Математическое моделирование тепловых полей в активной зоне электрических машин с косвенным водяным охлаждением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Железняк, Иван Николаевич

• Железняк, Иван Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Железняк, Иван Николаевич

Введение

1 Анализ влияния систем охлаждения на технические и эксплуатационные характеристики электрических машин морского назначения

1.1 Требования к надежности эксплуатации и эффективности систем охлаждения

1.1.1 Температура и превышение температуры

1.1.2 Сопротивление изоляции обмоток

1.1.3 Кавитация в системах водяного охлаждения

1.1.4 Аэродинамический шум

1.2 Влияние выбора системы охлаждения на электромеханические характеристики машины

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование тепловых полей в активной зоне электрических машин с косвенным водяным охлаждением»

Одной из проблем, возникающих при проектировании электрических машин (электродвигателей, генераторов) является проблема их охлаждения. Наиболее чувствительны к воздействию высоких температур изоляционные материалы, изолирующие и механические свойства которых резко ухудшаются при повышении температуры сверх допустимых значений. Для обеспечения стабильности работы машин служит система охлаждения. Система охлаждения электрической машины в большой степени определяет ее технические характеристики.

Электрическая машина приобрела основные свои конструктивные черты во второй половине XIX века. Характерными особенностями того периода было создание больших термических запасов, при которых обеспечивалась долговременная надежность эксплуатации электрических машин. Это позволяло направлять основные усилия на усовершенствование методов электромагнитных расчетов и развитие конструкции, тогда как тепловым расчетам уделялось меньше внимания. ч

С развитием промышленности в первой половине XX резко возросли требования к проектированию и изготовлению электрических машин. Сложившаяся ситуация требовала внедрения все больших мощностей и удельных нагрузок. Этот этап развития электромашиностроения характеризовался использованием новых материалов, технологий, конструкторских решений [2, 3, 5, 30, 34, 41, 49]. Совершенствование конструкций и технологий требовало повышения точности и надежности расчетов.

Поскольку анализ тепловых процессов производился в ту пору по упрощенным методам, построенным в основном на экспериментальных данных, при разработке новых, более эффективных систем охлаждения потребовались и новые более точные методы тепловых расчетов.

В основе первых расчетных методик лежали максимально упрощенные одномерные геометрические модели. Получение аналитических решений для подобных моделей не представляет особой сложности. Такие решения были получены для ряда примитивных геометрических тел (плоская стенка, бесконечный и полуограниченный стержень, шар, цилиндр) [25, 29, 32, 35, 37, 48]. На базе таких решений возник метод тепловых схем замещения, который был предложен Р. Зодербергом [58] в 1931 г. Метод тепловых схем получил признание и был развит в работах А.Е. Алексеева, И.М. Постникова [39] и других авторов. Ю.К. Васильев [12] предложил метод расчета, заключающийся в синтезе дифференциального уравнения теплопроводности (1) и тепловой схемы замещения.

Метод тепловых схем замещения получил широкое распространение благодаря своей наглядности и возможности применения решений электрический цепей. Он является одним из наиболее распространенных методов предварительных тепловых расчетов и в настоящее время.

Несмотря на достаточную простоту, наглядность и приемлемую точность расчетов в методе тепловых схем замещения существует ряд недостатков, таких как неполнота картины температурного поля (только средние значения) и невозможность полноценной оценки нестационарных режимов. В [31] было предложено моделировать нестационарные тепловые процессы с использованием электрических аналогий, что, однако, не получило широкого практического распространения. Проектировщик вынужден обращаться к трактовке дифференциальных уравнений в их общей постановке.

Уравнение теплопроводности для трехмерного поля с внутренними источниками тепла имеет вид:

50 е2©„ 320. пл

При проектировании новых электрических машин, помимо классических тепловых расчетов, позволяющих оценить средние установившиеся температуры активных частей, обязательными являются и расчеты нестационарных тепловых режимов.

