Турбогенераторы служат источниками энергии на тепловых и атомных электростанциях и сохраняют наибольшую долю в генерирующих мощностях во всем мире. Теплогидравлические расчеты очень сложных систем охлаждения турбогенераторов в 3D-постановке крайне требовательны к вычислительным мощностям, поэтому альтернатива — 1D-моделирование. Российские разработчики создали такую модель и рассказали о технических подробностях своей работы.
Ученые разработали 1D-модель системы охлаждения ротора турбогенератора / © Александр Ситенький (Alexander Seetenky). CPI BalNpp (The Centre of the Public Information Balakovo NPP), ru.wikipedia.org
Из-за жестких конструктивных требований к габаритам и необходимости обеспечения большой единичной мощности, турбогенераторы — самые нагруженные электрические машины по критерию удельной мощности. Поэтому в их обмотках и сердечнике выделяется много тепла.
Но в конструкции любой электрической машины применяются электроизоляционные материалы, которые крайне чувствительны к высоким температурам. Для того чтобы обеспечить сроки службы продолжительностью 40 и более лет, необходимые для турбогенераторов, нужен жесткий контроль за температурами их активных частей. Это достигается применением крайне сложных систем охлаждения с большим количеством каналов небольшого сечения образующими разветвленные гидравлические цепи.
Теплогидравлические расчеты таких систем охлаждения в 3D-постановке крайне требовательны к вычислительным мощностям, альтернативным вариантов в данном случае может выступать 1D-моделирование. Преимущества такого подхода по сравнению с 3D-моделированием — меньшая требовательность к вычислительным ресурсам и меньшая трудоемкость при моделировании систем, состоящих из большого числа однотипных элементов, а также большая гибкость и простота редактирования.
Это позволяет моделировать значительно более сложные системы по сравнению с 3D-постановкой, а также значительно сокращать время проектирования электрических машин, особенно на этапе эскизного проектирования.
Специалисты «Росатома» разработали имитационную 1D-модель для определения параметров системы охлаждения ротора турбогенератора и проанализировали возможности применения 1D-моделей для оценки работы систем охлаждения электрических машин.
Для моделирования расчетной области, представленной на рисунках 1, 2 и 3, была выбрана одномассовая модель с усредненными характеристиками. Совокупность проводников и изоляции — единая тепловая масса с каналами для интенсивного воздушного охлаждения. Распределение температур внутри тепловой массы не учитывалось. Схема замещения расчетной области представлена на рисунке 4.
Тепловыделение в проводниках моделировалась блоком «источник теплового потока», на вход которого поступает значение в соответствии со следующим уравнением, описывающим изменения количества тепла за счет прохождения электрического тока.
Температуры в расчетной области были определены посредством моделирования конвективного теплообмена между стенками канала и охлаждающим воздухом, протекающим в них. Расчет модели выполнен методом косимуляции в программных продуктах САПФИР и REPEAT.
Задача делилась на две составляющие: расчет течения воздуха в каналах обмотки ротора и расчет конвективного теплообмена совокупности проводников и воздуха в каналах, каждая из которых решается в соответствующем программном продукте.
САПФИР осуществляет моделирование и расчет течения воздуха с учетом заданной геометрии каналов. В соответствии с исходными данными определяется эпюра давлений.
Потери давления в расчетной области обусловлены потерями на трение, повороты, изменение диаметра и потерями в тройниках. Потери на поворот и изменение диаметра рассчитываются в соответствии с формулами.
Уравнение импульса, используемое в САПФИР для определения расхода газа.
Моделирование течения воздуха в каналах обмотки ротора выполнено с использованием блоков стандартной библиотеки CMS: «Узел», «Канал», «Граничное условие», «Подпитка», «Внешний источник тепла» (рисунок 5).
Расчет конвективного теплообмена выполнялся в ПО REPEAT. Параметры воздуха (температура, скорость) передавались из САПФИР в блоки «Конвективная теплопередача с расчетом коэффициента теплоотдачи», где выполнялся расчет количества передаваемого тепла. Полученное количество теплоты, отводимое воздухом с поверхности проводников, передается в САПФИР, замыкая, таким образом, расчет уравнений теплообмена.
Для расчета необходимо было заполнить соответствующие свойства блока: «Площадь поверхности», «Тип конвекции», «Тип обтекания», «Характерный размер», «Длина трубы», «Смоченный периметр» и «Площадь сечения потока».
Результаты расчета параметров (средняя температура проводников, суммарный тепловой поток, перепад давления в каналах, температура воздуха на выходе из каналов, параметры аксиальных и радиальных каналов) и отклонения от проверочных данных представлены в таблицах 2 – 8. В качестве проверочных данных использованы результаты CFD-расчета в ANSYS CFX.
Ученые продемонстрировали методику и результаты расчета 1D-модели системы воздушного охлаждения ротора турбогенератора ТФ-125-2УЗ в ПО REPEAT и сравнили результаты расчета с теплогидравлическим расчетом в ПО ANSYS CFX в 3D-постановке.
Разработанная 1D-модель с допустимыми погрешностями выполняет расчет усредненной температуры проводников и суммарного теплового потока. Однако, погрешность расчета перепада давления в охлаждающих каналах при некоторых расходах достигла высоких значений.
Таким образом, 1D-модели могут использоваться как альтернативный вариант для выполнения оперативной оценки параметров систем охлаждения турбогенераторов на этапе проектирования.
