Введение к работе
Актуальность темы. В мировом турбогенераторостроении в последние годы наблюдается тенденция создания турбогенераторов мощностью до 160 МВт, 3000 об/мин с воздушной системой охлаждения. Воздух,- как охлаждающая среда, применяется в электрических машинах с момента их создания. Прогресс в изоляционных, конструктивных и активных материалах, достигнутый за последние 15-20 лет, позволил вернуться к идее создания мощных турбогенераторов с воздушной системой охлаждения.
Зарубежные фирмы ABB, KWU, AEG - Канис, "Альстом" выпускают двухполюсные турбогенераторы с воздушным охлаждением мощностью до 135-188 МВ.А, и их разработка использует предшествующий опыт производства турбогенераторов.
Как показывают результаты проработок, для турбогенераторов, начиная с 15 МВ.А, представляется целесообразным непосредственное воздушное охлаждение обмотки ротора. В различных типах генераторов используются разные системы непосредственного охлаждения ротора. На основе передового Российского и мирового опыта турбогенераторостроения в НИИэлектромаше создан турбогенератор мощностью 20 МВт, 3000 об/мин с непосредственным воздушным охлаждением обмотки ротора и косвенным охлаждением обмотки статора. Непосредственное охлаждение обмотки ротора осуществляется с применением системы подпазовых и радиальных каналов по всей длине бочки ротора. Применение такой системы дает возможность использовать центробежные ищы с целью создания дополнительного напора (кроме напора,. ряспшемого вентиляторами) для охлаждения обмотки роторг. ; . l, ,-.- .-.t*
Исследования показывают,' что .превышение температуры является одним из важнейших факторов влияния на жизнь электрических машин. Для определения распределения температурного поля в турбогенераторе с непосредственным охлаждением воздухом ротора и зависимости коэффициента теплоотдачи от скорости в радиальном канале и т.п., необходимо производить вентиляционный и тепловой расчеты для обмотки ротора с радиальными и подпазовыми каналами. Поскольку существующие методики не обеспечивают возможности выявления повышенных местных температур, то для решения проблемы создания турбогенераторов с непосредственным охлаждением воздухом со сложной областью необходимо создание новых методик, особенно для турбогенераторов с повышенным использованием активного объема.
Цель работы. Разработка уточненной методики расчета теплового поля активной зоны обмотки ротора с непосредственным охлаждением с радиальными вентиляционными и подпазовыми каналами, проведение численного эксперимента, численное исследование коэффициентов теплоотдачи в каналах при
турбулентном и ламинарном течении воздуха, учет влияния вращения ротора, проведение анализа влияния теплофизических параметров на температурное поле.
Методы исследования. Для расчета температурного поля в турбогенераторе ротора с непосредственным охлаждением воздухом использовались метод конечных элементов и метод релаксации. Расчеты скоростного поля газа в роторе турбогенератора с подпазовыми и радиальными вентиляционными каналами проведены на основе аэродинамического и гидравлического расчетов при турбулентном и вращающемся режимах. При определении взаимосвязи поля скорости газа и коэффициентов теплоотдачи в радиальных и подпазовых вентиляционных каналах, а также температурного поля в турбогенераторе ротора применены метод теории гидравлического подобия и метод теории теплообмена при турбулентном и вращающемся режимах.
Научная новизна работы:
Создан усовершенствованный метод расчета температурного поля ротора с радиальным и подпазовым вентиляционным каналами.
Получены взаимосвязи коэффициентов теплоотдачи и поля скорости, а также температур на поверхности катушки в радиальном канале при турбулентном и вращающемся течениях.
- Выполнен анализ влияния теплофизических параметров воздуха
на температурное поле обмотки ротора в активной зоне.
Практическая ценность работы:
Разработан усовершенствованный метод определения коэффициентов гидравлического сопротивления ," сопротивления трения в роторе с подпазовыми и радиальными вею ляционн'гм" каналами при турбулентном и вращающемся течениях. ;-' .чо-ям.
- Найдены нелинейные связи коэффициента т^гл^тда-:;! в'
радиальном канале и температуры у стенки меди обмотки ротора на
основе теории гидравлического подобия и пограничного условия
третьего рода теплообмена.
- Определена методика расчета коэффициентов гидравлических
сопротивлений с учетом турбулентного и вращающегося течений газа
в соответствии с особенностью конструкции турбогенератора с
непосредственным воздушным охлаждением обмотки ротора.
- Решено стационарное нелинейное уравнение теплопро-
оводимости в области ротора с подпазовыми и радиальными
вентиляционными каналами с помощью методик конечных элементов
и релаксации с учетом нелинейной связи коэффициента теплоотдачи в
радиальном канале и температуры у стенки меди обмотки ротора.
- На основе метода аэродинамического и гидравлического
расчетов найдено распределение скорости в роторе с радиальными и
подпазовыми вентиляционными каналами при турбулентном и
вращающемся течеііиях.
- На основе теории гидравлического подобия получены связи
коэффициента теплоотдачи и распределения скорости, в радиальном
вентиляционном канале при турбулентном и вращающемся течениях,
а также их взаимосвязи с длиной радиального вентиляционного
канала.
- Выявлено влияние физических, параметров воздуха на
коэффициент теплоотдачи и температурное поле.
Апробация работы. Работа апробирована ОЭЭП РАН. Достоверность полученных результатов обеспечена путем использования апробированных методов численного анализа и подтверждена сравнением с данными экспериментальных исследований коэффициентов теплоотдачи в радиальных вентиляционных каналах.
Публикации. По теме диссертации опубликована одна статья.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введени, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Основная часть содержит страницы, включая 10 таблиц 30 рисунков. Список использованной литературы включает 59 наименований.
