Синтез и анализ комбинированного магнитного и газодинамического подвеса для модельного ряда высокоскоростных микрогазотурбинных энергоустановок нового поколения
Ключевые слова:
распределенная генерация, газотурбинная установка, радиальный генератор, аксиальный генератор, магнитный подшипник, газодинамический подшипник, высокопрочная сталь, предел прочности, предел текучести
Аннотация
Развитие современной энергетики идет по пути распределённой генерации, при которой многочисленные источники разной мощности соединяются в общую сеть. Это позволяет повысить надежность работы всей системы, так как вероятность отказа одновременно нескольких источников низка. Электрогенерация на основе высокоскоростных газотурбинных установок составляет значительную долю в общем балансе, поэтому научные исследования и новые инженерные решения в этой области важны и актуальны. В статье предлагается инновационная конструкция высокоскоростной газотурбинной установки на базе вентильного аксиального генератора. Электрическая машина имеет диамагнитный якорь, исключающий магнитные потери, за счет чего увеличивается КПД установки и упрощается ее конструкция. Высокая частота вращения и наличие критических резонансных скоростей ротора потребовали принятия инженерных решений в отношении его опор. Предлагается комбинированный подвес на основе магнитных и газодинамических подшипников. Магнитные подшипники обеспечивают работу газотурбинной установки на низкой скорости вращения ротора при разгоне, а газодинамические – на высокой номинальной скорости. Показана конструкция генератора и компоновка комбинированного подвеса. Приведены расчеты магнитных и газодинамических подшипников для газотурбинной установки мощностью 100 кВт скоростью вращения 70000 об/мин. Результаты исследования могут быть использованы для ряда газотурбинных установок мощностью от 10 до 500 кВт. Авторы считают данную концепцию конкурентоспособной в сравнении с современными аналогами, имеющими радиальную конструкцию генератора.
Литература
1. Goldstein L., et al. Gas-fired distributed energy resource technology characterizations. National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-620-34783, 2003, 226 p.
2. Lasseter R. Dynamic models for micro-turbines and fuel cells. – IEEE PES Summer Meeting, Vancouver, BC, Canada, 2001, vol. 2, 2001, pp. 761–766.
3. Puttgen H.B., Macgregor P.R., Lambert F.C. Distributed generation: Semantic hype or the dawn of a new era. – IEEE Power and Energy Magazine, 2003, vol. 1, No. 1, pp. 22–29.
4. Malmquist A. Analysis of a gas turbine driven hybrid drive system for heavy vehicles. Ph.D dissertation, School of Electrical Engineering and Information Technology, KTH, Stockholm, Sweden, 1999.
5. Malmquist A., et al. Microturbines: Speeding the shift to distributed heat and power. – ABB Review, 2000, No. 3, pp. 22–30.
6. Rowen W.I. Simplified mathematical representations of heavy duty gasturbines. – Journal of Engineering for Power, Transactions ASME, 1983, vol. 105, No. 4, pp. 865–869.
7. Hannett L.N., Khan A. Combustion turbine dynamic model validation from tests. – IEEE Transactions on Power Systems, 1993, vol. 8, No. 1, pp. 152–158.
8. Al-Hinai A., Feliachi A. Dynamic model of a microturbine usedas a distributed generator. – 34th Southeastern Symposium on system Theory, Huntsville, 2002, pp.209–213, DOI:10.1109/SSST.2002.1027036.
9. Neustroev, N., Gandzha, S., Chuyduk, I.A. Passive Magnet Bearing Development for Axial Flux Permanent Magnet Generator with Diamagnetic Armaturе. – 2020 Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI), 2020, pp. 98–102, DOI:10.1109/PEAMI49900.2020.9234313.
10. Gandzha S., Aminov D., Kosimov B. Design of Brushless Electric Machine with Axial Magnetic Flux Based on the Use of Nomograms. – 2018 International Ural Conference on Green Energy, UralCon, 2018, pp. 282–287, DOI: 10.1109/URALCON.2018.8544320.
11. Gandzha S., Kiessh I. Selection of winding commutation for axial gap machines with any phases. – 2018 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM, 2018, DOI: 10.1109/ICIEAM.2018.8728636.
12. Gandzha, S., Kiessh, I. The high-speed axial gap electric alternator is the best solution for a gas turbine engine. – 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, 2017, vol. 17, iss. 43, pp. 791–796, DOI: 10.5593/sgem2017H/43/S29.099.
13. Hajagos L.M., Berube G.R. Utility experience with gas turbine testing and modeling. – IEEE PES Winter Meeting, 2001, vol. 2, pp. 671–677, DOI:10.1109/PESW.2001.916934.
14. Меркулов В.И., Плыкин М.Е., Тищенко И.В. К вопросу об инженерной методике расчета лепестковых газодинамических подшипников турбокомпрессоров. – Известия МГТУ «МАМИ», 2012, т. 1, № 2(14), с. 279–286.
