Математическое моделирование теплового состояния аппарата щеткодержателей в трехмерной постановке

Abstract

Проведен детальный анализ конструкции аппарата щеткодержателей для турбогенераторов мощностью от 200 до 600 МВт. Показаны основные причины повреждений и определены пути развития и усовершенствования существующей конструкции. Выполнен анализ методик расчета тепловыделений, обусловленных разными факторами по своей природе. Показана возможность выполнения трехмерного расчета с использованием результатов аналитического расчета совместно с методом CFD. Впервые выполнен расчет и разработана методика для определения теплового состояния аппарата щеткодержателей для турбогенераторов большой и средней мощности в трехмерной постановке.

Проведено детальний огляд існуючих конструкцій щіткоконтактних пристроїв для турбогенераторів від 200 МВт до 600 МВт. Розглянуто особливості апаратів щіткотримачів, що працюють разом з турбогенераторами різних фірм. Вказано основні причини пошкоджень та шляхи розвитку і вдосконалення існуючих конструкцій. Проведено аналіз методів розрахунку тепловиділень, що визначаються явищами різної природи. Встановлено найбільш оптимальний варіант оцінки впливу контакту та якості щіток на величину теплових виділень. Представлена можливість здійснення тривимірного розрахунку з використанням результатів аналітичного обчислення разом з методом CFD. Вперше було виконано обчислення та розроблено вдосконалений метод визначення теплового стану апаратів щіткотримачів для високо- та середньо-потужних турбогенераторів. Показано, що значення температури, отримані в результаті імітації теплового стану контактного пристрою, для щітки в середовищі моделювання потоку SolidWorks відповідають вимогам нових електричних машин. В якості критеріїв збіжності потоку були обрані наступні величини для об'єму: мінімальне, середнє та максимальне значення статичного тиску, середня масова витрата; середній тепловий потік на зазначених поверхнях. Розрахунок виконувався до досягнення критерію збіжності та виконання більш ніж трьох продувок обчислення. Розрахункова похибка не перевищує похибки вимірювання, що дає змогу оцінити працездатність апарату щіткотримачів на етапах проектування, а отримані значення температур не перевищують максимально допустимих відповідно до вимог нормативно-технічної документації.

A detailed review of the existing design of brush contact devices for 200 MW to 600 MW turbo-generators is performed. The peculiarities of brush contact devices working in tandem with turbo-generators of various firms are considered. The main causes of damage are indicated and the ways of development and improvement of the existing design are indicated. An analysis of the methods of calculating heat releases in a brush contact device caused by heat releases of different nature was performed. The most optimal variant of estimation of the influence of a contact spot and quality of brushes on the value of heat releases is specified. The possibility of performing a three-dimensional computation, using the results of the analytical computation together with the CFD method, is shown. For the first time, a computation was performed and an improved method was developed for determining the thermal state of a brush contact device for high and medium-power turbo-generators. It is shown that the temperature values obtained as a result of simulating the thermal state of a brush contact device in the SolidWorks Flow Simulation environment meet the requirements for newly designed electric machines. As criteria for the convergence of the solution, the following values for volume were chosen: minimum, average, and maximum static pressure, average mass flow rate; average heat flux on the indicated surfaces. The calculation was performed until the convergence criterion was reached and at least three purges of the computation area were executed. The calculated error does not exceed the measuring error, which makes it possible to evaluate the operability of a brush contact device at the design stages, and the values obtained do not exceed the maximum permissible temperatures in accordance with the requirements of the normative and technical documentation.