Построение трехмерной тепловой модели статора турбогенератора  с учетом газодинамики

Виталий [Vitaliy] Владимирович [V.] Рыжов [Ryzhov]; Павел [Pavel] Андреевич [A.] Дергачев [Dergachev]; Екатерина [Ekaterina] Павловна [P.] Курбатова [Kurbatova]; Олег [Oleg] Николаевич [N.] Молоканов [Molokanov]; Павел [Pavel] Александрович [A.] Курбатов [Kurbatov]

doi:10.24160/1993-6982-2021-5-75-82

Виталий [Vitaliy] Владимирович [V.] Рыжов [Ryzhov]
Павел [Pavel] Андреевич [A.] Дергачев [Dergachev]
Екатерина [Ekaterina] Павловна [P.] Курбатова [Kurbatova]
Олег [Oleg] Николаевич [N.] Молоканов [Molokanov]
Павел [Pavel] Александрович [A.] Курбатов [Kurbatov]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2021-5-75-82

Ключевые слова: математическая модель, тепловая модель, гидрогазодинамика, имитационное моделирование, турбогенератор, остаточный ресурс

Аннотация

Рассмотрено создание тепловой модели статора турбогенератора с полностью воздушным охлаждением с учётом газодинамики. Полная математическая модель содержит различные физические подсистемы с мультифизическими связями. Работа построена на базе точных трёхмерных моделей с использованием современного апробированного программного обеспечения COMSOL Multiphysics, в котором для расчёта используется метод конечных элементов.

Выполнено исследование эквивалентной теплопроводности промежутка между медными проводниками стержня и железом статора, состоящего из корпусной изоляции стержня и промежутка, заполняемого дополнительными полупроводящими прокладками или аналогичными материалами. Указанный коэффициент оказывает сильное влияние на распределение температур, поскольку основная часть тепла со стержня передается в магнитопровод статора через данные элементы. Проведены анализ и выбор оптимального минимального эквивалентного коэффициента теплопроводности. Построена и проанализирована модель симметричного элемента статора турбогенератора совместно с турбулентным потоком охлаждающего воздуха. Создание подобных комплексных моделей может не только упростить процесс проектирования, но и позволит проводить анализ для различных систем изоляции. Так, в турбогенераторах с воздушным охлаждением исходно используется система изоляции Global VPI, однако при замене обмотки статора (по экономическим соображениям) используют другую систему изоляции — Resin Rich. Для корректного перехода на другую систему изоляции следует проводить комплексные расчеты, в том числе тепловые. На практике, при изменении системы изоляции из-за тепловых ограничений требуется снижение номинальной полной мощности турбогенератора для его дальнейшей эксплуатации без перегревов обмотки статора, что может быть получено на основе моделирования. Также важную роль играет эквивалентный коэффициент теплопроводности, который может быть предварительно проанализирован для выбора необходимых материалов по тепловым свойствам и их коэффициента заполнения для сохранения номинальных параметров турбогенератора при перемотке.

Сведения об авторах

Виталий [Vitaliy] Владимирович [V.] Рыжов [Ryzhov]

аспирант кафедры электромеханики, электрических и электронных аппаратов, ассистент кафедры теоретических основ электротехники НИУ «МЭИ», e-mail: vitalijrv@gmail.com

Павел [Pavel] Андреевич [A.] Дергачев [Dergachev]

кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики, электрических и электронных аппаратов НИУ «МЭИ», e-mail: Pavel.Dergachev@gmail.com

Екатерина [Ekaterina] Павловна [P.] Курбатова [Kurbatova]

кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики, электрических и электронных аппаратов НИУ «МЭИ», e-mail: kurbatovaep@mail.ru

Олег [Oleg] Николаевич [N.] Молоканов [Molokanov]

кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики, электрических и электронных аппаратов НИУ «МЭИ», e-mail: molokanovon@gmail.com

Павел [Pavel] Александрович [A.] Курбатов [Kurbatov]

доктор технических наук, профессор кафедры электромеханики, электрических и электронных аппаратов НИУ «МЭИ», e-mail: kurbatovpa@gmail.com

