возбуждения.
На рис. 4 показано распределение температур в двух,
симметрично расположенных относительно оси d, зубцовых
делениях для крайнего возможного случая дефекта охлажде-
ния в пределах одного паза: 1 – по оси малого зубца, приле-
гающего к «дефектному» пазу со всеми (7) полностью заку-
поренными каналами витков, т.е. при косвенном охлаждении
данного участка ОР; 2 – то же по оси «дефектного» паза; 3 –
по оси «нормального» паза с номинальными условиями сис-
темы непосредственного охлаждения витков; 4 – то же по оси
малого зубца.
Результаты исследований показали, что при номиналь-
ных условиях непосредственного охлаждения меди бóльшая
часть тепла от катушек отводится газом, циркулирующим в
вентиляционных каналах витков. При этом зубцы и тело рото-
ра не играют роль основного теплопровода, перепады темпера-
тур на участках бочки между средней частью и его поверхно-
стью сравнительно небольшие (до 10 °С по оси полюсов d).
Данный фактор благоприятно сказывается на величинах внут-
ренних температурных напряжений разрыва [1] в «холодных»
частях бочки ротора.
Увеличение числа закупоренных каналов в отдельных витках (снижение расхода газа в «де-
фектном» пазу) приводит к повышению нагрева практически только в зубцово-пазовом слое: сущест-
венно возрастают нагревы меди ОР и величины перепада температур по толщине изоляции. В то же
время нагревы наружной и внутренней зон ярма ротора изменяются незначительно, в отличие от ре-
зультатов, полученных при расчетах области, ограниченной только зубцовым делением [11], когда
температуры железа сильно зависели от степени развития и близости дефекта в обмотке.
Поверхность ротора, интенсивно охлаждаемая газом, циркулирующим в зазоре, также в ос-
новном нечувствительна к изменениям температур в его средней и нижней частях (рис. 2, 3). Поверх-
ность большого зубца является наиболее «холодной» зоной ротора (по данным расчетов).
Таким образом, переток некоторой части тепла из «дефектной» области ротора (паза с час-
тично закупоренными каналами) в «исправную» (близлежащие зубцы и ярмо) практически не приво-
дит к искажениям температурного поля последней по сравнению с исходным режимом при номи-
нальных условиях охлаждения всей пазовой зоны (рис. 2, 3, кривые 0).
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50
T,ºC
R2, см
Ярмо ротора Зубцово-
пазовая
зона
Область
клина
0 1 2
3 4 5 6
Рис. 2
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50
T,ºC
Ярмо ротора Зубцово-
пазовая
зона
Область
клина
6 5
4
3
21
0
R2, см
Рис. 3
0
50
100
150
200
0 10 20 30 40 50 R2, см
2
1 3
4
Ярмо ротора Зубцово-
пазовая
зона
Область
клина
T,ºC
Рис. 4
62 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
Разность нагревов симметрично расположенных относительно оси d «нормального» и «де-
фектного» зубцовых делений при полной закупорке каналов в пределах одного паза (рис. 4) превы-
шает 25 °С по железу малых зубцов и 110 °С − по меди катушки.
В конечном итоге, на картину результирующего температурного поля всего ротора влияет мес-
то расположения «дефектных» пазов с локальными перегревами по отношению к исправным, т.е. уг-
ловая координата φ. В зависимости от тангенциальной координаты действие температурного возму-
щения в прилегающем к оси d пазу значительнее сказывается на нагреве большого зубца, нежели при
наличии очага возмущения посередине обмотанной части ротора (по оси q). При полном прекраще-
нии циркуляции водорода в отдельных пазах (рис. 4) перегрев этой зоны приводит к максимальному
искажению формы температурного поля на полюсном делении в радиальном и тангенциальном на-
правлениях по сравнению с ее картиной при исходных номинальных условиях режима.
Возникающий при наличии дефектов охлаждения температурный небаланс может привести к
недопустимому повышению вибраций ротора.
