Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0169

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0169
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"
Название доклада
Разработка прототипов технических и технологических решений для создания комбинированных роторов высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов
Докладчик
Румянцев Михаил Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы в целом является получение значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию новых видов
турбогенераторов для энергетических установок малой мощности, обеспечивающих высокий экспортный потенциала и замещение импорта.
Цель исследований на втором этапе проекта: определение геометрического облика комбинированного ротора высокоскоростной электрической машины, обеспечивающего повышенный уровень магнитной индукции в воздушном зазоре.
Задача 1
Разработка методики проектирования комбинированных роторов высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов.
Задача 2
Разработка конструкции и прототипа технологии изготовления экспериментального образца ротора высокоскоростного турбогенератора с возбуждением от постоянных магнитов и его экспериментальные исследования.
Задача 3
Разработка технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.
Задача 4
Разработка технико-экономического обоснования производства роторов высокооборотных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов.
Актуальность и новизна исследования
Реализуемый проект направлен на создание 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.
Новизна создаваемой методики состоит в учёте новых конструкций комбинированных роторов, разработке математической модели для расчёта магнитных свойств таких роторов, выборе материалов для изготовления бандажа ротора с учётом магнитных и механических свойств. Новизна экспериментального образца ротора, создаваемого в ходе выполнения проекта, заключается в том, что он 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. Новизна прототипа технологии изготовления экспериментальных образцов ротора состоит в том, что он 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.
Описание исследования

Применение для роторов электрических машин турбогенераторов высококоэрцитивных постоянных магнитов, выполненных из магнитно-твердых материалов на основе редкоземельных элементов, позволяет существенно снизить массу и габаритные размеры таких машин, повысить их энергетические показатели и обеспечить, тем самым, преимущества по сравнению с электрическими машинами других видов, используемых в генераторном режиме для аналогичных энергетических систем. Аналитический обзор показал, что основные направления совершенствования роторов электрических машин турбогенераторов связаны с повышением магнитных свойств и характеристик постоянных магнитов, обеспечением этих стабильности свойств и характеристик в условиях повышенных температур и механических нагрузок, совершенствованием конструкционного выполнения роторов, технологий их изготовления и обработки для получения оптимальных роторов рассматриваемых машин.

Сплавы группы железо-хром-кобальт, благодаря высоким прочностным характеристикам материала, позволяют выполнять ротор монолитным, то есть в виде единой детали; заготовки из указанных сплавов допускают механическую обработку на обычных металлорежущих станках, включая нарезание резьбы и точение, что существенно упрощает технологию и снижает стоимость изготовления роторов. Постоянные магниты на основе магнитно-твердых материалов с редкоземельными элементами обладают наибольшей удельной магнитной энергией и находят все более широкое применение в промышленных и бытовых устройствах и механизмах, в том числе в составе вентильных электрических машин. Наибольший прогресс достигнут в производстве магнитов на основе сплавов групп
неодим-железо-бор и самарий-кобальт.

Одним из самых перспективных средств выработки тепловой и электрической энергии для малой энергетики, особенно актуальной для удаленных и труднодоступных районов, являются микротурбинные энергетические установки, поскольку они значительно эффективнее, надежнее и экономичнее малых электростанций, для выработки энергии на которых используется нефтепродукты, сжиженный газ. Для большинства вариантов реализации основных элементов микротурбинных энергетических установок – высокоскоростных турбогенераторов – предпочтительны в качестве электромеханического преобразователя энергии в их составе электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов, работающие с современными преобразователями электроэнергии.

В связи с тем, что на протяжении ряда лет основное внимание уделялось развитию аналогичных энергетических агрегатов большой единичной мощности, появилась необходимость в проведении масштабных научных работ в области всестороннего исследования малых, в том числе миниатюрных, турбин, электрических генераторов для оптимальной реализации турбин, значения рабочих частот вращения роторов которых составляют десятки и сотни тысяч оборотов в минуту.

Важное место в составе этих работ должны занять исследования вариантов конструкций и технологии создания критических узлов турбогенераторов, наиболее сложным и значимым из которых является ротор высокоскоростного электрического генератора с постоянными магнитами, обладающий одновременно высокой магнитной энергией для обеспечения требуемого магнитного потока возбуждения и, что не менее важно для рассматриваемых применений,  высокими прочностными свойствами.

