Введение к работе
' Актуальность проблемі. Ваттной задачей в комплексе проблем, вязанных с обеспечением требуемого уровня уксилуа-гадиожсЯ на-зжности моіиїьк турбогенераторов, язяяется установление пркчин-с-слєдстбєккьк сапзей между реальными условиями эксплуатации и араметрами, определяющими работоспособное состояние важнейших лемечтоз конструкции.
Статистический анализ поь—зывает, что в современных турбогенераторах обмотка статера .івляется одним из наименее надежных злов конструкции.
Наиболее существенными Факторами, снижающими электрическую, рочность изоляции стержней, лвляэтея тепловое и механическое гарёние, а также циклические термомеханические нагрузки, при.об-?тащие особую опасность в ;млсвиях манезренных режимов зкеплуа-іции и различных аварийных ситуациях в системе охлаждения. Воздающие при этом тепловые наприкения и деформации могут также ;ибодить к по влекито локальных нагревов вследствие повреждения юляции и перекрытия каналов охлаждения, что способствует появ-шио дополнительных приращений тестловых деформаций.
Разработка методов стабилизации тармомеханичэского состоя-ія обмотки при переменных Г- ;жи*«ах эксплуатации является актуаль-ій задачей, направленной ка повышение эксплуатационной надежно-'К турбогенераторов.
Цель работы и задачи исследования. Настоящая работа направ-
на на исследование перехо.глых термомеханических процессов з
зржневых обмотках турбогенераторов с водяным охлаждением, воз-
кагсщих при различных эксплуауационно-азарийных ситуациях з це-
х повышения-их эксплуатационной надежности. .
Основными задачами раСоты являются
-
Разработка математической модели и методики численного допирования переходных термошхаяичееких полей и процессов в ержневых обмотках мощных турбогенераторов при различных эксп-атациопно-аварийнкх ситуациях.
-
Определение перехочных термомеханических характеристик, яяываицих конкретные изменсучя рабочего режима с теялоЕыми л пмомеханическими процессами ь обмоткэ.
3. Разработка ;.'.єтод:іки моделирования и ксегадозаниє процесса тепловоі: стабилизации терксмзхалкчеокого состояния сбдаг— ки при п.еремгннж нагрузках. . .
Ме^одикя исследования базируется ма соврет/юккой методологии численного эксперимента.. 3 сенсу методики пит.сг.тгА математические модслч высокого уровня адекватности и аффективные алгоритм их реализации на ЭВМ.
Наугиая '2?Щ11Г±' Щ>* решении научной зэд.эпи р&.сче?нс-теоре-тичссяого исследования эксплуатацпокко-азарийных переходных тер-: мсмеханичееких процессов в стєр^иезсй обмотке турбогенератора с водяным охлаждением разработали следующие новые положения.
І. Математическая модель и методика численного моделирования переходных термомехаяическкх полей и процессов в стзржнеьых обмотках при различньк'вксллуатациоино-аааркйгіьк ситуациях.
?,. Переходьте телемеханические характеристики, связывающие конкретное изменение рабочего режима с тепловыми и термомеханическими процессами в обметке.
3. Методика моделирования и результаты исследования процесса, стабилизации терчоыеханического состояния обмотки при переменных графиках нагрузки.
Практическая ценность результатов. Разработанная математическая модель и полученные переходные термомеханкческие характеристики обмотки могут' быть испо.чьзоЕакы при совершенствовании существующих и разработке новых конструкций изоляции стержневых обмотох, а также нормировании условий эксплуатации Tj'pdoгенераторов.
Результаті! и методика моделирования процесса тепловой стабилизации ТерМОМехаНИЧеСКОГО СОСТОЯНИЯ ОбмОТОК МОГУТ бЫТЬ ИСПОЛ]
зованы при практі. іеской реализации аналогичных процедур в реальных условиях эксплуатации.
Результаты диссертационной работы использованы в ДГТУ ігри выполнении научно-исследовательских юабот по повышению надежное ти мощных турбогенераторов.
Апробация работы. Основные результаты исследований доклада вались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры электрических машин ЛГТУ.
Публикации. По результатам выполнение исследовании опубликована одна статья.
Объем оабэтц. Диссе^ тациэнкая работа состоит из вгдечил, четырех глав, заключения и приложения, список литературы кз 119 наименований, содержит 0 страниц машинописного текста, б таблицы и 46 рисунков на 50 страницах.