Изгиб вала при повышенных температурах однотипных, симметричных относительно оси q,
зубцово-пазовых «дефектных» слоев на смежных участках обоих полюсных делений ротора по срав-
нению с нагревом элементов противоположной (исправной) его половины происходит в плоскости,
проходящей через ось симметрии обмотанной части бочки. Температурная асимметрия противолежа-
щих больших зубцов вызывает деформации, обуславливающие прогиб в ортогональной плоскости,
т.е. через ось полюсов d. Результирующий вектор прогиба вала ротора располагается в некоторой
промежуточной плоскости. При этом решение тепловой задачи должно проводиться уже для полного
кругового сечения ротора [6], что существенно усложняет расчеты.
Расчетные максимальные температуры изоляции обмотки ротора ТГВ-300 в установившемся
номинальном режиме при различном числе закупоренных каналов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Кол-во закупоренных каналов 0 1 2 3 4 5 6 7
Макс. температура изоляции обмот-
ки при Р = Рном, Тхол.газа = 35 °С
96,6
106,7
116,9
127,4
138,7
150,7
166,3
205,0
Как видно из полученных результатов, уже при закупорке трех рядом находящихся вентиля-
ционных каналов проводников локальная максимальная температура изоляции ОР при работе в но-
минальном режиме близка к предельно допустимой (130 °С) для соответствующего класса нагрево-
стойкости материала изоляции В. Поэтому при обнаружении во время ремонта закупорки даже трех
или более вентиляционных каналов в обмотке, дальнейшая эксплуатация такого ТГ становится опас-
ной с точки зрения теплового старения изоляции ОР.
Кроме того, силы трения, обусловленные центробежными усилиями, препятствуют относи-
тельному перемещению обмотки и бочки ротора, вызванному разностью их температур и коэффици-
ентов линейного расширения, и температурное удлинение меди переходит в деформацию сжатия.
Возникающие вследствие увеличения коэффициента неравномерности нагрева внутренние на-
пряжения сжатия в меди витков [1, 16] на перегревающихся участках обмотки определяются как
мсмсмаксмсж Ettt )]([ 03 αααασ −−−= ,
где αм и αс – коэффициенты линейного расширения меди и стали; t3 – средняя температура зубцового
слоя; tмакс – максимальная температура меди; t0 – температура ротора перед пуском (принимается рав-
ной 20 ºС); Eм – модуль упругости меди.
Из формулы следует, что основная часть температурного напряжения в обмотке определяется
разностью местных нагревов меди и температуры стали ротора. Как видно из рис. 2, 3, 4 и табл. 1,
рабочая температура железа зубцов и меди различных витков, входящих в одну и ту же катушку ОР,
неодинакова. Так, при закупорке пяти каналов
6 2[0,000017 150,7 0,000012 101 20 (0,000017 0,000012)] 1,1 10 1375 кгс/смсжσ = ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅ ⋅ ≅ ,
что превосходит предел текучести меди (1100–1200 кгс/см2). Поэтому в результате многократных
циклов пусков и остановок ТГ в процессе эксплуатации это может приводить к существенным оста-
точным температурным деформациям витков и механическому разрушению корпусной и витковой
изоляции катушек ОР. Указанные явления снижают эксплуатационную надежность машины.
Необходимо отметить, что для предупреждения аварий энергоблоков и обеспечения длитель-
ной и надежной эксплуатации ТГ после вывода его в ремонт предусматривается, в частности по ро-
тору, проверка вентиляционных каналов обмотки на продуваемость подачей сухого сжатого воздуха
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4 63
под избыточным давлением 3 кгс/см2 (294 кПа) [9] в каждое вентиляционное отверстие пазовых
клиньев в средней части бочки ротора. Частичное или полное перекрытие канала может быть обна-
ружено с помощью манометра и вентиля на насадке, подающего сжатый воздух [14]. Выход воздуха
контролируется в лобовых частях обмотки под бандажами.
Поскольку большинство энергоблоков с ТГ типа ТГВ-300 практически выработало регламен-
тированный ресурс, требуется их поузловая модернизация или замена.
