Диссертация: Исследование эффективности газового охлаждения ротора турбогенератора с самовентиляцией из подпазового канала.

Актуальность работы. В современном тяжелом электромашиностроении основной тенденцией развития остается повышение единичной мощности турбогенераторов, что связано в первую очередь с необходимостью повышения экономичности блока турбины– турбогенератор. Увеличение единичной мощности повышает коэффициент использования турбогенератора и приводит к повышению конкурентоспособности продукции. Важный фактор, ограничивающий мощность турбогенератора, — нагрев обмотки ротора. Большинство ведущих мировых производителей применяет газовое охлаждение: воздушное для машин мощностью до 400–500 МВт; водородно-водяное при мощности до 1300–1500 МВт и двухполюсном исполнении. В течение долгих лет проблема эффективного газового охлаждения роторов остается одной из первоочередных в мировом турбогенераторостроении. Детальная проработка теоретических и практических вопросов теплообмена турбогенераторов отражена в работах отечественных ученых А.Е. Алексеева, Г.М. Хуторецкого, И.Ф. Филипова, Э.И. Гуревича, В.П. Анемподистова, Т.И. Альпер, И.С. Генендера, Л.А. Дугинова и др., а также зарубежных авторов C. Фейхгеймера, Й. Хака, Г. Готтера, Р. Йохо, А. Боглиетти, Ц. Юнгреутхмаера, Г. Траxлер-Самека, Г.-Х. Жоу, Т. Китайяма и др. Принцип самовентиляции обмотки ротора с радиальными каналами, питаемыми из подпазовых каналов, получил широкое распространение в мировой практике при построении систем воздушного и водородного охлаждения турбогенераторов. Применение данной системы газового охлаждения должно обеспечивать минимизацию общего уровня температуры и ее локальных значений в пазовой части обмотки ротора. Важно, что удовлетворительного решения задачи о суммарном расходе газа, определяющей уровень средней температуры обмотки, недостаточно для успешного проектирования всей системы охлаждения. Это связано с тем, что различные варианты конструкции радиальных и пазовых каналов дают при практически одном и том же расходе газа существенно различные температурные поля в пазовой зоне ротора. Поэтому актуальна многофакторная задача исследования влияния параметров конструкции системы охлаждения ротора на температурное поле в его активной зоне. Выявление физических эффектов, при детальном изучении условий течения газа в вентиляционной системе, позволяет уточнить тепловые характеристики конструкции, исключить температурные аномалии, в частности, обнаружить скрытые ее резервы в отношении сглаживания температурных разностей в пределах пазовой части обмотки ротора. Неудачные конструктивные решения приводят к значительным разностям температуры (локальным перегревам) в пазовой зоне ротора. В современных конструкциях роторов снижение неравномерности распределения температуры обмотки ротора вдоль его длины достигается применением подпазового канала переменного сечения. Помимо этого, учет подогрева газа в подпазовом и радиальных каналах приводит к более достоверным результатам. Эффективность данных проектных приемов исследована недостаточно, поэтому поставленная в диссертации задача более строгого исследования вопроса является актуальной.
Целью диссертации является исследование эффективности газового охлаждения ротора турбогенератора с самовентиляцией из подпазового канала.
Для достижения этой цели требуется решение следующих конкретных задач: — разработать методику численного моделирования для решения сопряженных задач теплопередачи охлаждения пазовой части ротора с учетом реальной геометрии конструкции, распределения внутренних источников тепла и характере течения охлаждающего газа. — для повышения достоверности результатов моделирования выполнить сопоставление методики с использованием экспериментальных данных, полученных на физической модели ротора турбогенератора, и данных испытаний на нагревание турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением. — изучить условия течения охлаждающего газа в системе вентиляционных каналов и определить детальную картину распределения газовых потоков в роторе. — найти закономерности и установить особенности охлаждения медных проводников пазовой части обмотки ротора, в частности, оценить воздействие подогрева газа в подпазовом канале на распределение температуры обмотки ротора вдоль его длины. — исследовать применение системы самовентиляции обмотки ротора из подпазовых каналов для турбогенераторов наибольшей мощности (двухполюсных свыше 300 МВт при воздушном охлаждении и четырехполюсных свыше 1200 МВт при водородно-водяном охлаждении) в зависимости от конструктивных параметров с достижением благоприятных показателей теплового состояния обмотки ротора.
Объект исследования. Объектом исследования является ротор турбогенератора с радиальными каналами, питаемыми из подпазовых каналов, предназначенный для систем воздушного и водородного охлаждения турбогенераторов, в том числе применение данной системы охлаждения в турбогенераторах предельной мощности.
