Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы создания высокооборотных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов 30
1.1 Современное состояние внедрения малоразмерных газотурбинных установок в России. Особенности исследований синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов .30
1.2 Напряженно-деформированное состояние ротора высокооборотного СГПМ 42
1.3 Оценка возможностей создания мини-турбогенераторов предельных мощностей. Электрические, магнитные и механические ограничения 43
1.4 Проблемы выбора натягов и посадок 48
1.5 Моделирование магнитной системы СГПМ 48
1.6 Зависимость основных геометрических размеров генератора от допустимых тангенциальных напряжений 51
1.7 Материаловедческие задачи для обеспечения необходимой прочности магнитной системы ротора 54
1.8 Комплексная математическая модель
1.8.1 Расчетные модели для выбора рациональных конструктивных решений 56
1.8.2 Синхронный генератор СГПМ-6,0-12000 58
1.9 Размерный ряд мини-турбогенераторов для малоразмерных газотурбинных установок мощностью 15-300 кВт 60
1.10 Перспективные материалы для повышения уровня использования высокооборотных генераторов 70
1.10.1 Материаловедческие возможности для увеличения электрических и магнитных нагрузок 70
1.10.2 Возможности улучшения параметров постоянных магнитов 73
ВЫВОДЫ 76
Глава 2. Способы снижения механических потерь от трения бочки ротора о воздух. метод расчета добавочных потерь во всыпных обмотках статора электрических машин 79
2.1 Опытный образец базовой модели высокооборотного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов СГПМ-1,2-18000 для экспериментальных материаловедческих исследований 81
2.1.1 Стендовые испытания лабораторной модели 85
2.1.2 Анализ потерь лабораторного образца СГПМ. Механические потери от трения о воздух 87
2.2 Экспериментальные исследования антифрикционных покрытий поверхности ротора высокооборотного синхронного генератора с постоянными магнитами 88
2.2.1 Органосиликатные антифрикционные покрытия 89
2.2.2 Эпоксисиликатные и эпоксититанатные покрытия для ротора
2.2.2.1 Исследование морфологии образцов антифрикционных покрытий 90
2.2.2.2 Исследование гидрофобности образцов антифрикционных покрытий и способов ее повышения 93
2.2.3 Покрытия на основе фторсодержащих поверхностно-активных веществ 95
2.3 Особенности проектирования пазовой зоны статора. Метод определения добавочных потерь во всыпных обмотках электрических машин 99
2.3.1 Потери в однослойной всыпной обмотке. Расчетные уравнения для токов в проводниках 100
2.3.2 Особенности расчета потерь в двухслойной всыпной обмотке. Расчетные уравнения для токов в проводниках 103
2.3.3 Анализ гармонического состава МДС однослойной обмотки 105
з
2.3.4 Методика расчета добавочных потерь на циркуляционные и вихревые токи во всыпной обмотке 107
Выводы 111
Глава 3. Разработка методов расчета усилий магнитного тяжения в синхронных машинах при возникновении эксцентриситета ротора .114
3.1 Применение классического метода расчета сил магнитного тяжения к современным
высокооборотным синхронным машинам 117
3.2 Определение усилий радиального магнитного тяжения 121
3.2.1 Постановка задачи определения усилий радиального магнитного тяжения численным методом в режиме холостого хода 121
3.2.2 Численный расчет радиальных усилий магнитного тяжения 124
3.3 Влияние величины эксцентриситета на параметры и характеристики синхронных машин с
постоянными магнитами 129
3.4 Постановка задачи определения усилий радиального магнитного тяжения численным методом в режиме нагрузки 132
3.5 Основные расчетные соотношения
3.5.1 Выбор начала координат; подразделение расчетной области 134
3.5.2 Радиальные усилия и их распределение вдоль расточки статора
3.6 Оценка точности определения усилий одностороннего тяжения 137
3.7 Оценка влияния пространственных гармоник на величину магнитного тяжения 138
3.8 Численная реализация метода расчета одностороннего магнитного тяжения ротора и
интегрального коэффициента 139
ВЫВОДЫ 142
Глава 4. Опыт разработки и создания ветротурбин. проблемы создания низкооборотных синхронных генераторов для ветростанций и малых ГЭС 144
4.1 Автономная интегрированная ветроэнергоустановка 146
4.2 Исследования различных конструкций ветротурбин с вертикальным валом. Выбор конструкции ветротурбины 149
4.3 Особенности разработки низкооборотных синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов 156
4.3.1 Выбор расположения постоянных магнитов 156
4.3.2 Особенности выбора типов обмоток статора. Многофазные обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу 163
4.3.2.1 Возможности снижения добавочных потерь и вибрации 163
4.3.2.2 Влияние учета открытия паза статора на величину потока в расточке 165
4.3.2.3 Преимущества концентрических обмоток 1 4.3.3 Ветрогенератор дисковой конструкции 166
4.3.4 Опытный образец синхронного генератора СГПМ-10-150Т (10 кВт, 380 В, 16,9 А, 150 мин" ) 169
4.4 Размерный ряд синхронных генераторов для применения в малой энергетике 173
ВЫВОДЫ 175
Глава 5. Математические модели для исследования влияния конструкции и свойств материала ротора на рабочие характеристики асинхронного двигателя с массивным ротором 177
5.1 Методы расчета асинхронных машин с массивным ротором 180
5.2 Двумерная математическая модель для исследования рабочих характеристик и энергетических параметров асинхронного двигателя с массивным ротором аналитическим и численным методами 187
5.2.1 Расчетная модель погружного АДМР мощностью 12 кВт 192
5.2.2 Определение рабочих характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором мощностью 3150 кВт 195
5.3 Обоснование необходимости применения трехмерной расчетной модели для исследования рабочих характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором 197
5.4 Исследование влияния свойств материала массивного ротора на энергетические показатели асинхронного двигателя с массивным ротором 201
5.5 Исследование влияния конструкции ротора на показатели эффективности асинхронного двигателя с массивным ротором 202
5.5.1 Массивный ротор и шлицованный ротор 203