Возможность повышения мощности ТГ в рамках базовой модели ТГВ-300 рассматривается в ра-
боте [7]. При этом в новом ТГ были сохранены основные технические решения, в том числе система вен-
тиляции. Однако, при неизменности условий охлаждения повышение потерь может привести к тому, что
в отдельных зонах (в частности, местах выхода горячего водорода) величины температур активных час-
тей могут превысить допустимые значения. Увеличение мощности в рамках базовой модели достигается
наряду с другими конструктивными мероприятиями и благодаря повышению давления газа в корпусе ТГ,
что приводит к пропорциональному увеличению объемной теплоемкости водорода и, в значительной ме-
ре, коэффициентов теплоотдачи. Предложенная в [7] аналитическая методика расчета теплового поля ТГ
и анализ его теплового состояния для различных режимов работы основаны на упрощающем допущении
о том, что обмотка и сердечник статора не связаны между собой в тепловом отношении (теплопередача
через корпусную изоляцию стержней статора отсутствует). Активные и торцевые зоны рассматривались
отдельно. Максимальная температура в пазовой части обмотки ротора в номинальном режиме составила
по расчету 157,5 °С (допустимый нагрев для изоляции класса F равен 155 °С).
Проведение экспериментальных испытаний на вращающемся роторе на-
турного ТГ в реальных условиях эксплуатации на электростанции достаточно за-
труднено. В связи с этим для опытной проверки достоверности результатов, полу-
чаемых на основе разработанной методики численного расчета, были проведены
исследования по определению тепловых и термомеханических параметров образца
стержня обмотки статора ТГ мощностью 300 МВт в различных режимах.
Разрез стержня базового ТГ в пазу показан на рис. 5: 1 – медные проводни-
ки сечением 1,95×7,4 мм2 с изоляцией ПДА; 2 – изолированная вентиляционная
трубка из немагнитной стали размером 0,5×8,5×14 мм; 3 – стеклотекстолитовые
прокладки; 4 – корпусная изоляция.
С целью повышения единичной мощности, сохранения надежной и удоб-
ной в эксплуатации системы полного водородного охлаждения, возможности уста-
новки (без какой-либо доработки) ТГ на существующие фундаменты Харьковский
завод «Электротяжмаш» в настоящее время приступил к выпуску модернизиро-
ванных ТГ номинальной мощностью 325 МВт типа ТГВ-325-2А.
Для обмотки статора ТГВ-325-2А применена термореактивная изоляция
класса нагревостойкости «F». Изолированный стержень подвергается вакуумированию, гидростатиче-
ской опрессовке и запеканию. Толщина изоляции стержня при нанесении одинакового количества сло-
ев ленты благодаря такой технологии уменьшается, а электрическая прочность изоляции повышается.
Несмотря на применение изоляционных материалов класса «F», допустимые температуры об-
мотки, стали и горячего газа установлены, как для класса нагревостойкости «B» согласно ГОСТ 533-
2000, что позволяет гарантировать срок службы высоковольтной изоляции не менее 40 лет.
Сечение меди стержня для сохранения неизменной величины плотности тока в обмотке ста-
тора увеличено. Внешние же размеры изолированных стержней обмотки статора ТГ типа ТГВ-325-
2А по сравнению с базовым ТГВ-300 практически не изменены [8].
Собственно экспериментальные исследования проводились на модели стержня (прямолиней-
ном его отрезке длиной 1 м) пазовой части обмотки статора натурного, модернизированного до мощ-
ности 325 МВт, ТГ блока № 8 Змиевской ТЭС.
В подготовке и проведении испытаний участвовали сотрудники отдела № 10 ИЭД НАН Ук-
раины Д.А.Павлишин, В.Л.Ахременко, А.И. Воронин. В процессе испытаний во всех 7 вентиляци-
онных трубках стержня в постоянном режиме с помощью насоса циркулировала горячая вода, ими-
тирующая нагрев обмотки статора при прохождении по ней тока в реальных условиях эксплуатации.