КРАТКОЕ иОДЕР/ш'ШЖ РАБОТЫ
Во введ>?яии обосновывается актуальность так. Оялечается, что в работал Счастливого ji'JV сформулирован комплекс фундемен-тальных задач надежности эле трических ..'.ашин, з работах Гурови-ча О.И. и Рыбина ЮЛ. разработаны математические аналитические г/одъли переходных тепловых процессов, з работах Зэг.сера Б.Д., Хаяансза А.И., фирмы "Сименс'" представлены результаты физических экспериментов по 'исследовакчх тепловых напряжений з стержневих обмотках генераторов с во; тным охлаждением в условиях переменных тепловых нагр„jck. Далее во введении формулируются задачи диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.
3 первой главе представлена статистика отказов стержневых обмоток. Отмечено, что одной из осноеных причин отказов турбогенераторов яботэтся заводские дефекты, причем особое значение тлеет качество изготовяенк:. Статистика показывает, что примерно одна треть всех аварийных остановок турбогенераторов обусловлена изоляцией обмотки статора.
Повреждения обмотки статора происходят вследстзиэ электри
ческого пробел изоляции обмотки. Основное условие .возникновения
пробоя состоит в наличии участков пониженной электрической проч
ности в изоляции обмотки. Тгкчэ участки могут появиться вслед
ствие дефектов изготовления, ловрождений при монтажа обмотки или
возникнуть и получить развиїие в процессе эксплуатации или ре
монтных работ. '
Рассмотрены также основные закономерности старения изоляции стержневых обметок под действием различных факторов, определяемых эксплуатационным" условиями работы .турбогенератора. По-ч-азано, что термомехяническиэ нагрузки язляются наиболее суц^ст-знннм и наименее изученным фактором снижения их эксплуатационной тленности.
Bo BTcmofi главе рассматривается численная математическая модель переходных термомехачических процессов в стеркневых об-' мотках о.водяным охлаждзнием.
' Представленная методика ориентирована на исследование тер-.,. , "момеханических процессов б двухслойнж стержневих обмотках статора отечественных турбогенераторов серии ТЕВ и ТЗВ с водяным охлаждением. Стержень данных типое турбогенераторов выполнен из некоторого числа элементарных изолированных проводников прямоугольного сечзн я. Часть элементарных проводников выполняется полым. Каждый полый проводник с близлежащими сплошными образует группу. Для полной KOt/пеясации циркуляционных токов, зозннкающи из-за пазового рассеяния, выполняется транспозиция проводников на. 360.
Исследование переходных термомеханических продассоз в обмотке турбогенератора с непосредственным охлаждением проводилось на'основе метода математического моделирования, предполагающего математическое описание физического процесса в виде сие темы дифференциальных уравнений в частных производных при соответствующих условиях однозначности. При построении математичес-кс.; модели приняты следующие допущения: I) стержень теплоизолирован; 2) реальная транспозиция элементарных проводников заменена ступенчатой с шагом в одну группу; 3) температура меди в .поперечном сечении группы проводников принимается одинаковой; 4) физические параметры охлаждающей воды, активных материалов і изоляции приняты независящими от температуры; 5) не учитывайте* тепловые потоки вдоль длины меди витков (считается, что теплове 'поток в воду существенно больше, чем вдоль меди витков).
С учетом принятых-допущений математическая формулировка зі дачи по расчету температурного поля сводится к решению уравнені нестационарной т плопроьодности в расчетной области, представленной на рис. I.
Краевые условия при этом имеют вид: - граничные условия
4 .
Рисі Р.ісггтні'я об плоть гссяеяолпнкя.
^ — 0 - на поверхности катушки, где /?/ - нормаль к
6П-І
поверхности;
ных границах медь-кзоляция, где П% - нормаль к соответетв^эдей
границе;
- начальное условие
Q, „ — О - в начальный момент- вос:«ени т. - С. Здесь обозначено: (у - превышение температура над кабальной температурой охлаждающей среды; Л. - кое^іициеі:? -т<зплоцро2од-ности материалов среды; Cv - удельная объемкая теплоехлкость материалов среды; Ь - время; Q - производительность внутренних источников тепла; 5^ = о<кПк{В~Ь%~)~ удельный на единицу длина канала тепловой ноток в охлаждающий какал; c<t - коэффициент теплоотдачи в канал ; /7Л - периметр канала; Qj> превышение температуры воды в канале над температурой входящей воды, принятой равной О^.^ ~ О . ,
Подогрев охладаезацей воды б канапе определяется из уразне-ния
при следующих граничном U~ „ 0 — ^ и начальном О^ _ ^-условиях. Где Cv*' - удельная объемная теплоемкость воды;
ї>к - сечение качала; \У - скорость движения охлаждающей поды; х - координата, совпадающая с потоком охлаждающей среда в канале полого элементарного проводника.