5.5.2 Массивный ротор и двухслойный ротор 204
5.5.3 Влияние свойств материалов на энергетические показатели асинхронного двигателя с двухслойным ротором 209
ВЫВОДЫ 211
Глава 6. Математическая модель для исследования рабочих характеристик асинхронных машин с массивным ротором на основе комбинации задач теории цепей и электромагнитных полей 213
6.1 Расчет магнитносвязанных контуров с сосредоточенными и распределенными параметрами 214
6.1.1 Особенности расчета магнитосвязанных контуров с сосредоточенными параметрами Zslat(m), Zrot(m) с учетом насыщения магнитной цепи 214
6.1.2 Численный метод реализации системы 216
6.1.3 Особенности расчета магнитосвязанных контуров с распределенными параметрами ротора 218
6.1.4 Особенности определения рабочих характеристик асинхронного двигателя с учетом распределения поля токов в массивном роторе от высших пространственных гармоник статора (т 1) 2 6.1.4.1 Соотношение МДС статора при т = 1 и т = 5 223
6.1.4.2 Соотношение ЭДС статора при т = 1 и т =5 224
6.1.4.3 Напряжение двигателя при т= \ и т = 5 224
6.1.4.4 Особенности численного метода реализации уравнений (6.1)—(6.15), (6.22") при т = 1 и т = 5 225
6.2 Особенности численной реализации определения рабочих характеристик асинхронных двигателей с массивным ротором 225
6.2.1 Дискретизация задачи расчета МДС массивного ротора. Выбор числа секторов по окружности и дисков по длине ротора 230
6.2.2 Результаты численных исследований рабочих характеристик АДМР 233
Выводы 238
Заключение 241
Список сокращений 244
Список литературы
- Моделирование магнитной системы СГПМ
- Стендовые испытания лабораторной модели
- Постановка задачи определения усилий радиального магнитного тяжения численным методом в режиме нагрузки
- Двумерная математическая модель для исследования рабочих характеристик и энергетических параметров асинхронного двигателя с массивным ротором аналитическим и численным методами
Введение к работе
Актуальность темы и степень ее разработанности
В XX веке тенденцией развития энергетики было наращивание единичных мощностей энергоблоков. Значительная часть обширной территории России лишена централизованного энергоснабжения. Это является серьезным основанием для развития автономной энергетики, поэтому современная энергетика отличается тенденциями децентрализации, значительными потребностями в электрических машинах различных типов и повышением требований к их техническим, эксплуатационным, экономическим и другим характеристикам. Одной из стратегических целей развития электроэнергетики в России на период до 2020 года является расширение применения автономных энергоустановок высокой эффективности, класса генераторов средней и малой мощности, обеспечение устойчивого развития электроэнергетики на базе современных технологий и материалов. Одним из важных современных направлений энергетики является развитие распределенной генерации на базе строительства электростанций небольшой мощности, малых ТЭЦ с парогазовыми или газотурбинными установками, имеющих преимущество за счет скорости возведения и уменьшенных инвестиций. Энергоснабжение автономных потребителей предполагает высокую надежность, простоту конструкции и обслуживания. Эти требования обосновывают применение постоянных магнитов в качестве источников возбуждения электрической машины.
Практика электромашиностроения и указанные обстоятельства выдвигают задачи разработки серий высокооборотных синхронных генераторов малой и средней мощности (от нескольких киловатт до десятков мегаватт) с возбуждением от постоянных магнитов (СГПМ) в диапазоне частот вращения от 15000 мин-1 до 100000 мин-1 нетрадиционного исполнения, с высоким КПД и сниженным уровнем потерь и низкооборотных генераторов для микроГЭС и ветростанций. Это связано с решением проблем экологии и энергосбережения и соответствует мировой тенденции все большего использования возобновляемых низкопотенциальных источников энергии - ветра, приливов, волн, морских и речных течений. Одним из актуальных современных применений является разработка СГПМ для гибридных автомобилей. Оперативное проектирование СГПМ для расширения номенклатуры энергоустановок при необходимости введения модификаций особенно ценно в условиях рынка.
Синхронные машины с постоянными магнитами обладают высоким коэффициентом полезного действия (КПД), имеют надежную систему возбуждения, исключающую необходимость применения щеточного аппарата, отличаются быстро затухающими переходными процессами, простотой системы охлаждения (без потерь на возбуждение). В тоже время отсутствие обмотки возбуждения и демпферной обмотки обостряет проблему статической устойчивости, исключает возможность форсировки возбуждения в момент наброса нагрузки. Большие частоты вращения ротора накладывают требования преобразования выработанной генератором электроэнергии посредством выпрямителя, преобразователя, инвертора, трансформатора до величины промышленной частоты.
Следовательно, проблемы создания нового поколения синхронных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов для автономной энергетики
многоплановы, связаны с обеспечением высокого технического уровня разработки новых конструктивных и материаловедческих решений для ряда актуальных научно- технических задач: оптимизации конструкций ротора по критериям прочности для обеспечения целостности магнитной системы при больших частотах вращения; изучения уровня вибраций и способов борьбы с ними, исследования особенностей проектирования пазовой зоны статора для уменьшения «провала» напряжения при внезапных набросах нагрузки в процессе эксплуатации генераторов; подтверждения эффективности обмоток с дробным шагом для низкооборотных машин при совершенствовании и развитии методов моделирования электромагнитных полей, напряженно- деформированного состояния элементов конструкции машин, методов расчета добавочных потерь; исследования возможностей снижения потерь применением новых материалов с требуемыми свойствами (снижение потерь в стали, в магнитах), с целью повышения их энергетических показателей.