При этом один конец стержня был защемлен, а другой мог свободно перемещаться при нагреве. Бо-
ковые поверхности оставались свободными. Экспериментальные измерения проводились в различ-
ных установившихся режимах относительно температуры горячей воды, в частности: I – 85,5 °С; II –
76 °С при температуре окружающей среды соответственно 20,6 °С; 28 °С. Аксиальный перепад тем-
Рис. 5
64 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
пературы воды на входе и выходе из каналов по длине стержня в обоих случаях не превышал 3–4 °С.
Определение температурных полей и напряженно-деформированного состояния под воздействием
теплового потока от элементарных медных проводников с каналами к поверхности изоляции стержня
осуществлялось в отдельных узлах по длине и ширине модели. Опытные значения температур оцени-
вались при помощи термопар "хромель-копель", установленных на расстоянии 20 см соответственно
слева и справа от торцов стержня (входа – выхода горячей воды) на поверхности меди, на наружной
поверхности изоляции и на глубине изоляции, равной половине ее толщины.
Для измерения деформаций использовались фольговые тензорезисторы типа КФ517. На торце
стержня со стороны выхода горячей воды устанавливались также механические датчики, фиксиро-
вавшие максимальные перемещения его узлов (или общее удлинение модели на базе 1000 мм при же-
стком закреплении противоположного торца).
Для расчета МКЭ область разбивалась на 836 элементов, температуры (скалярные величины)
определялись в 468 узлах треугольной сетки, число уравнений для решения термомеханической зада-
чи по определению перемещений (векторных величин) в этих узлах составляло соответственно 936.
Коэффициенты теплопроводности λ [Вт/(м·°С)] принимались равными 77; 0,16; 385; 0,67 для стали
вентиляционного канала, изоляции стержня, меди проводников, воды в каналах (при 75 °С). При ес-
тественной конвекции на всех четырех поверхностях сечения стержня задавалась общая величина
коэффициента теплоотдачи к воздуху α ≈ 14 Вт/(м2⋅°С) [5] – граничные условия III рода. Изменение
температур воды по длине каналов предполагалось по линейному закону, и их значения в каждом
узле модели задавались как граничные условия I рода в задачах теплопроводности. Полученные зна-
чения нагревов по всем элементам исследуемой области записывались на жесткий диск и являлись
исходными данными для последующего решения задач термомеханики.
Для расчета термомеханических характеристик использовались установившиеся (эксперимен-
тальные и расчетные) распределения уровней нагревов основных узлов модели обмотки статора в
радиальном и аксиальном направлениях по длине стержня (вход – выход горячей воды в вентиляци-
онных каналах) в различных режимах.
Перемещения и напряжения исследовались при следующих коэффициентах теплового расши-
рения, модулях упругости и коэффициентах Пуассона [4, 10] соответственно для:
1 – изоляции: .изолα =1,35⋅10-5 1/° С; .изолE =1,85⋅104 МПа; .изолμ =0,39;
2 – меди: Cuα =1,70⋅10-5 1/° С; CuE =1,10⋅105 МПа; Cuμ =0,33;
3 – стали вентиляционных каналов обмотки: Feα =1,1⋅10-5 1/° С; FeE =1,25⋅105 МПа; Feμ =0,30.
В узлах на площадке, где осуществлялось жесткое закрепление по ширине 5 см от левого тор-
ца стержня (вход воды в каналы), задавались граничные условия I рода – нулевые перемещения по
осям x и y декартовой системы координат. В узлах на поверхности соприкосновения стола и нахо-
дившегося на нем стержня радиальные перемещения последнего по оси «-y» также невозможны. Ос-
тальные узлы считались «свободными». Контакт между различными материалами модели (слои изо-
ляция – медь – сталь) принимался идеальным.
Сопоставление полученных экспериментальных и расчетных характерных физических пока-
зателей опытного образца в исследуемых тепловых режимах приведено в табл. 2.