Литература

1. Klempner G., Kerszenbaum I. Handbook of Large Turbo-generator Operation and Maintenance. N.-Y.: Wiley-IEEE Press, 2018.
2. Klempner G., Kerszenbaum I. Large Turbo-generators Malfunctions and Symptoms. Boca Raton: CRC Press, 2016.
3. Stone G., Culbert I., Boulter Ed., Dhirani H. Electrical Insulation for Rotating Machines. N.-Y.: Wiley-IEEE Press, 2014.
4. Антонюк О.В. Разработка и обоснование новых конструкций мощных турбогенераторов с газовым охлаждением: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского политехн. ун-та им. Петра Великого, 2016.
5. Antonyuk O., Gurevich Z., Pafomov Yu. An Experimental Determination of the Heat-transfer Coefficients in the Channels of a Turbogenerator Stator with Air and Hydrogen Cooling // Power Technol. and Eng. 2014. V. 48. No. 3. Pp. 236—249.
6. Antonyuk O., Gurevich Z., Kartashova T. Current Problems and Trends in Gas Cooling of Turbogenerators // Power Technol. and Eng. 2014. V. 48. No. 4. Pp. 316—321.
7. Jiří F., Pechanek R. Analysis of Rotor Ventilation System of Air Cooled Synchronous Machine Through Computational Fluid Dynamics // Proc. Intern. Conf. Mechatronic. 2018. Pp. 1—8.
8. Frost N., Penrose H. Practical Dissection Methods for Rotating Equipment Insulation Assessment // Proc. Electrical Insulation Conf. 2017. Pp. 1—4.
9. Azizov A., Andreev A., Kostelov A., Polikarpov Yu. Thermal Conductivity of the Insulation System of the Stator Winding of a High-power Turbogenerator with Air Cooling // Russian Electrical Eng. 2009. V. 80. No. 3. Pp. 128—131.
10. Meleshenko V. e. a. The Thermal Conductivity of Electrical-Insulating Materials and Insulation Systems // Russian Electrical Eng. 2017. V. 88. No. 9. Pp. 609—614.
11. Samek J., Ondrusek C., Kurfurst J. A Review of Thermal Conductivity of Epoxy Composites Filled with Al2O3 or SiO2 // Proc. 19th European Conf. Power Electronics and Appl. 2017. Pp. 1—6.
12. Meng Xiao, Bo Xue Du. Review of High Thermal Conductivity Polymer Dielectrics for Electrical Insulation // High Volt. 2016. V. 1. Iss. 1. Pp. 34—42.
13. Kitajima T., Ito H., Nagano S., Kazao Y. The World’s Largest Capacity Turbine Generators with Indirect Hydrogen-Cooling // Paris Session 2014 CIGRE A1-106. Pp. 1—8.
14. Heat Transfer in Solids Module User's Guide. Stockholm: COMSOL AB, 2019. Pp. 100—299.
15. CFD Module User's Guide. Stockholm: COMSOL AB, 2019. Pp. 148—200.
16. Ryzhov V., Dergachev P., Kurbatov P. Three-dimensional Thermal Stator Model of a Fully Air-cooled Turbogenerator // Proc. 27th Intern. Workshop Electric Drives. Moscow: NRU MPEI, 2020. Pp. 1—4.
17. Frost N.E., Williamson M., Miller G H. Experiences with Resin Rich Mica Taping Materials // Proc. Electrical Insulation Conf. 2016. Pp. 1—4.
18. Marek P., Senn F., Grubelnik W., Ladstätter W. Impact of New Motor and Generator Insulation Systems // Energize J. 2007. V. 11. Pp. 51—55.
19. Haibing Zhang, Cloud A. Silicone Based Electrical Insulation Material for High Speed/Voltage Rotating Machines // Coil Winding. Insulation&Electrical Manufacturing Exhibition, 2011. Pp. 1—8.
---
Для цитирования: Рыжов В.В., Дергачев П.А., Курбатова Е.П., Молоканов О.Н., Курбатов П.А. Построение трёхмерной тепловой модели статора турбогенератора с учётом газодинамики // Вестник МЭИ. 2021. № 5. С. 75—82. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-75-82.