В процессе проектирования под нестационарными тепловыми задачами в исследуемых конструкциях крупных машин переменного тока подразумевается следующее:

- выход из строя системы охлаждения или отдельных ее элементов, например, прекращение циркуляции охлаждающей воды

- внезапное увеличение нагрузки до недопустимых пределов, требующее строго ограничивать время работы в соответствующих режимах Анализ нестационарных задач теплопроводности, являющихся наиболее актуальными в настоящее время, сопряжен с рядом трудностей, вызванных необходимостью решения систем нелинейных неоднородных дифференциальных уравнений. По этой причине при разработке теории электрических машин предпринимаются попытки получить расчетные формулы на основе таких допущений, которые давали бы результаты не сильно расходящиеся с действительностью.

Данная концепция реализована в классической теории нестационарных процессов в электрических машинах [2, 14] в которой используются следующие допущения:

1. Вся электрическая машина (или ее анализируемый элемент) является единым телом, обладающим свойством неограниченной теплопроводности, что приводит к отсутствию градиента температуры по любому направлению в исследуемом объеме vfo J

2. Температура окружающей среды вс неизменна, что означает, что окружающая среда обладает неограниченной теплоемкостью.

3. Коэффициент теплообмена а между поверхностью машины и окружающей средой не зависит от места и времени процесса.

При такой постановке уравнение теплопроводности значительно упрощается давая в результате экспоненциальный характер возрастания температуры со временем. Данная теория получила дальнейшее развитие в работах, учитывающих неоднородность материалов и зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры [14].

Дальнейшее развитие методов расчета нестационарных процессов пошло по пути разбиения электрической машины на участки, для которых была возможность применять упрощенные расчетные модели [15, 16, 17, 18, 44, 52, 53]. Наиболее применяемые расчетные модели представленны на рисунке 1. Однослойная пластина (рисунок 1-а) моделирует пакеты активной стали, неизолированные многослойные обмотки и т.п., двухслойная (рисунок 1-6) -лобовые части обмоток с корпусной изоляцией, трехслойная (рисунок 1-в) обмотки неявнополюсного ротора с косвенным охлаждением.

Применительно к электрическим машинам эти задачи для моделей представленных на рисунке 1 решены в [15, 16, 17, 52, 53]. Несмотря на очевидную сложность и громоздкость результатов решения они обеспечивают приемлемую точность в диапазоне теплофизических параметров материалов, свойственных электрическим машинам.

К сожалению указанные решения не обобщены, что несколько осложняет принципиальный подход к методам их получения. В настоящей работе сделана попытка соответствующего обобщения.

Путем совместного решения дифференциальных уравнений для массива и охлаждающей среды в последнее время получено точное решение для охлаждающей среды в протяженном канале [45].

Для упрощения аналитического решения и проведения предварительного анализа как стационарных, так и нестационарных тепловых процессов для максимально нагретой точки в [23] предложено проводить эквивалентную замену упрощенных многослойных расчетных моделей на однослойные.

12 12 3 r-\j ^—у КГ7 а) б) в)

Рисунок 1. Упрощенные расчетные модели, а - однослойная пластина, б — двухслойная, в — трехслойная

На базе теоретических изысканий были созданы методики расчета как крупных энергетических машин [1, 5, 49, 51, 52, 53], так и электрических машин средней мощности с различными типами систем охлаждения [9,10, 11, 24, 36, 40, 46, 47].

С развитием вычислительной техники появилась возможность проводить численные расчеты по моделям максимально приближенным к реальным объектам. Естественно развитие численных расчетов шло постепенно, теоретическая база была заложена задолго до появления мощных приложений, позволяющих проводить расчеты по трехмерным моделям [26, 38]. Сейчас на этой базе создано большое количество разнообразных приложений и методов [7, 8, 28, 54, 56, 57].

В настоящее время для нужд кораблестроения возникла необходимость в создании электрических машин переменного тока большой и средней мощности обладающих специфическими характеристиками. Главные требования к техническим параметрам таких машин состоят в следующем:

1. Минимально возможные масса и габариты

2. Высокая надежность в напряженных условиях эксплуатации

3. Малошумность

Эти требования в равной степени относятся к двигателям и генераторам. При этом в настоящее время предпочтение отдается двигателям переменного тока и вентильным двигателям. Что касается генераторов, то это в подавляющем большинстве случаев синхронные машины с приводом либо от турбины, либо от дизельного двигателя.