Таблица 2
Tводы=85,5°C, Tокр.ср.=20,6°С Tводы=76,0°C, Tокр.ср.=28,0°С Режим
Величина Эксперимент Расчет Эксперимент Расчет
Максимальное превышение
температуры меди стержня [°C] 64,4 63,9 47,3 47,0
Максимальное превышение температуры на
поверхности изоляции стержня,°C 44,7 44,5 31,5 31,4
Перепад температуры по толщине изоляции,°C 19,7 19,4 15,8 15,6
Общее удлинение стержня обмотки [мм] 0,856 0,881 0,632 0,634
В меди – -17,9 – -13,0 Аксиальные термомеханические
напряжения в центре [МПа] В изоляции – 3,9 – 2,8
Напряжения в двух последних строках табл. 2 будут иметь такие величины в том случае, если де-
формации меди и изоляции будут одинаковыми, т.е. расслоение будет отсутствовать («идеальный кон-
такт»). В процессе испытаний расслоение обнаружено не было. Значения радиальных термомеханических
напряжений практически во всех слоях модели (за исключением «защемленного» торца) по результатам
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4 65
экспериментов (косвенным, с использованием полученных величин деформаций для определения напря-
жений по аналитическим выражениям) и расчетов (прямым, по МКЭ) оказались несущественны (σy≈0).
Некоторое расхождение экспериментальных и расчетных значений может объясняться наряду с другими
причинами (задаваемыми величинами теплофизических и термомеханических параметров, принимаемы-
ми упрощающими допущениями) и относительно крупным выбранным шагом сетки конечных элемен-
тов: по длине модели (координате x выбранной декартовой системы координат) – 2,5 см; по высоте (коор-
динате y) – в соответствии с реальными размерами по спецификации материалов стержня.
Выводы. 1. При значительных нарушениях симметрии газоснабжения вентиляционных кана-
лов обмотки ротора ТГ с непосредственным охлаждением проводников ее локальные максимальные
температуры превышают предельно допустимую величину для соответствующего класса нагрево-
стойкости материала изоляции. Это снижает эксплуатационную надежность машины и уменьшает
остаточный ресурс по критерию теплового старения изоляции.
2. Закупорка каналов может приводить при нагреве на вращающемся роторе к возникновению
в витках внутренних напряжений сжатия, остаточным температурным деформациям и механическо-
му разрушению корпусной и витковой изоляции. Последние явления в большей мере были характер-
ны ранее для ТГ с косвенной системой охлаждения и повышенным значением коэффициента нерав-
номерности нагрева обмотки.
3. Сопоставление экспериментальных и расчетных тепловых и термомеханических значений
параметров на физической модели стержня обмотки статора мощного ТГ показало их удовлетвори-
тельное совпадение.
4. Полученные результаты численных исследований температурного поля на полюсном деле-
нии геометрически несимметричной (наличие большого зуба) области с учетом теплопередачи к
смежным участкам ротора при физической неравномерности распределения нагрева в локальных точ-
ках (дефектах охлаждения) могут служить основой для последующих уточненных термомеханичес-
ких расчетов и анализа вибрационного состояния ТГ.
1. Азбукин Ю.И. Анализ теплового состояния ротора турбогенератора ТВ2-150-2 // Электрические стан-
ции. – 1971. – № 10. – С. 36–39.
2. Борисенко А.И., Данько В.Г., Яковлев А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах.
– М.: Энергия, 1974. – 560 с.
3. Брынский Е.А. Вихревые токи, нагревы и обеспечение термостойкости массивных роторов крупных
электрических машин переменного тока: Дисс.докт.техн.наук. – Л.: 1987. – 419 с.
4. Глебов И.А., Данилевич Я.Б. Научные основы проектирования турбогенераторов. – Л.: Наука, 1986. – 184 с.
5. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. – 264 с.
6. Гуревич Э.И., Любимцев А.С. Температурное поле ротора турбогенератора при нарушениях симмет-
рии газоснабжения пазовой зоны // Электросила. – 2001. – № 40. – С. 108–116.