Недостаточно высокий уровень таких энергетических показателей, как коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент мощности (cos^), ограничивает применение другого типа машин - асинхронных двигателей с массивным ротором (АДМР), незаменимых и востребованных в ряде современных практических применений: (электроприводы с тяжелыми условиями пуска, повторно-кратковременные режимы работы, системы автоматики, управления, с широким диапазоном регулирования частоты вращения, погружные асинхронные электродвигатели для нефтедобычи и т.п.) благодаря таким преимуществам как высокая кратность пускового момента, мягкая механическая характеристика, повышенная термическая стойкость в переходных процессах, отсутствие пульсаций вращающего момента. Для решения проблем повышения энергетических показателей АДМР необходимо разработать эффективные методы их исследования на основе имеющегося опыта разработки электрических машин различных типов и развитых теоретических методов исследования магнитных полей. Следует отметить работы Демирчяна К.С., Вольдека А.И., Данилевича Я.Б., Бутырина П.А., Иванова-Смоленского А.В., Копылова И.П., Постникова И.М., Куце- валова В.М., Кашарского Э.Г., Хуторецкого Г.М., Чубраевой Л.И., Коровкина Н.В., Попова В.В., Забоина В.Н., Сидельникова Б.В., Богуславского И.З., Гуревича Э.И., Плохова И.В., Скобелева В.Е., Епифанова А.П., Смоловика С.В., Антипова В.Н., Гончаренко Р.Б., Шакирова М.А., Голландцева Ю.А., J. Pyrhonen, H. Kuss, J.A. Tego- polous, E. Spooner, Oberretl K. и др., внесших значительный вклад в решение этих задач. Разработанный в диссертации метод исследования рабочих характеристик АДМР открывает возможности повышения энергетических показателей электрических машин данного типа.
Цели и задачи
Целью настоящей работы является решение ряда методологических, технологических и материаловедческих проблем создания высокоиспользованных электрических машин для современной энергетики - синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов (СГПМ) и асинхронных двигателей с массивным ротором (АДМР) - посредством разработки эффективных методов расчета и средств их исследования.
Для реализации поставленной цели были
решены методологические задачи исследования АДМР и СГПМ:
разработаны 2D и 3D модели для оценки влияния свойств материалов и осо
бенностей конструкции массивного ротора на рабочие характеристики АДМР;
разработан метод расчета рабочих характеристик АДМР на основе комбинации
задач теории цепей и электромагнитных полей;
разработана комплексная математическая модель для определения рациональ
ной геометрии СГПМ, включающая 3D модель для численного исследования напряженно-деформированного состояния магнитной системы ротора, уточнения его размеров и оценки выбора материалов;
уточнен общий метод расчета радиальных сил магнитного тяжения при нали
чии эксцентриситета ротора в режимах холостого хода и предложен метод расчета этих сил под нагрузкой в синхронных машинах, включая высокооборотные СГПМ;
получены закономерности построения размерного параметрического ряда
СГПМ;
предложены методологические и материаловедческие способы снижения потерь:
разработан метод расчета добавочных потерь от циркуляционных и вихревых
токов во всыпных обмотках, применяемых в асинхронных и синхронных машинах малой мощности;
обоснованы материаловедческие возможности обеспечения необходимой проч
ности ротора высокооборотных СГПМ, повышения электромагнитных нагрузок и снижения потерь в стали;
предложены экспериментально подтвержденные материаловедческие способы
снижения механических потерь трения бочки ротора о воздух применением антифрикционных покрытий поверхности ротора высокооборотных СГПМ; предложены технологические решения:
обоснован выбор натягов и посадок в конструкции ротора высокооборотных
СГПМ;
предложен способ исключения гармоник четных порядков из кривой МДС од
нослойных всыпных обмоток;
сформулированы правила выбора расположения постоянных магнитов в низко
оборотных СГПМ в зависимости от частоты вращения.
Методология и методы исследования
В работе использованы методы теории электрических машин, теоретических основ электротехники, теории упругости, метод конечных элементов. Для определения рабочих характеристик асинхронных двигателей с массивным ротором (комбинация задач теории цепей и электромагнитных полей), определения усилий магнитного тяжения при наличии эксцентриситета ротора, определения характеристик синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов используются методы численного моделирования. Для определения потерь трения о воздух на модели высокооборотного СГПМ при различных вариантах нанесенных антифрикционных покрытий проведены экспериментальные исследования на испытательном стенде.
Для оценки достоверности моделирования численными методами сопоставлялись результаты расчетов в различных пакетах прикладных программ, результаты экспериментальных исследований и литературные данные.
Научная новизна
В работе на базе современных методов численного расчета решены актуальные проблемы создания современных высокоиспользованных синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для автономной энергетики в широком диапазоне мощностей и частот вращения и асинхронных двигателей с массивным ротором.
-Получены закономерности построения размерных параметрических рядов СГПМ.
-Созданы и обоснованы новые расчетные модели для:
выбора рациональной геометрии магнитопровода высокооборотных СГПМ на основе исследования напряженно-деформированного состояния ротора,
оценки влияния на энергетические показатели электрических машин свойств материалов массивного ротора (АДМР); бандажного цилиндра, стали статора (высокооборотные СГПМ); выбора расположения магнитов (низкооборотные СГМП).
