Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка прототипов технических и технологических решений для создания комбинированных роторов высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
микротурбинная энергоустановка, турбогенератор малой мощности, газодинамические подшипники, высокоскоростной ротор, редкоземельные постоянные магниты, магнитные свойства, экспериментальный прототип, высокопрочный бандаж, разнородные материалы, электронно-лучевая сварка, термическая обработка, структура, механические свойства, испытания, технология

Цель проекта:
1. Реализуемый проект направлен на решение актуальной задачи создания автономных, доступных энергетических установок малой (10 – 100 кВт) мощности на основе высокоэффективных высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов на лепестковых газодинамических подшипниках, работающих на низкореактивном топливе, включающим возобновляемое биотопливо, по показателям эффективности и экологии превосходящих зарубежные прототипы. Эта задача входит в одно из приоритетных направлений развития энергетики в развитых странах мира, состоящее в реализации концепции децентрализованного энергоснабжения. 2. Цель реализуемого проекта состоит в получении значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию новых видов турбогенераторов для энергетических установок малой мощности, обеспечивающих высокий экспортный потенциал и замещение импорта. Тема проекта соответствует направлениям стратегической программы исследований, осуществляемых Технологической платформой «Эффективная и экологически чистая теплоэнергетика», что подтверждено соответствующим письмом о поддержке прикладных научных исследований и экспериментальных разработок.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Методика проектирования комбинированных роторов высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Методика основана на созданной математической модели ротора высокоскоростного турбогенератора и будет обеспечивать следующие процедуры: проведение электромагнитных расчётов и определение магнитных параметров бандажа, магнитной системы и ротора в сборе; определение прочностных характеристик материалов бандажа и проведение прочностных расчётов комбинированного ротора; выбор материалов для изготовления бандажа ротора с учётом требований магнитных и механических свойств и возможности получения сварной конструкции бандажа ротора.
• Экспериментальный образец ротора с биметаллическим бандажом для высокооборотного турбогенератора с возбуждением от постоянных магнитов. Прототип технологии изготовления экспериментальных образцов ротора высокоскоростного турбогенератора будет основан на получении сварного биметаллического бандажа (из ферримагнитных и парамагнитных сталей) толщиной до 10 мм методом электронно-лучевой сварки.
• Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов с учётом технологических возможностей и особенностей индустриального партнёра.
• Технико-экономическое обоснование производства роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов, которое позволит дополнить исходные данные для разработки технического задания на проведение опытно-конструкторской работы по теме «Создание опытного образца высокооборотного турбогенератора с комбинированным ротором с возбуждением от постоянных магнитов» и впоследствии перейти к внедрению в производство роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов на отечественных предприятиях с учётом импортозамещения.
2. Характеристики роторов высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов, полученные в результате применения разрабатываемой методики проектирования комбинированных роторов для указанного вида турбогенераторов, будут использоваться при проектировании высокоскоростных турбогенераторов микротурбинных энергоустановок малой мощности.
• Метод электронно-лучевой сварки обеспечит заданное сочетание прочностных и магнитных свойств и характеристик при получении сварного биметаллического бандажа (из ферримагнитных и парамагнитных сталей) толщиной до 10 мм, на котором будет основан прототип технологии изготовления экспериментальных образцов ротора высокоскоростного турбогенератора.
• Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов позволят переходить к формированию проекта технического задания на проведение опытно-конструкторской работы по созданию опытных образцов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов, предназначенных для проектирования и изготовления на производственных мощностях индустриального партнёра мультитопливных энергетических энергоустановок, вырабатывающих от 10 до 60 кВт электрической энергии и 20-60 кВт тепловой энергии.
• Технико-экономическое обоснование производства роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов будет являться обоснованием возможности и целесообразности инвестиций в предприятия, подбора наиболее эффективных технических, организационных и экономических решений для ввода новых, либо модернизации или реконструкции действующих производственных мощностей.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Методика проектирования комбинированных роторов высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов.
Конструкция и прототип технологии изготовления экспериментального образца ротора высокоскоростного турбогенератора с возбуждением от постоянных магнитов и данные его экспериментальных исследований.
Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов с учётом технологических возможностей и особенностей индустриального партнёра.
Технико-экономическое обоснование производства роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов.