7. Данько В.Г., Гончаров Є.В., Черемісов І.Я., Сайног Г.І. Аналіз теплового стану турбогенератора по-
тужністю 325 МВт з аксіальним водневим охолодженням // Праці Інституту електродинаміки НАН України. Зб.
наук. праць. – 2010. – Вип. 25. – С. 46–53.
8. Зозулін Ю.В., Антонов О.Є., Бичік В.М., Боричевський А.М., Кобзар К.О., Лівшиць О.Л., Ракогон В.Г.,
Роговий І.Х., Хаймович Л.Л., Чередник В.І. Створення нових типів та модернізація діючих турбогенераторів для
теплових електричних станцій. – Харків: ПФ «Колегіум», 2011. – 228 с.
9. Иноземцев Е.К. Ремонт турбогенераторов ТГВ-200 и ТГВ-300. – М.: Энергия, 1977. – 120 с.
10. Кулаковский В.Б. Работа изоляции в генераторах: Возникновение и методы выявления дефектов. –
М.: Энергоиздат, 1981. – 256 с.
11. Кучинский К.А. Исследование теплового и термомеханического состояния элементов ротора в ак-
тивной зоне турбогенератора ТГВ-300 при наличии дефектов охлаждения // Працi Iнституту електродинамiки
НАН України. Зб. наук. праць. – 2010. – Вип. 27. – С. 46–51.
12. Справочник по ремонту турбогенераторов. Под ред. Х.А.Бекова, В.В.Барило. – М.: ИПК госслужбы,
ВИПКэнерго, 2006. – 724 с.
13. Титко А.И., Кучинский К.А., Ахременко В.Л., Осадчий Е.П. Влияние несимметричных температур-
ных полей на вибрационное состояние ротора электрических машин // Працi Iнституту електродинамiки НАН
України. Зб. наук. праць. – 2006. – № 3 (15). – С. 33–40.
14. Хазан С.И. Турбогенераторы: Повреждения и ремонт. Под ред. П.И.Устинова. – 3-е изд., перераб. и
доп. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 520 с.
15. Эксплуатация и ремонт турбогенератора ТГВ-300. – Киев: Технiка, 1973. – 196 с.
16. Эксплуатация турбогенераторов с непосредственным охлаждением. – М.: Энергия, 1972. – 352 с.
66 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
УДК 621.313.322
АНАЛІЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ РОТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА ПОТУЖНІСТЮ 300 МВт ПРИ АСИМЕТРІЇ
ОХОЛОДЖЕННЯ ПАЗОВОЇ ЗОНИ
К.А.Кучинський, канд.техн.наук
Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна, e-mail: kuchynskyy@mail.ru
За допомогою методу кінцевих елементів досліджено температурні поля на полюсному поділі ротора турбо-
генератора ТГВ-300-2 у номінальному режимі при порушеннях симетрії безпосереднього водневого охолоджен-
ня в каналах обмотки збудження. Показано, при якій кількості «дефектних» каналів максимальна температу-
ра ізоляції обмотки ротора перевищує гранично допустиму величину. Визначено величини внутрішніх напру-
жень стиску в міді витків на ділянках обмотки, які перегріваються. Визначено, при яких температурах меха-
нічні напруги перевищують границі текучості міді. Проведено порівняння значень експериментальних і розра-
хункових теплових і термомеханічних параметрів на фізичній моделі стрижня обмотки статора потужного
ТГ. Бібл. 16, табл. 2, рис. 5.
Ключові слова: ротор, охолодження обмотки, тепловий дисбаланс, максимальна температура.