Разработаны новые эффективные методы расчета:
рабочих характеристик АДМР,
усилий магнитного тяжения при наличии эксцентриситета ротора в синхрон
ных машинах в режиме холостого хода и под нагрузкой с учетом высших пространственных гармоник,
добавочных потерь от циркуляционных и вихревых токов, вызванных попереч
ными пазовыми потоками рассеяния с учетом временных гармоник во всып- ных обмотках статора. Предложены новые материаловедческие решения - способы снижения механических потерь трения бочки ротора о воздух применением антифрикционных покрытий поверхности ротора, конструктивные решения исполнения однослойных всып- ных обмоток высокооборотных машин.
Положения, выносимые на защиту
К основным научным результатам, полученным лично автором, относятся:
-
-
Метод расчета рабочих характеристик АДМР, основанный на комбинации задач теории цепей и электромагнитных полей, в котором учитывается нелинейность сред, удельное электрическое сопротивление материала, поверхностный эффект, конечная осевая длина и особенности конструкции машины.
-
Метод расчета добавочных потерь от циркуляционных и вихревых токов, вызванных поперечными пазовыми потоками рассеяния с учетом временных гармоник во всыпной обмотке электрических машин.
-
Уточнение метода расчета радиальных сил магнитного тяжения при наличии эксцентриситета ротора в синхронных машинах в режиме холостого хода и метод расчета этих сил под нагрузкой с учетом высших пространственных гармоник.
-
Моделирование напряженно-деформированного состояния ротора высокооборотных СГПМ для окончательного выбора материала бандажа и геометрических размеров магнитной системы в рамках расчета комплексной модели.
-
Оценки влияния свойств материалов массивного ротора (для АДМР), бандажного цилиндра, стали статора, выбора расположения постоянных магнитов (для СГПМ) на рабочие характеристики электрических машин и требования к материалам, обеспечивающие требуемые показатели их использования.
-
Формулировка проблемы и разработка способа снижения механических потерь от трения ротора о воздух в высокооборотных СГПМ применением новых разработанных материалов - антифрикционных покрытий поверхности ротора.
-
Построение размерных параметрических рядов для высокооборотных и низкооборотных СГПМ.
-
Разработка моделей СГПМ для лабораторных исследований; результаты экспериментальных исследований уровня механических потерь от трения ротора о воздух в зависимости от свойств покрытий поверхности ротора высокооборотной машины.
Теоретическая и практическая значимость работы
На основе предложенных методов расчета и моделирования разработаны, созданы и испытаны модельные машины СГПМ мощностью 1,2 КВт, 18 000 мин-1 и 50 кВт, 15 000 мин-1, опытно-промышленный образец 200 кВт, 3 000 мин-1для каталитической ТЭЦ. Созданы макетные образцы вертикальных ветротурбин, демонстрационных и опытных ветроустановок, низкооборотный генератор СГПМ-10-150Т (10 кВт, 380 В, 16,9 А, 150 мин-1) для энерговетроустановки с карусельной ветротурби- ной. Макеты созданы для проверки и подтверждения разработанных методов и являются этапом для создания головных образцов машин.
Разработаны варианты СГПМ для широкого ряда мощностей (50 до 6 000 кВт) и частоты вращения от 12 000 мин-1 до 48 000 мин-1. Для малоразмерной газотурбинной установки МТГ-250 ФГУП «УАП «Гидравлика» разработан турбогенератор СГПМ-0,25-48000 (250 кВт, 400 В, 48 000 мин-1). Разработаны модельный турбогенератор СГПМ-1,0-24000 (1000 кВт, 400 В, 24 000 мин-1) и перспективный турбогенератор для децентрализованной энергетики мощностью 6,0 МВт на частоту вращения 12000 мин-1, имеющий улучшенные технико-экономические показатели за счет мате- риаловедческих решений.
Теоретические материалы диссертации нашли применение в учебном процессе. Материал диссертации вошел в сборники «Современная электромеханика. Проблемы и перспективы» (часть I, 2008 г., и часть II, 2011 г.), выпущенные ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», предназначенные для подготовки магистров по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнология».
Материалы диссертации и разработанные на их основе методы исследований нашли применение в учебном процессе при разработке лекционного курса «Высокоскоростные синхронные машины для децентрализованной энергетики» для магистерской подготовки по программам «Общая теория электромеханических преобразователей энергии» и «Технология проектирования и производства электромеханических преобразователей энергии» кафедры «Электрические машины» электромеханического факультета ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет». Разработан курс лекций «Общая энергетика» с ориентацией на автономную энергетику, ведется курсовое и дипломное проектирование, выполняют- ся циклы лабораторных работ на базовой кафедре «Наноматериалы в электромеханических и электротехнических системах» факультета интеллектуальных систем управления и нанотехнологий ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по направлению 140400 - электроэнергетика и электротехника.
Степень достоверности и апробация результатов
Основные положения и результаты диссертации докладывались на 6 российских и 8 международных научных конференциях: ICEM 2004 (Польша, Краков), ICEM 2006 (Греция, Кипр), ISEF 2007 (Чехия, Прага), ICEM 2008 (Португалия, Вила- моура), ISEF 2009 (Франция, Аррас), International IEEE Conference devoted to the 150- anniversary of Alexander S. Popov (Санкт-Петербург, 2009), ICEM 2010 (Италия, Рим), Роснанофорум (2009, Москва), Пятая российская конференция «Физические проблемы водородной энергетики» (2009, Санкт-Петербург), Общее собрание Академии электротехнических наук РФ (2011 , Москва) и др.
Автор являлся в 2007-2008 годах ответственным исполнителем работ по государственным контрактам по поддержке ведущих научных школ РФ: в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по темам: «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований по созданию транспортабельных микро ГЭС. Выбор компоновочных решений и оптимизация требований к основным элементам конструкций», «Разработка высокоскоростного турбогенератора мощностью 6 МВт с частотой 12000 об/мин для децентрализованной (локальной) энергетики» (руководитель академик Я.Б. Данилевич); в 2009-2011 годах - ответственным исполнителем работ по государственному контракту «Проведение научных исследований коллективом научно-образовательного центра по разработке физико- химических основ создания новых композиционных и гибридных наноматериалов для энергетики, оптики, экологии, медицины» в рамках ФЦП «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (руководитель академик В.Я. Шевченко).