При создании электрических машин турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов важное значение имеют их расчетные аналитические исследования, позволяющие снизить удельный вес экспериментальных исследований, физического моделирования и натурного макетирования, которые дорогостоящие, трудоемкие и требуют значительных по сравнению с расчетными исследованиями затрат времени. При расчетах, моделировании и проектировании рассматриваемых электрических машин особенно важен анализ распределения параметров магнитного поля комбинированных роторов в составе высокоскоростных турбогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов, проводимый преимущественно численными методами в автоматизированном режиме с высокой степенью дискретного разбиения исследуемой области; одним из наиболее распространенных является метод конечных элементов.

Результаты исследования

Анализ результатов исследования различных вариантов конструкций роторов электрических машин на первом этапе исследования показал, что наилучшими показателями обладают составные конструкции роторов с комбинированным бандажом; такие конструкции обеспечивают наилучшие магнитные характеристики роторов турбогенераторов; при этом по сравнению с традиционно применяемой безвальной конструкцией объем дорогостоящих постоянных магнитов значительно меньше, что обеспечивает более низкую стоимость ротора электрической машины. 

На втором этапе проекта разработана математическая модель макета ротора высокоскоростного турбогенератора, проведены электромагнитные расчеты и определены магнитные параметры бандажа и магнитной системы ротора высокоскоростного турбогенератора, проведены  прочностные расчеты и определены прочностные характеристики материалов бандажа макета ротора высокоскоростного турбогенератора, выбраны материалы для изготовления бандажа макета ротора высокоскоростного турбогенератора с учетом требований магнитных и механических свойств. 

На рисунке 1 представлена конструкция, состоящая из восьми магнитов, расположенных на восьмигранном сердечнике. Такая конструкция при прочих равных обеспечивает высокие магнитные характеристики ротора, и достаточна технологична.

Бандаж в рассматриваемой конструкции состоит из двух участков магнитопроводящего из материала ЭП-517 (синий участок) и немагнитного (материал 36НХТЮ), обеспечивающего минимальное магнитное рассеяние между полюсами (черный участок).

Размеры магнитного и немагнитного участков бандажа определяются исходя из прочностного и магнитного расчётов. Следует учитывать требуемую интенсивность магнитного поля и ширину магнитного полюса, требуемую для обеспечения работы электрической машины.

В рассматриваемой конструкции размеры магнитов ротора, и бандажа взаимно влияют друг на друга: с увеличением высоты магнита требуется увеличить толщину бандажа для обеспечения механической прочности конструкции, при этом увеличение высоты бандажа требует дополнительного увеличения высоты магнита для обеспечения высоких магнитных свойств ротора.  Для решения такой задачи первоначально определяются минимально допустимые размеры магнита, обеспечивающего требуемое значение магнитной индукции на поверхности ротора, и потом определяется высота бандажа, обеспечивающая механическую прочность для рассмотренных размеров магнита. Если величина бандажа, обеспечивающего прочность не превосходит заданную из магнитного расчёта, то выбранные размеры признаются удовлетворяющими всем предъявляемым требованиям.

На рисунке 2 представлена зависимость минимальной толщины магнита, обеспечивающей требуемый уровень индукции на поверхности ротора, от высоты бандажа. Из рисунка видно, что при увеличении высоты бандажа растёт и требуемая высота магнита.

Исходя из представленной на рисунке 2 зависимости можно сделать вывод о том, что применение бандажа более 5 мм нецелесообразно, т.к. при этом существенно возрастают размеры применяемых в конструкции магнитов.

Из десяти рассмотренных вариантов расчета на прочность выбраны три наилучших, для которых выполнены проверочные магнитные расчеты. В качестве окончательного варианта рекомендуется вариант №4 с наибольшим запасом по сварному шву. На рисунке 3 представлено НДС для этого варианта.

 

Практическая значимость исследования
Применение разработанных конструкций комбинированных роторов позволяет снизить расход редкоземельных магнитных материалов при производстве электрических машин, уменьшить их размеры при том же уровне отдаваемой мощности и повысить эффективность их работы.
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.
Внедрение результатов позволит создать отечественные образцы энергоустановок малой мощности, работающих на низкореактивном топливе, включающим возобновляемое биотопливо, по показателям эффективности и экологии
превосходящих зарубежные прототипы. Задача реализации концепции децентрализованного энергоснабжения входит в одно из приоритетных направлений развития энергетики в развитых странах мира. Энергетические установки малой мощности,созданные на базе результатов проекта обеспечат высокий экспортный потенциал и замещение импорта.