THE ANALYSIS OF TEMPERATURE FIELD OF ROTOR OF TURBOGENERATOR CAPACITY 300 MW AT ASYM-
METRY OF COOLING OF GROOVING ZONE
K.A. Kuchynskyi
Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine,
Peremogy pr., 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine, e-mail: kuchynskyy@mail.ru
By means of a finite-elements method temperature fields on polar division of a rotor of turbogenerator ТГВ-300-2 in a
nominal mode are investigated at infringements of symmetry of direct hydrogen cooling in channels of a winding of
excitation. It is shown, at what quantity of "defective" channels the maximum temperature of isolation of a winding of a
rotor exceeds maximum permissible magnitude. Magnitudes of internal stresses of compression in copper of convolu-
tions on superheated sections of a winding are defined. It is defined, at what temperatures mechanical stresses surpass
a copper yield stress. Comparison of values of experimental and settlement thermal and thermomechanical parameters
on physical model of the rod of a winding of the stator powerful ТГ is spent. References 16, tables 2, figures 5.
Key words: a rotor, cooling of a winding, a thermal disbalance, the maximum temperature.
1. Azbukin Yu.I. The analysis of a thermal condition of a rotor of the turbogenerator ТВ2-150-2 // Elektricheskie stantsii. –
1971. – № 10. – Pp. 36–39. (Rus)
2. Borisenko A.I., Danko V.G., Yakovlev A.I. Aerodynamics and a heat transfer in electric machines. – Moskva: Energiia,
1974. – 560 p. (Rus)
3. Brynskii E.A. Eddy currents, heatings and maintenance of thermal stability of massive rotors of large electric machines of
an alternating current: Dr.sc.techn. – Leningrad, 1987. – 419 p. (Rus)
4. Glebov I.A., Danilevich Ya.B. Scientific of a basis of designing of turbogenerators. – Leningrad: Nauka, 1986. – 184 p. (Rus)
5. Gotter G. Heating and cooling of electric machines. – Moskva-Leningrad: Gosenergoizdat, 1961. – 264 p. (Rus)
6. Gurevich E.I., Liubimtsev A.S. Temperature field of a rotor of the turbogenerator at infringements of symmetry of gas
supply of a grooving zone // Elektrosila. – 2001. – № 40. – Pp. 108–116. (Rus)
7. Danko V.G., Goncharov E.V., Cheremisov I.Ya., Sainog G.I. The analysis of a thermal condition of the turbogenerator
power 325 MW with axial hydrogen cooling // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. – 2010. –
Vol. 25. – Pp. 46–53. (Ukr)
8. Zozulin Yu.V., Antonov O.E., Bychik V.M., Borychevskyi A.M., Kobzar K.O., Livshyts O.L., Rakogon V.G.,
Rogovyi I.Kh., Khaimovych L.L., Cherednyk V.I. Creation of new types and modernisation of acting turbogenerators for thermal
power plants. – Kharkiv: PF «Kolegium», 2011. – 228 p. (Ukr)
9. Inosemtsev E.K. Repair of turbogenerators ТГВ-200 and ТГВ-300. – Moskva: Energiia, 1977. – 120 p. (Rus)
10. Kulakovskii V.B. Operation the insulation in the generators: Occurrence and defects detection methods. – Moskva:
Energoizdat, 1981. – 256 p. (Rus)
11. Kuchinskii K.A. Investigation of a thermal and thermomechanical condition of elements of a rotor in an active zone of
turbogenerator ТГВ-300 when available of defects of cooling // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk
Ukrainy. – 2010. – Vol. 27. – Pp. 46–51. (Rus)
12. Reference book on repair of turbogenerators. By Bekov Kh.A., Barilo V.V. – Moskva: IPK gossluzhby, VIPKenergo,
2006. – 724 p. (Rus)
13. Titko A.I., Kuchinskii K.A., Akhremenko V.L., Osadchii E.P. Influence of asymmetrical temperature field on a vibrating
condition of a rotor of electric machines // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. – 2006. – № 3
(15). – Pp. 33–40. (Rus)
14. Khasan S.I. Turbogenerators. – Moskva: Energoatomizdat, 1983. – 520 p. (Rus)
15. Operation and repair of turbogenerator ТГВ-300. – Kyiv: Tekhnika, 1973. – 196 p. (Rus)
16. Operation of turbogenerators with direct cooling. – Moskva: Energiia, 1972. – 352 p. (Rus)
Надійшла 16.10.2012
Received 16.10.2012
|