Под личным руководством автора выполняются: проект «Разработка нового поколения энергетических микротурбогенераторных установок с применением инновационных технологий получения керамики на основе наноразмерных ортофосфатов редкоземельных элементов для турбин и антифрикционных покрытий для снижения потерь трения высокооборотных мини-турбогенераторов» (2012-2013 гг.) в рамках Программы «Поддержка научных исследований, проводимых научными группами под руководством кандидатов наук по научному направлению «Энергетика, энергосбережение, ядерная энергетика» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы; гранты РФФИ по проектам: 07-08- 00345-а «Исследования по созданию микротурбогенераторов предельных мощностей на основе современных материалов» (2007-2009 гг.); 11-08-00287-а «Исследование влияния антифрикционных покрытий ротора на процессы теплообмена в высокооборотных электромеханических преобразователях энергии» (2011-2013 гг.).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы и ее результаты отражены в 46 публикациях, включая 16 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, (в том
числе, «Известия РАН. Энергетика», «Электротехника», «Альтернативная энергетика и экология», «Научно-технические ведомости СПбГПУ», «Информационно- управляющие системы»), тезисы докладов (15) и доклады (4) в трудах международных и российских конференций, 2 статьи в зарубежных журналах, 2 российских патента. Материалы диссертации вошли в сборники аналитических обзоров СПбГПУ «Современная электромеханика. Проблемы и перспективы», 2008 г. (часть I) и 2011 г. (часть II), а также в монографию «Турбогенераторы малой мощности для децентрализованных систем энергообеспечения» (Издательство «Наука», 2009).
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 287 страницах машинописного текста с 58 таблицами, иллюстрирована 82 рисунками, состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 237 наименований, приложения.
Автор глубоко признателен учителю и наставнику академику Янушу Брониславовичу Данилевичу за неоценимую помощь и поддержку в научной деятельности.
Моделирование магнитной системы СГПМ
Современное производство тепла и электроэнергии на базе когенерационно-го цикла возможно как при использовании газопоршневых двигателей, так и газовых турбин [21]. Основным блоком газотурбинной электростанции (ГТЭС) является энергоблок - ГТУ, в который входит газотурбинный привод (ГТП) (при необходимости с редуктором) и электрический генератор с системой возбуждения. Основой ГТП является газогенератор, служащий источником сжатых горячих продуктов сгорания для привода свободной (силовой) турбины.
Состав ГТУ можно проиллюстрировать схемой малоразмерной газотурбинной установки (МГТУ). Газогенератор состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины привода компрессора (рисунок 1.1). В компрессоре сжимается атмосферный воздух, который поступает в камеру сгорания, где в него через форсунки подается топливо и происходит его сгорание в потоке воздуха (как правило, основным топливом является газ, резервным - керосин). Продукты сгорания подаются на турбину компрессора (турбину высокого давления) и на свободную турбину, вращающую вал ГТП (в случае одновального ГТП одна общая турбина вращает компрессор и вал ГТП). На лопатках турбины тепловая энергия потока продуктов сгорания превращается в механическую энергию вращения роторов турбины. Мощность, развиваемая турбиной, существенно превышает мощность, потребляемую компрессором на сжатие воздуха, а также на преодоление трения в подшипниках, и мощность, затрачиваемую на привод вспомогательных агрегатов. Разность между этими величинами представляет собой полезную мощность на валу ГТП, которая преобразуется с помощью турбогенератора в выходную электрическую мощность.
Если предусмотрена утилизация тепла в технологической цепочке может находиться утилизационный теплообменник или котел-утилизатор, в котором происходит выработка тепловой энергии в виде пара различных параметров и/или горячей воды. Пар или горячая вода от котла-утилизатора могут передаваться непосредственно к тепловому потребителю. Также возможно использование полученного пара в паротурбинном цикле для выработки электрической энергии.
За рубежом газотурбинные энергетические установки выпускаются более чем 40 фирмами. Большинство из них выпускает продукцию по лицензии ведущих фирм, таких как, «ABB», «Siemens», «Westinghouse», «General Electric».
На российском рынке автономных энергетических установок востребованы различные технологии для решения проблем электро- и теплоснабжения: газотурбинные и газопоршневые установки, дизельные, паротурбинные, ветроэнергетические установки, паровые и водогрейные котельные [21]. В России основными производителями являются ОАО «Пермский моторный завод», ОАО «Искра», ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь), ФГУП «Завод им. В.Я. Климова» (г. Санкт-Петербург), ФГУП ММПП «Салют» (г. Москва), ОАО «Рыбинские моторы» НПО «Сатурн» (г. Рыбинск), АО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» (г. Самара), ФГУП «НЛП Мотор» (г. Уфа), АООТ «Невский завод» (г. Санкт-Петербург). Электрическая мощность газотурбинных установок ОАО «Рыбинские моторы» НПО «Сатурн» находится в диапазоне (2,5-10) МВт, масса - от 50 до 65 т, стоимость от 37 млн руб. до 64 млн руб. Современным оборудованием для автономного производства двух видов энергии - тепла и электричества в настоящее время являются энергетические малоразмерные газотурбинные установки (МГТУ). Появление этого оборудования на рубеже XXI века было вызвано отсутствием на рынке надежных, экологически чистых (низким уровнем выбросов в окружающую среду) и низкозатратных в монтаже, обслуживании и эксплуатации автономных источников бесперебойного электро- и теплоснабжения с электрической мощностью до 100 кВт и более [17, 22-26]. Турбоагрегаты малой и средней мощности, устанавливаемые на станциях децентрализованной энергетики, характеризуются специфическими показателями и параметрами, отличающимися от показателей афегатов централизованной энергетики, что должно быть учтено в их конструкции и параметрах [27]. Функциональная схема МГТУ представлена на рисунке 1.1.