Предмет исследования. Предметом исследования является выявление физических эффектов современными численными методами при детальном изучении условий течения газа в вентиляционной системе, что позволяет уточнить тепловые характеристики конструкции, исключить температурные аномалии, а также обнаружить ее скрытые резервы в отношении сглаживания температурных разностей в пределах пазовой части обмотки ротора. В исследовании температурного поля обмотки ротора принимаются во внимание два фактора, смягчающие неравномерность распределения температуры. Это подогрев газа в подпазовом канале и локальная интенсификация конвективного теплообмена в радиальных каналах, расположенных на начальном участке системы охлаждения. Учет этих факторов приводит к более объективному представлению о тепловом состоянии ротора. Значительную сложность при численных расчетах процессов аэродинамики и теплообмена представляют задачи сопоставление математических моделей этих процессов с опытом. Для удовлетворительного решения задач обычно необходимы данные натурных экспериментов для тех систем и конструкций, которые подвергаются математическому моделированию. В настоящем исследовании численная аэродинамическая модель сопоставлена с имеющимися в литературе результатами полномасштабного физического эксперимента, который был проведен на роторе турбогенератора с самовентиляцией обмотки ротора из подпазового канала. Далее результаты решения совместной тепловой и аэродинамической задач были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на станции службами эксплуатации и отделом натурных испытаний завода Электросила АО «Силовые Машины» для турбогенераторов с воздушным охлаждением мощностью 160 и 320 МВт, и с водородным охлаждением мощностью 500 МВт, находящихся в эксплуатации. В исследовании применены современные методы математического моделирования аэродинамических и температурных полей, реализованные в комплексной платформе ANSYS Workbench (Fluent), с использованием параметризации исходных параметров посредством написанного программного кода с последующей обработкой данных в системе The MathWorks Matlab. Для повышения достоверности расчетов в работе представлен имеющийся в литературе экспериментальный материал, содержащий результаты как полномасштабного физического моделирования, так и детальных тепловых исследований действующих турбогенераторов на месте эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в следующем. 1. Разработана методика численного моделирования для решения сопряженных задач теплопередачи охлаждения пазовой части ротора, учитывающая все значимые геометрические параметры физической модели и газодинамические свойства процесса охлаждения. 2. Для сопоставления результатов численного моделирования с опытом используются данные эксперимента на полноразмерной физической модели пазовой части ротора турбогенератора и опытные данные испытаний генераторов, находящихся в эксплуатации. 3. На основе решений численного моделирования сопряженной задачи теплопередачи подробно изучены механизм течения охлаждающего газа и теплообмен в рассматриваемой системе газового охлаждения пазовой зоны ротора турбогенератора, что позволяет уточнить тепловые характеристики конструкции и обнаружить скрытые резервы с целью выравнивания температуры в пределах пазовой части обмотки ротора. 4. Выполнено объективное сопоставление конструкций численными методами по ряду не принятых во внимание предыдущими исследователями физических факторов, а именно: подогрев газа в подпазовых каналах; неодинаковая интенсивность конвективного теплообмена в радиальных каналах, по-разному удаленных от входа в подпазовый канал. 5. Изучена локальная интенсификация конвективного теплообмена в радиальных каналах, обусловленная характером течения газа внутри канала.
Теоретическая значимость. В работе представлено дальнейшее развитие теории теплообмена, а именно, исследование системы охлаждения ротора турбогенератора с радиальными и подпазовым каналами с использованием современных методов численного моделирования. Данная система охлаждения недостаточно изучена в общей теории теплообмена, поэтому теоретическую новизну представляет собой разработанная методика численного моделирования для решения сопряженных задач теплопередачи охлаждения пазовой части ротора.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в уточнении инженерных методов расчета охлаждения пазовой части ротора турбогенератора посредством решения сопряженных задач теплопередачи современными численными методами, которые пригодны для применения в практике проектирования турбогенераторов и опробованы соискателем в инженерной работе на предприятии АО «Силовые машины» завод «Электросила». Использование данного метода позволит избежать чрезмерных термических резервов в проектных расчетах, что дает возможность повысить использование активного объема турбогенератора. Реализация и внедрение результатов работы: Исследования диссертационной работы проводились при поддержке научных программ: научный проект №19-38-90031 «Исследование эффективности газового охлаждения ротора турбогенератора с самовентиляцией из подпазового канала», финансируемый Федеральным Государственным Бюджетным Учреждением «Российский фонд фундаментальных исследований».
Достоверность полученных результатов определяется использованием современных численных методов расчета – метода конечных объемов (МКО), а также сравнительным анализом результатов, полученных в ходе данной работы, с имеющимися в литературе результатами эксперимента на полномасштабной физической модели ротора и результатами испытаний действующих турбогенераторов на электрических станциях.