При такой постановке вопроса, система охлаждения является определяющим фактором в конструировании будущей машины, от которого зависят не только масса, размеры и электромагнитные характеристики, но и большой степени надежность работы.

Проектирование систем охлаждения для машин, удовлетворяющих названным требованиям, в сущности, является нахождением некоего оптимального соотношения противоречивых характеристик, в особенности надежности, безаварийности эксплуатации, что накладывает дополнительные требования к точности методов тепловых расчетов.

Современный анализ систем охлаждения включает в себя физические и математические основы движения охлаждающих сред и тепловых потоков. В литературе существует значительное число частных, решений, но не содержится обобщенной методики теплового расчета электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения.

В связи с этим, целью настоящей работы является разработка общей методики теплового расчета высокоиспользованных электрических машин с учетом специфических требований по компактности, надежности и низкому уровню шума.

Для достижения поставленной цели в работе содержится:

1. Анализ существующих методов расчета. Оценка возможности применения имеющихся расчетных математических моделей.

2. Проведение расчетов и численного моделирования исследуемой машины.

3. Обобщение результатов исследований, с учетом экспериментального материала, выработка методики расчета высокоиспользованных электрических машин переменного тока с повышенными эксплуатационными требованиями.

4. Разработка практических рекомендаций по проектированию систем водяного охлаждения для исследуемого типа электрических машин.

Метод исследования. При решении поставленных задач применялись как аналитические, так и численные методы расчета. Аналитические решения получены с использованием классического метода решения дифференциальных уравнений, а так же интегральных преобразований

Лапласа. Численные решения реализованы с использованием пакетов прикладных программ Mathcad и ANSYS.

Научная новизна. Предложена и обоснована проведением ряда расчетов, в том числе численного моделирования методом конечных элементов в пакете ANSYS и сравнением с данными эксперимента, обобщенная двухслойная математическая модель для проведения предварительного анализа теплового состояния проектируемой электрической машины на этапе первичной проработки конструкции.

Практическая ценность. Предложенная инженерная методика расчета может быть рекомендована для анализа теплового состояния высокоиспользованных электрических машин переменного тока с системами косвенного водяного охлаждения морского исполнения.

По изложенному в работе алгоритму был проведен ряд расчетов крупных электрических машин морского исполнения. В настоящее время упомянутые электрические машины находятся в производстве в филиале ОАО «Силовые машины» «Электросила».

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:

Научно-практическом семинаре «Проблемы автоматизации проектирования корабельных электроэнергетических систем» (доклад), Санкт-Петербург, Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова, 30 ноября 2007.

V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, АЭП 2007 (доклад), Санкт-Петербург, Государственный политехнический университет, 18-21 сентября 2007.

VI международный симпозиум ЭЛМАШ - 2006 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования» (доклад), Москва, МА «Интерэлектромаш», 2-6 октября 2006.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в четырех печатных работах [22, 23, 24, 40], из них одна в рецензируемом издании.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 59 наименований и пяти приложений. Общий объем работы составляет 129 страниц машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Железняк, Иван Николаевич

Заключение

В диссертации рассмотрены вопросы тепловых расчетов и их влияние на процесс разработки электрических машин морского исполнения с системами косвенного водяного охлаждения. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Исследованы существующие методы тепловых расчетов электрических машин. Показано, что методы дают удовлетворительную картину теплового состояния машин с системами косвенного водяного охлаждения, но в то же время их применение приводит к громоздким и трудоемким расчетам, сопряженных со значительными затратами времени и труда, что исключает возможность их использования при поисковых расчетах на этапе разработки конструкции.

2. Рассмотрены особенности конструкции высокоиспользованных электрических машин морского исполнения с учетом характерных для данного класса машин требований. Показана целесообразность и эффективность применения системы косвенного водяного охлаждения для машин морского исполнения.

3. Разработана обобщенная двухслойная расчетная модель, позволяющая производить тепловой расчет машин исследуемого класса с приемлемой точностью при минимальных затратах времени и трудоемкости. Полученные результаты аналитического решения могут быть интегрированы в программы поверочных электромагнитных расчетов машин исследуемого класса, что так же позволит сократить время предварительной разработки машины.