Достоинствами МГТУ являются: - высокая электрическая и тепловая экономичность когенерационного цикла; - минимальные объемы вредных выбросов в окружающую среду при низких требованиях к качеству топлива, низкий уровень шума; - короткие сроки строительства, низкие капитальные вложения и малые сроки окупаемости; - малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа; - возможность организации сервисного обслуживания, в том числе возможность замены афегатов, резервирования и гибкого наращивания мощностей объединением в кластеры; - надежность при использовании групп турбин, когда выход из строя одной приводит к потере лишь небольшой части мощности.
Возможность широкого применения их в России обусловлена климатическими условиями, большими территориями с размещением основных топливно-энергетических ресурсов в малонаселенных районах.
Мировыми лидерами в разработке и производстве микротурбин, появившихся на рынке с 1997 г., являются компании: Elliot Energy Systems (мощность турбины ТА-100 100 кВт), Calnetix (12 кВт, 115000 мин"1; 26 кВт, 84000 мин"1; 100 кВт, 60000 мин"1), Ingersoll (редукторные 70, 250 кВт), фирма Turbec (100 кВт, 70000 мин"1), Capstone Turbine Corporation (ЗО, 60, 200 кВт), Nissan (2,6 кВт), Toyota (50, 300 кВт), Bowmen (80 кВт), Elliott (100 кВт) [14, 16, 17, 22 - 26]. Признанным лидером является компания Capstone Turbine Corporation (82% рынка), установившая более 5000 микротурбинных установок по всему миру при поставках порядка 300-500 агрегатов в год и достигшая значительных успехов в обеспечении минимального уровня выбросов.
Стендовые испытания лабораторной модели
Практический интерес представляет создание новых образцов материалов для конструкции ротора с установленным методами математического моделирования набором физических свойств.
Материалы для подложек и бандажных колец магнитных систем роторов микротурбогенераторов с повышенными удельными мощностями должны иметь оптимальные электромагнитные и механические свойства для обеспечения: - высокого предела текучести, - большого модуля упругости, - высокого коэффициента линейного расширения материала, - высокой теплоемкости. Такой материал позволит обеспечить надежную работу СГПМ в диапазоне электромагнитных мощностей от 100 кВт до 200 кВт при частотах вращения до 100000 мин"1.
Имеющиеся в промышленности материалы с подобным набором характеристик получены на образцах после специальных обработок. Например, в качестве титанового сплава можно рекомендовать сплав типа ВТ8-ВТ14 или других марок с требованием после соответствующей термообработки получить состояние с пределом прочности порядка 1600-1700 МПа.
Создание новых материалов магнитопровода становится возможным при использовании нанотехнологий путем синтеза их по принципу многофазных композиционных материалов. Для получения высококонцентрированных многофазных сред, определяющих свойства материала, необходимые для создания роторов турбогенераторов, работающих при высоких центробежных нагрузках, необходимо использование методов порошковой металлургии, комплекса оборудования для магнитно-импульсного прессования порошков [101-104]. Возможности получения высокопрочных материалов с высоким пределом текучести связаны с осуществлением ультратонкого измельчения кристаллического зерна. Одним из самых проблемных вопросов является создание объемных наноструктурированных материалов, получение микроструктур в объеме крупного образца. Для этого методом высокоскоростной интенсивной пластической деформации создается максимально возможное число зародышей зерен и затормаживается их рост.
В дополнение к различным режимам нагрева, охлаждения и деформирования стремятся дополнительно измельчить зерно комбинацией различных методов. За рубежом одним из таких методов является регулирование структуры путем наложения сильного магнитного поля. По экспериментальным данным в стали при наложении сильного магнитного поля (8-12 Тл) во время фазового превращения образуется структура с упорядоченным в направлении поля расположением кристаллических зерен. В результате применения комбинированного метода - интенсивного деформирования и сильного магнитного поля - ожидается уменьшение размера зерна до 0,8-0,5 мкн [20].
В Уральском Институте металлов разработаны сверхпрочные стали и сплавы с прочностью до 2000-2500 МПа [101]. Разработанные способы упрочнения комбинированием процессов интенсивной пластической деформации с формированием нанострукутур в прокате путем измельчения структуры зерна и упрочнения за счет плотно расположенной наноразмерной фазы при микролегировании азотом и ванадием не приводят к снижению пластичности и сопротивления хрупким, усталостным и другим разрушениям. В настоящее время по технологическим причинам невозможно изготовление цилиндра диаметром более 25 мм. В Институте качественных сталей ЦНИИчермет им. И.П. Бардина проанализированы вопросы нанофазного легирования металлов и сплавов атомарным азотом в сочетании с нитридообразующими элементами. Нанотехнология микролегирования стали нитридными фазами может работать как самостоятельно, так и в сочетании с нанотехнологиями пластической деформации, появилась возможность увеличить прочность стали в 3 4 раза, а также хладостойкость и коррозионную стойкость. Главное достоинство нанотехнологии микролегирования стали нитридными и карбонитридными фазами заключается в ее универсальности - она применима для выплавки любой стали и всего сортамента металлопродукции [20, 104, 105].
В ЦНИИТмаш разработаны жаропрочные сплавы на никелевой основе типа ХН68ВКТЮ и ХН63МБ и прецизионные сплавы на кобальтовой основе типа 40КХНМ и 40КХНМВТЮ, обладающие пределом текучести порядка 1600 МПа. По оценке разработчиков освоение изготовления тонкостенных цилиндров для бандажных колец генераторов размерами порядка 100 мм диаметром и длинной порядка 300 мм потребует 9-10 месяцев времени и инвестиций порядка 10 млн рублей на технологическую оснастку и подготовку производства [105].