Численное решение сформулированной задачи (2) и (2) было выполнено по явной схеме методой конечны?: разностей.
Конечно-разностные аналоги дифференциальной задачи примут вид:
Л I H к \ . А (Н & Ї
_W._At_/C. _ 6p. ') (4)
^r /ц,г ~T
Здесь СІ,.,*. - превышение температуры в сеточном узле t , J , в момент времени tm і &і?,*і* ~ превышение температуры в сеточном узле і , j , в момент времени t^+bt = ~tly.+j і А^ і At - шаги дискретизации соответстаенно по пространственной и временной координатам.
Величины продольных напряжений в поперечном сечении ,2.-.. на момент времени і = -ГУ) (кзеэистационаркая задача) могут быть получены из следующих выражений:
Г /> г .: л '
где ! — L^i - средне? єначенкз -геадг-ерагурь: б сечсчии
стержня площ&иыо Л ; cV/i/ , 0{у - коз~«ъиц;1^нть: тєплоіадг: расширения соответственно для меди и кзслкцуги; tA/ , L'u -МОДУЛЬ уТіруТОСТИ С0073ЄТСТВЄННО для педк II изоляцик.
Деформация изоляции при этом определяется ыъа.чегаем:
.— Г: —
*<_ - и
Определение средней интегрально" температури для :«ед;і л изоляции проводилось численным катодом:
Лл- -у "iyJr - ^- '1
2& ДА';- . =
- - *d У .
Расчет термомеханическэтс 'дсЯюруагкГ: іл напрядений осногси-вглся на результатах теплового расчета, представленного z тлу;:;. средне -интегральных по сечению превышений температур м-.-д>: я изоляции над абсолютной температурой входящей в обмотку охл'яда-о-іцєй среды !..Jir. » принятой в тепловоз.: расчете раъмой нулю. Поэтому полученные значения напряжений'и деформаций, также являются приращениями эти величин, вызванными изменениями те.мпе-' ратуры относительно абсолютной температуры пходяшей иодн
Тл.j^ .
Численный расчет температурноі-о поля исследуемой области производился на ЭБ?Д серии СМ--3 и на ПЭВМ кафедры электрических машин ЛІТУ, по специально разработанной программе, сЬставлонной на входном языке "'ФОРГРАН ГУ"" и ча "ФЭРТРЛН-77".
ул-в мзд<_\"пг гюрс-ходкьх теркомехаппческих процессов и анализ адзк-з.'./гности ч/стенньгх рокх-ний.
Прос.теії.'.с? моделью апагогической теории теплопроводности яаляетс-к адиабатический нагрев, ооотзетствукгдий некоторому об>с\«і-:ему распределения плотности потерь Ч , отсутствия теплообмена с. окру-кет.'^ей средой ( сА. — О ) к низкой заутренней' теплопроводности тела ( А - О ). В этом случае скорость нарастания темлоратурм s кахдоЯ точке тола остается постоянной
Другой наиболее широко распространенном моделью расчета нестационарного нагроза проводников ебмоток электрических машин япплется модель основания на классической теории нагрева твердого изотропного тела с бесконечно больпой теплопроводностью ( л —_ г^ ) > Данная модель учитывает теплоотдачу ( с< ^с О ) ь окрутг.»'лу» сроду с температурой Stp — Ун Уравнение тепло-лого баланса з отом слушав имеет вид
$VjgL + ciF& = %V, (в)
1 ас п
где V - объем меди обмотки, F - площадь поверхности охлаждения, Роташ-э данного уравнения мо-хэт быть представлено в виде
6(1} = fry (V- ё'? ) + 9и& , (9)
/.' -1..1-
>ТКИ, U(-і
гл.? О'ч — — - установившаяся температура обмотки, С/// -
с< і- . ^ V
ильная температура обмотки, / — —гг-=— - постоянная времени
чнкч. При 6:, <$/
3-7/ уравнение описывает процесс оетнва-
Н'лл oC-V)T--.i, U
!Ьг.7'л:іт\;-іоская модель проводника с внутренним охлаждением 'л учетом его подогрева по длине (''ормулируется при следующих допущениях:
І) распр'.іДйлен'іо темпеоптур?1 одномерно по длине;
-
начальная температура проводника равна начальной температуре схлачд&щей среды;
-
потери возрастают мгновенно;
-
отсутствует теплообмен на внешний поверхности проводника;
-
'не учитывается продольная теплопроводность стенок проводника и потека охлаждающей среды.