4. Выполнено численное моделирование методом конечных элементов теплового состояния двух электрических машин исследуемого класса в пакете ANSYS, в том числе и нестационарных режимов. Проведенные расчеты с использованием разработанной в диссертации обобщенной двухслойной модели в сопоставлении с результатами экспериментов, численного моделирования и расчетов по методу тепловых схем замещения для асинхронного двигателя и трансформатора с вращающимся полем демонстрируют эффективность применения обобщенной двухслойной модели.

5. Выработан алгоритм проведения поисковых тепловых расчетов электрических машин с косвенным водяным охлаждением основанная на предложенной обобщенной двухслойной модели.

6. По предложенному алгоритму был проведен ряд расчетов электрических машин с косвенным водяным охлаждением для нужд флота, которые в настоящее время находятся в производстве в филиале ОАО «Силовые машины» «Электросила».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Железняк, Иван Николаевич, 2010 год

1. Абрамов А. И. Проектирование гидрогенераторов и синхронных компенсаторов: Учеб. пособие для вузов / А. И. Абрамов, А. В. Иванов-Смоленский. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2001.

2. Алексеев А. Е. Конструкция электрических машин / А. Е. Алексеев -M.-JL: Госэнергоиздат, 1958.

3. Алексеев А. Е. Турбогенераторы / А. Е. Алексеев, М. П. Костенко -M.-JL: Госэнергоиздат, 1939.

4. Араманович И. Г. Уравнения математической физики / И. Г. Араманович, В. И. Левин М.: «Наука», 1964.

5. Альпер Т.И. Охлаждение гидрогенераторов / Т.И. Альпер, Т.Г. Сергиевская —М.: «Энергия», 1969.

6. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники / Л. А. Бессонов — М.: «Высшая школа», 1996.

7. Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах / К.А. Басов М.: Компьютер пресс, 2002.

8. Басов К.A. ANSYS Справочник пользователя / К.А. Басов М.: ДМК Пресс, 2005.

9. Борисенко А. И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах / А. И. Борисенко, В. Г. Данько, А. И. Яковлев М.: Энергия, 1974.

10. Ю.Борисенко А. И. Охлаждение промышленных электрических машин /

11. A. И. Борисенко, О. Н. Костиков, А. И. Яковлев М.: Энергоатомиздат, 1983.11 .Бурковский А. Н. Нагрев и охлаждение электродвигателей взрывонепроницаемого исполнения / А. Н. Бурковский, Е. Б. Ковалев,

12. B. К. Коробов ~ М.: «Энергия», 1970.

13. Васильев Ю. К. Теория и инженерные методы расчетов тепловых процессов в электрических двигателях: автореф. дисс. док. техн. наук. / -Киев, 1969.

14. Геллер Б. Высшие гармоники в асинхронных машинах / Геллер Б., ГаматаВ.—М.: «Энергия», 1981.

15. М.Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин / Готтер Г. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1961.

16. Гуревич Э. И. К расчету нестационарных тепловых процессов в электрических машинах / Э. И. Гуревич, Ю. Л. Рыбин, И. Ф. Филиппов // Электротехника, 1975, № 1, с. 30-33.

17. Гуревич Э. И. Расчетные модели нестационарных тепловых процессов в электрических машинах / Э. И. Гуревич, Ю. Л. Рыбин // Электротехника, 1975, - № 12, с. 35-39.

18. Гуревич Э. И. Переходные тепловые процессы в электрических машинах / Э. И. Гуревич, Ю. Л. Рыбин Л.: Энергоатомиздат, 1983.

19. Гуревич Э. И. Тепловая инерционность активных частей электрических машин с протяженными охлаждающими каналами / Э. И. Гуревич, М. В. Сочава // Электричество. 2005. № 9. с. 30-37.

20. Гухман А. А. Применение теории подобия к исследованию процессов теплообмена / А. А. Гухман М.: «Высшая школа», 1967.

21. Данилевич Я. Б. Добавочные потери в электрических машинах / Я. Б. Данилевич, Э. Г. Кашарский Государственное энергитическое издательство. М.-Л.: 1963.

22. ДёчГ. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и z-преобразования / Дёч Г. М.: «Наука», 1971.

23. Железняк И. Н. К обобщению некоторых решений задач теплопроводности в крупных электрических машинах. / И.Н. Железняк // Вопросы электромеханики. — 2008. Т. 106. — С. 4-8.