Приемлемым вариантом может быть использование двухслойного бандажа: внутренний слой - немагнитная сталь, а внешний наматывается органопластико-вым жгутом с предварительным натяжением для обеспечения контакта элементарных магнитов с магнитной подложкой [19].
При математическом моделировании переменными параметрами являются: диаметр расточки статора, величина воздушного зазора, радиальная толщина бандажного цилиндра, высота магнитов, материал бандажного цилиндра. Для определения рациональных конструктивных размеров мини-турбогенераторов разработана комплексная математическая модель (EXCEL), которая включает в себя следующие блоки [19]: 1. блок ввода исходных данных; 2. выбор обмотки статора;
Постановка задачи определения усилий радиального магнитного тяжения численным методом в режиме нагрузки
Другим важным свойством, которым должны обладать покрытия, получаемые на основе разрабатываемой композиции, является гидрофобность. Для количественной характеристики гидрофобности покрытий использовали величины краевого угла смачивания, которые определяли методом «сидячей капли» на уникальной специализированной установке, созданной в ИФХЭ РАН, применяющей метод цифровой обработки видеоизображений сидячей капли. Полученные изображения обрабатывались по общепринятой методике, путем построения касательной из точки соприкосновения трех фаз, и определения краевого угла как среднего арифметического из трех измерений. Все исследуемые покрытия проявили гидрофильные свойства, поскольку краевой угол смачивания оказался 90 (покрытия на основе эпоксититанатного золя менее гидрофильны, их краевой угол выше ( 64-82) по сравнению с покрытиями, полученными на основе эпок-сисилоксанового золя ( 59-64)). Предпочтителен состав композиции со свойствами, приближающимися к гидрофобным: покрытие на основе эпоксититанатного золя, высушенное при 50 С.
Разработанные антифрикционные покрытия представляют собой нанокомпози-ты, обладающие двухфазной структурой, в которой размер фаз находится на наноуров-не и может варьироваться от десятков до сотен нанометров в зависимости от условий золь-гель синтеза [124, 126, 127]. Величины потерь, полученные по данным стендовых испытаний лабораторного образца высокооборотного синхронного генератора, представлены на рисунке 2.7.
На основе результатов исследований для нанесения на ротор лабораторного образца для проведения стендовых испытаний было выбрано в качестве базового эпоксититанатное покрытие, высушенное при 50 С [14].
На следующем этапе исследований проверялась гипотеза о влиянии гидро-фобности на уровень снижения механических потерь [14, 127]. Объектом исследований был также модифицированный эпоксисилоксановый золь 1 и эпоксити-танатный золь 2. В качестве модификатора использовался фторсодержащий полимер (синтезирован И.Ю. Ладилиной из Института металлорганической химии РАН, Нижний Новгород).
Результаты показали, что введение в состав эпоксисилоксанового золя фторсодержащего полимера позволило повысить угол смачивания получаемых покрытий до 80-82, а для эпоксиститанатного золя до 88-91, придавая более высокие свойства гидрофобности. На рисунке 2.8 - образец фторсодержащего эпоксититанатного покрытия при исследовании морфологии поверхности на АСМ и определение краевого угла смачивания методом сидячей капли.
Новый вариант силоксанового покрытия с гидрофобизированным аэросилом характеризуется углом смачивания уже 155, что является характерным при 95 знаком супергидрофобности [127]. На рисунке 2.9 приведены результаты испытаний опытного образца с данным покрытием. Шероховатость поверхности покрытия по ГОСТ 2789-73 на уровне 7— 9 класса (высота профиля по десяти точкам Rz - 2272 нм, среднее арифметическое отклонение профиля Ra = 650 нм), представляет собой рельеф, образующий много углов контакта с каплей жидкости, создавая эффект динамического смачивания [14].
Фрагмент образца силоксанового покрытия с гидрофобизированным аэросилом при исследовании морфологии поверхности на АСМ. Определение кревого угла смачивания методом сидячей капли.
Фтортензиды представляют собой многокомпонентные системы, включающие фторорганические поверхностно-активные вещества (ФПАВ) в различных растворителях и регулирующие добавки. Применение фтортензидов не меняет структуру обрабатываемой поверхности, модифицируя ее, придавая антифрикционные, антиадгезионные и защитные свойства, образуя на поверхности твердого тела (металла) тонкий слой специальным образом ориентированных молекул, меняющий поверхностную энергию материала (для металлов она уменьшается в 1200-1500 раз). В результате существенно снижается коэффициент трения; благодаря высокой проникающей способности ПАВ заполняет поры и микротрещины [128]. Применение фтортензидов в машиностроении доказало свою эффективность. Области применения фтортензидов - обработка пар трения, инструмента, пресс-форм для литья изделий из пластмасс и вулканизации изделий из резины, защита сплавов от коррозии в труднодоступных местах, обработка алюминиевых и алюминиевомагниевых сплавов, защита лакокрасочных покрытий. Проведены оценки влияния на изменение аэродинамических характеристик нанесения ФПАВ на обтекаемые тела. Эксперимент показал перспективные для авиатехники возможность существенного снижения сопротивления трения при турбулентном режиме обтекания поверхности [128].
При участии специалистов ООО «Консалтинг новые технологии» Балтийского государственного технического университета «Военмех» имени Д.Ф. Устинова д.т.н. Агошкова О.Г., Романова А.Р., Путиева К.А. [129] проведены экспериментальные исследования влияния фтортензидов (состав «Валкон»), нанесенных на бандажный цилиндр из нержавеющей стали, на величину механических потерь от трения о воздух высокооборотного синхронного генератора и его показатели эффективности [105]. По данным исследования на АСМ проведена оценка величины шероховатости необработанного образца (рисунок 2.10, а) и образца с покрытием на основе фторсодержащих поверхностно-активных веществ (рисунок 2.10, б).