2. Новизна методики состоит в учёте новых конструкций комбинированных роторов высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов, разработке математической модели для расчёта магнитных свойств таких роторов с учётом характеристик материалов бандажа, выборе материалов для изготовления бандажа ротора с учётом магнитных и механических свойств.
Экспериментальный образец ротора высокооборотного турбогенератора с возбуждением от постоянных магнитов будет состоять из сварного биметаллического бандажа, магнитной системы, включающей составные магнитные элементы из редкоземельных металлов и ступицы вала под установку этих магнитных элементов, а также цапф вала для установки ротора в лепестковые газодинамические подшипники. Прототип технологии изготовления экспериментальных образцов ротора высокоскоростного турбогенератора будет основан на получении биметаллического бандажа, обеспечивающего сочетание заданных прочностных и магнитных свойств за счёт применения метода электронно-лучевой сварки для получения сварного соединения составных элементов бандажа.
3. Предлагаемая к созданию научно-техническая продукция по показателям эффективности и экологии превосходит зарубежные прототипы.
4. Технические требования к конструкции и технологии производства роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов позволят переходить к созданию опытного образца. Будут проведены комплексные прогнозные исследования по получению технического и экономического эффекта от внедрения в производство роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов на отечественных предприятиях с учётом импортозамещения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Основные области применения планируемых результатов: системы и комплексы децентрализованного энергоснабжения, в частности, удалённых и труднодоступных районов; установки распределённой когенерации, объединённые в кластеры, позволяющие решить задачу снабжения теплом и электроэнергией небольших посёлков, особенно в Сибири и на Дальнем Востоке; объекты распределённой энергетики на базе местного возобновляемого биотоплива (дрова, опилки, отходы переработки древесины и т. п.); специальные объекты, обеспечивающие обороноспособность страны, объекты, обеспечивающие безопасность в условиях климатических и техногенных катастроф, в чрезвычайных ситуациях, когда надёжность электро- и теплоснабжения потребителей уже не может быть обеспечена только средствами централизованных систем электроснабжения.
2. Практическое внедрения планируемых результатов и перспективы их использования обусловлены важностью, особенно в условиях России, основных областей применения планируемых результатов.
3. Одним из самых перспективных средств выработки тепловой и электрической энергии для систем малой энергетики являются так называемые микротурбинные энергоустановки, основу которых составляют высокоскоростные турбогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов, с бесконтактными, газодинамическими подшипниками и современными преобразователями электроэнергии. Однако, ввиду того, что акценты в развитии техники, науки и технологии были на протяжении ряда лет направлены на развитие агрегатов большой единичной мощности, для успешного осуществления поставленных задач требуется существенный объём научных работ в области исследования малых генераторов и турбин с рабочими частотами вращения ротора, исчисляемыми десятками-сотнями тысяч оборотов в минуту. В этих условиях важно в первую очередь разработать технологию создания критических узлов турбогенераторов, наиболее
сложным и значимым из них является высокоскоростной ротор с постоянными магнитами, который должен обладать высокими прочностными свойствами и обеспечивать требуемый поток возбуждения. Традиционные конструкции роторов со сплошными бандажами из немагнитных сплавов не позволяют в полной мере использовать свойства современных постоянных магнитов и, тем самым не обеспечивают достижения высоких удельных массогабаритных и энергетических характеристик турбогенераторов.
4. В НИУ «МЭИ» в полном объёме имеется материально-техническая база, позволяющая силами сотрудников создать технологии мирового уровня и изготавливать опытные образцы и мелкие партии изделий, в том числе для микротурбинных энергоустановок. С учётом имеющегося в НИУ «МЭИ» задела по разработке элементов электрических турбогенераторов предлагается работу по данному направлению проводить с максимальным приближением к созданию экспериментальных образцов высокоскоростных роторов и их натурных испытаний с целью дальнейшего использования полученных результатов для создания высокоэффективных электрических турбогенераторов малой мощности. В работе будут сочетаться аналитические методы анализа элементов высокоскоростных роторов с методами их цифрового имитационно-компьютерного моделирования, а также эмпирические методы синтеза сложных технических систем с последующим их испытанием и анализом результатов экспериментальных исследований.

Текущие результаты проекта:
1. Материалы аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта.
2. Результаты проведения патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3. Обоснование выбора направления исследований.
4. Результаты анализа распределения параметров магнитного поля комбинированных роторов высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов.
5. Оборудование помещения лаборатории для испытаний бандажей и магнитных систем высокооборотных электрических машин.