24. Жуковский В. С. Основы теории теплопередачи / В. С. Жуковский -Л.: Энергия, 1969.

25. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич М.: Издательство «Мир», 1975.

26. Калантаров П. JI. Теоретические основы электротехники. Т.2. / П. JI. Калантаров, JI. Р. Нейман M.-JL: Государственное энергетическое издательство, 1959.

27. Каплун А. Б. ANSYS в руках инженера / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева М.: Едиториал УРСС, 2003.

28. Карслоу X. Теплопроводность твердых тел / Карслоу X., Егер Д. М.: «Наука», 1964.

29. Костенко М. П. Электрические машины / М. П. Костенко, JT. М. Пиотровский Л.: «Энергия», 1973.

30. Кузьмин М. П. Электрическое моделирование нестационарных процессов теплообмена / М. П. Кузьмин М.: Энергия, 1974.

31. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе -Новосибирск, «Наука», 1970.

32. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. / С. С. Кутателадзе М.: Энергоатомиздат, 1990.

33. Лившиц М. Электрические машины т.З. / Лившиц М. М.-Л.: Объединенное научно-техническое издательство НКТП СССР. Главная редакция энергитической литературы, 1936.

34. Лыков А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков М.: Высшая школа, 1967.

35. Мелешкин Г. А. Судовые синхронные генераторы с автоматическим регулированием напряжения Л.: Государственное союзное издательство судостроительной промышленности, 1962.

36. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева М.: «Энергрия», 1977.

37. Патанкар С. В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах / С. В. Патанкар — М.: Издательство МЭИ, 2003.

38. Постников И. М. Проектирование электрических машин. / И. М. Постников Киев.: Машгиз, 1954.

39. Рихтер Р. Этектрические машины т.1. / Рихтер Р. М.-Л.: Объединенное научно-техническое издательство НКТП СССР. Главная редакция энергитической литературы, 1935.

40. Сергеев П. С. Проектирование электрических машин / П. С. Сергеев, Н. В. Виноградов, Ф. А. Горяинов М.: Энергия, 1970.

41. Сипайлов Г. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах.

42. Счастливый Г. Г. Нагревание закрытых асинхронных электродвигателей / Г. Г. Счастливый Киев, Наукова думка, 1966.

43. Счастливый Г. Г. Погружные асинхронные электродвигатели / Г. Г. Счастливый, В. Г. Семак, Г. М. Федоренко М.: Энергоатомиздат, 1983.

44. Тихонов А. Н. Уравнения математической физики / А. Н. Тихонов, А. А. Самарский М.: ГИТТЛ, 1953.

45. Турбогенераторы. Расчет и конструкция / В. В. Титов, Г. М. Хуторецкий, Г. А. Загородная, Д. И. Заславский, И. А. Смотров -Л.: Энергия, 1967.

46. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров / Уонг X. М.: Атомиздат, 1979.

47. Филиппов И. Ф. Вопросы охлаждения электрических машин / И. Ф. Филиппов М.-Л. «Энергия», 1964.

48. Филиппов И. Ф. Основы теплообмена в электрических машинах / И. Ф. Филиппов Л. «Энергия», 1974.

49. Филиппов И. Ф. Теплообмен в электрических машинах / И. Ф. Филиппов Л.: Энергоатомиздат, 1986.

50. Чиграев А. В. ANSYS для инженеров. Справочное пособие / А. В. Чиграев, А. С. Кравчук, А. Ф. Смалюк М.: Машиностроение-1, 2004.

51. Шубов И. Г., Шум и вибрация электрических машин / И. Г. Шубов -2-е изд., перераб. и доп. — JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.

52. Kent L. Lawrence. ANSYS Tutorial. Release 9.0. SDC publications, 2005.

53. Saeed Moaveni. Finite Element Analysis. Theory and application with ANSYS Prentice hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1999.

54. Sodenberg R. "Steady flow of heat in large turbine-generators".

55. Transactions AIEE", 1931, June. 59.Thiruvengadam A. A. Unified theory of cavitation damage. "Journal of basic engineering", 1963, September, p. 365-376.96