Двумерная математическая модель для исследования рабочих характеристик и энергетических параметров асинхронного двигателя с массивным ротором аналитическим и численным методами
Для расчета поля холостого хода двигателя с помощью программного комплекса ELCUT [108, 140, 141] выбран тип задачи (магнитостатическое поле), построены геометрические модели и сформированы в них области с однородными свойствами (созданы метки блоков и ребер). Далее в каждом блоке заданы свои физические свойства, а на ребрах, где это необходимо, - соответствующие граничные условия. В рассматриваемой задаче такими блоками и ребрами являются: блоки - воздушный зазор, ротор, пазы статора, обмотка возбуждения, сердечник статора; ребра - наружная поверхность сердечника статора.
Расчет радиальных усилий [112] был выполнен для значений эксцентриситета є, равных 0,025; 0,05; 0,075 и 0,1 величины равномерного воздушного зазора, значение которого рассчитывалось по выражению: - min +0-33(c max -от[п) (3.18)
При расчетах с помощью интегрального калькулятора программы ELCUT [108, 140, 141] и по программе ANSYS [99, 100] было рассчитано так называемое погонное усилие, т.е. усилие на единицу длины, и для получения расчетного усилия результат расчета умножался на длину стали статора. При расчете усилия по (3.11) и (3.12) была использована первая гармоника индукции в воздушном зазоре, определенная на основе анализа распределения магнитного поля в воздушном зазоре при отсутствии эксцентриситета.
На рисунках 3.2-3.5 приведены расчетные модели для синхронных двигателей с различной полюсностью.
Результаты расчета усилий без учета нелинейности материалов и насыщения при эксцентриситете є = 0,1, представленные в таблице 3.2, подтвердили линейную зависимость величины усилия от величины эксцентриситета. В расчетах плотность тока возбуждения - 1,34 А/мм и магнитная проницаемость стали /лг= 1000.
Анализ результатов показывает, что расчеты с помощью аналитических формул и с помощью полевых методов дают расхождение до 20%, причем указанное расхождение, по-видимому, связано с изменением спектра высших гармонических магнитного поля в зазоре. Результаты расчета усилий с учетом нелинейности материалов и насыщения при эксцентриситете є = 0,1 представлены в таблице 3.4. Аналитический расчет выполнен по выражению (3.13), причем уравнением (3.14) аппроксимирована нормальная характеристика холостого хода синхронных явнополюсных машин (таблица 3.3) [142].
Разница в распределении индукций при расчете электромагнитного поля и аналитическом расчете показана на рисунке 3.6. Гармонических индукции при неравномерном зазоре и эксцентриситете, равном 0,1, в режиме холостого хода с амплитудой 0,05В] и выше имеют следующие порядки: для двигателя СД1 (2p=4,Z=72) - 9,13, 25, 69, 73, для двигателя СД2 (2p=6,Z=72) - 7, 19, 25, 67,73, для двигателя СДЗ (2p=8,Z=96) - 9, 25, 33, 41, 89, 97, 105.
Анализ данных таблицы 3.4 свидетельствует о существенном влиянии насыщения машины на величину усилия и недостаточность принятых в практических расчетах оценок насыщения, поскольку отклонения могут достигать до 77%.
Расчет усилий магнитного тяжения, вызванных эксцентриситетом, на основе решения полевой задачи с учетом реальной геометрии и свойств материалов, а также несинусоидальности распределения индукции в воздушном зазоре, позволяет существенно повысить достоверность результата.
На рисунках 3.7-3.10 представлены кривые распределения индукции по средней линии зазора по расчету поля и выделенная первая гармоника поля для 4-полюсной машины. Рассмотрены варианты с гладким и с зубчатым статором; с материалами, имеющим // =const и с учетом нелинейных характеристик материалов.
На рисунках 3.11-3.12 представлены кривые распределения индукции по средней линии зазора по расчету поля для 8-полюсной машины. Рассмотрены варианты с зубчатым статором; с учетом нелинейных характеристик материалов. На рисунках 3.13-3.14 представлены распределения результирующей индукции и выделенные первые гармоники индукции в зазоре для 6-полюсного СД и 2-полюсного СГПМ с учетом нелинейности материалов.
Сопоставление результатов расчетов, выполненных по общепринятой методике, и рассчитанных численным методом для явнополюсных синхронных машин различных вариантов показало, что отношение расчетных усилий магнитного тя-жения при наличии зубчатого статора к усилию, рассчитанному по первой гармонике индукции в зазоре для гладкого статора, составило 15%-20%.
Наличие эксцентриситета ротора влияет на величину магнитного тяжения, а знание этой величины необходимо для расчета подшипников высокооборотных машин. Наличие высших гармоник в кривой поля машины, вызванных эксцентриситетом ротора, расположением магнитов и зубчатой конструкцией статора требует оценки дополнительных потерь, возникающих в машине.
Следует отметить, что в силу конструктивного исполнения высокооборотных машин с немагнитным бандажным цилиндром ротора механический зазор значительно меньше расчетного зазора, по которому определяется кривая индукции, а, следовательно, величина эксцентриситета, определенная относительно механического зазора для расчетного зазора будет в 3-4 раза меньше. Исследования выполнены для генератора СГПМ-0,25-48000 и генератора СГПМ-6,0-12000. Не 130 обходимые для расчета магнитного поля исходные данные машин представлены в таблице 3.5.
Похожие диссертации на Высокоиспользованные электрические машины для современной энергетики: проблемы создания и исследований
-