#
1. Klempner G., Kerszenbaum I. Handbook of Large Turbo-generator Operation and Maintenance. N.-Y.: Wiley-IEEE Press, 2018.
2. Klempner G., Kerszenbaum I. Large Turbo-generators Malfunctions and Symptoms. Boca Raton: CRC Press, 2016.
3. Stone G., Culbert I., Boulter Ed., Dhirani H. Electrical Insulation for Rotating Machines. N.-Y.: Wiley-IEEE Press, 2014.
4. Antonyuk O.V. Razrabotka i Obosnovanie Novykh Konstruktsiĭ Moshchnykh Turbogeneratorov s Gazovym Okhlazhdeniem: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. SPb.: Izd-vo Sankt-Peterburgskogo Politekhn. Un-ta im. Petra Velikogo, 2016. (in Russian).
5. Antonyuk O., Gurevich Z., Pafomov Yu. An Experimental Determination of the Heat-transfer Coefficients in the Channels of a Turbogenerator Stator with Air and Hydrogen Cooling. Power Technol. and Eng. 2014;48;3:236—249.
6. Antonyuk O., Gurevich Z., Kartashova T. Current Problems and Trends in Gas Cooling of Turbogenerators. Power Technol. and Eng. 2014;48;4:316—321.
7. Jiří F., Pechanek R. Analysis of Rotor Ventilation System of Air Cooled Synchronous Machine Through Computational Fluid Dynamics. Proc. Intern. Conf. Mechatronic. 2018:1—8.
8. Frost N., Penrose H. Practical Dissection Methods for Rotating Equipment Insulation Assessment. Proc. Electrical Insulation Conf. 2017:1—4.
9. Azizov A., Andreev A., Kostelov A., Polikarpov Yu. Thermal Conductivity of the Insulation System of the Stator Winding of a High-power Turbogenerator with Air Cooling. Russian Electrical Eng. 2009;80;3:128—131.
10. Meleshenko V. e. a. The Thermal Conductivity of Electrical-Insulating Materials and Insulation Systems. Russian Electrical Eng. 2017;88;9:609—614.
11. Samek J., Ondrusek C., Kurfurst J. A Review of Thermal Conductivity of Epoxy Composites Filled with Al2O3 or SiO2. Proc. 19th European Conf. Power Electronics and Appl. 2017:1—6.
12. Meng Xiao, Bo Xue Du. Review of High Thermal Conductivity Polymer Dielectrics for Electrical Insulation. High Volt. 2016;1;1:34—42.
13. Kitajima T., Ito H., Nagano S., Kazao Y. The World’s Largest Capacity Turbine Generators with Indirect Hydrogen-Cooling. Paris Session 2014 CIGRE A1-106:1—8.
14. Heat Transfer in Solids Module User's Guide. Stockholm: COMSOL AB, 2019:100—299.
15. CFD Module User's Guide. Stockholm: COMSOL AB, 2019:148—200.
16. Ryzhov V., Dergachev P., Kurbatov P. Three-dimensional Thermal Stator Model of a Fully Air-cooled Turbogenerator. Proc. 27th Intern. Workshop Electric Drives. Moscow: NRU MPEI, 2020:1—4.
17. Frost N.E., Williamson M., Miller G H. Experiences with Resin Rich Mica Taping Materials. Proc. Electrical Insulation Conf. 2016:1—4.
18. Marek P., Senn F., Grubelnik W., Ladstätter W. Impact of New Motor and Generator Insulation Systems. Energize J. 2007;11:51—55.
19. Haibing Zhang, Cloud A. Silicone Based Electrical Insulation Material for High Speed/Voltage Rotating Machines. Coil Winding. Insulation&Electrical Manufacturing Exhibition, 2011:1—8.
---
For citation: Ryzhov V.V., Dergachev P.A., Kurbatova E.P., Molokanov O.N., Kurbatov P.A. Development of a Turbine Generator Stator 3D Thermal Model Taking into Account Gas Dynamics. Bulletin of MPEI. 2021;5:75—82. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-75-82.