Тогда приближенное аналитическое решение для наиболее нагретого выходного сечения лрсБодшїка с внутренним водяным охлаждением может быть предотавлечо ломаной линией с участком адиабатического нагрева
Q(t) = fy-L. v- ^
где бу -J^.^j-yy-i-yjJ- установивпаяся температура при ^> 7/ ;
/j =(т -f- -/) (V + -у=-J пг.' - зремя выхода, на установившийся режим; гуі — ^ L , (о' — -^--^ ^ - безразмерные параметры;
При необходимости представления указанной зависимости в экспоненциальной форме возможно использование следующей зависимости
где T,=m+L-L.
65 V-В случае мгновенного прекращения циркуляции охлаждающей
воды выходу на адиабатический реким
З = % (к)
ЪЬ cv/L/ * C^j
предшествует некоторый промежуток времени (единицы, несколько десятков секунд), в конце которого завершается процесс выравнивания скоростей нарастания температур проводника и неподвижной воды.
С момента прекращения циркуляции охлаждающей среды процесс мотет быть рассчитан по выражению
% v
- > (13)
^
0-- /
а С - 1 Л -^
где А -^ —-р- (д*, _ _JjLi'* 7" — —2^-Jll
При частичном, но также мгновенном сокращении расхода пере
ходный течлозой режим может быть приближенно списан следующим
выражением t//5
{yjt)^a; + (^~fy)(-/-i ), (14)
где 72=- ,
.'.'/-i/A./
''-V
исходная к конечная установившиеся температуры? &J > Со > ^ г> ''сходные и конечные расхож и коэффициенты тепяо-
^:,. __ q
с-тл.т^и.
" .''л.тазация теплового состояния обмоток в условиях переменных натауоок зозможна путем коррекции уровня расхода охлаждающей сроач. Величина компенсационного расхода Q-i при переходе из режима с нагрузкой А/ к режиму с нагрузкой /% = -<'. , , где < - -со:-?:;;л.'иепт изменения нагрузки, может бить приближенно опредсч-.іа следующим образом
" " -Ґ ^2 F /
(15)
Так как cV2 в овов очередь является функцией расхода ( , то окончательное значение может быть получено на основе метода последовательных приближений.
Подготовлены также числовые характеристики исследуемой математической модели для турбогенератора типа Т8В-320.
Анализ адекватности разработанной математической модели проводился путем сопоставления численных и аналитических реше— ний для ряда тестовых задач.
Четвеотан глава псепя-дена численнім исследованиям т»рмоме— хоничоских процессов в стер^нов^.: обмотках при рооличньк оксллуа-таїщонно-аварийігсгс режимах раблтії турбогенератора, а такте з
условиях тепловой стабилизации их термомеханичеекого с:озтоя:-і;:я
путям регулирования расхода и начальной температуры С'ллй;:ла::к;зй среды. Некоторые результаты лредстазлеісл ниже.
1. Двухкратный наброс нагрузки с последуолим ее сбросом до
первоначального уровня.
Изменение соотношения между тошіерс.турами моди к тао-.чцнл в рассматриваемом переходном процессе (см.рис.2) приводит к перемене знака относящихся к изоляции величия деформаций к напряжений.
2. Наброс нагрузки без охлаждения с последующим его включе
нием.
Полученные результаты представлены на рис.3. Характерным для данного варианта является возникновение существенных скачков напряжений и деформаций но только на выходном, но и на входном участке стержней при возобновлении охлаждения нагретой обметки. .
3. Регулирование расхода охлаждающей среды.
Представленные на рис.4 результаты иллюстрируют переходные
теркомеханические процессы в обмотках при двухкратном относительно номінального режима набросе нагрузки я соответствующем (15) увс личении компенсационного расхода охлаждающей среды ир'л различных выдержках времени f = (0; 0,5; I; 2) мин относительно момента наороса нагрузки.