15. Румянцев М.Ю., Захарова Н.Е., Сигачев С.И. Применение лепестковых газодинамичесих подшипников в турбогенераторных агрегатах малой мощности. – Известия МГТУ «МАМИ», 2014, т. 1, № 4(22), с. 61–68.
16. Левина Г.А., Бояршинова А.К. Решение упругогидродинамических задач и анализ нагрузочных характеристик лепесткового газодинамического подпятника с профилированными лепестками. – Машиноведение, 1989, № 5, с. 88–94.
17. РТМ 108.129.101-76. Расчет радиальных газостатических подшипников турбомашин атомной энергетики. Руководящий технический материал. Л.: НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, 1977, 86 с.
18. Румянцев М.Ю., Захарова Н.Е., Сигачев С.И. Опыт разработки высокоскоростных электротурбомашин на кафедре ЭКАО МЭИ. – Вестник МЭИ, 2007, № 3, с. 45–50.
19. Шевченко А.Ф. Статическая устойчивость синхронных машин с постоянными магнитами. – Электричество, 2007, № 1, с. 38–43.
20. Казаков Ю.Б., Тихонов А.И. Комплексная автоматизированная система исследования двигателей постоянного тока. – Электротехника, 1995, № 4, с. 21–24.
21. Корнеев В.В., Приступ А.Г. Проектирование синхронного генератора с постоянными магнитами. – Технические науки – от теории к практике, 2013, т. 23, с. 106–113.
22. Геминтерн В.И., Каган Б.М. Методы оптимального проектирования. М.: Энергия, 1980, 160 с.
23. Шымчак П. Инновационные конструкции магнитных систем синхронных машин с постоянными магнитами. – Электричество, 2009, № 9, с. 37–44.
24. Бухгольц Ю.Г. Многополюсные синхронные машины. Часть 2. Электромагнитный расчет и программа расчета на ЭВМ. Методическое указание. Новосибирск: НГТУ, 1996, 49 с.
#
1. Goldstein L., et al. Gas-fired distributed energy resource technology characterizations. National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-620-34783, 2003, 226 p.
2. Lasseter R. Dynamic models for micro-turbines and fuel cells. – IEEE PES Summer Meeting, Vancouver, BC, Canada, 2001, vol. 2, 2001, pp. 761–766.
3. Puttgen H.B., Macgregor P.R., Lambert F.C. Distributed generation: Semantic hype or the dawn of a new era. – IEEE Power and Energy Magazine, 2003, vol. 1, No. 1, pp. 22–29.
4. Malmquist A. Analysis of a gas turbine driven hybrid drive system for heavy vehicles. Ph.D dissertation, School of Electrical Engineering and Information Technology, KTH, Stockholm, Sweden, 1999.
5. Malmquist A., et al. Microturbines: Speeding the shift to distributed heat and power. – ABB Review, 2000, No. 3, pp. 22–30.
6. Rowen W.I. Simplified mathematical representations of heavy duty gasturbines. – Journal of Engineering for Power, Transactions ASME, 1983, vol. 105, No. 4, pp. 865–869.
7. Hannett L.N., Khan A. Combustion turbine dynamic model validation from tests. – IEEE Transactions on Power Systems, 1993, vol. 8, No. 1, pp. 152–158.
8. Al-Hinai A., Feliachi A. Dynamic model of a microturbine usedas a distributed generator. – 34th Southeastern Symposium on system Theory, Huntsville, 2002, pp.209–213, DOI:10.1109/SSST.2002.1027036.
9. Neustroev, N., Gandzha, S., Chuyduk, I.A. Passive Magnet Bearing Development for Axial Flux Permanent Magnet Generator with Diamagnetic Armaturе. – 2020 Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI), 2020, pp. 98–102, DOI:10.1109/PEAMI49900.2020.9234313.
10. Gandzha S., Aminov D., Kosimov B. Design of Brushless Electric Machine with Axial Magnetic Flux Based on the Use of Nomograms. – 2018 International Ural Conference on Green Energy, UralCon, 2018, pp. 282–287, DOI: 10.1109/URALCON.2018.8544320.
11. Gandzha S., Kiessh I. Selection of winding commutation for axial gap machines with any phases. – 2018 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM, 2018, DOI: 10.1109/ICIEAM.2018.8728636.
12. Gandzha, S., Kiessh, I. The high-speed axial gap electric alternator is the best solution for a gas turbine engine. – 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, 2017, vol. 17, iss. 43, pp. 791–796, DOI: 10.5593/sgem2017H/43/S29.099.
13. Hajagos L.M., Berube G.R. Utility experience with gas turbine testing and modeling. – IEEE PES Winter Meeting, 2001, vol. 2, pp. 671–677, DOI:10.1109/PESW.2001.916934.
14. Merkulov V.I., Plykin M.E., Tishchenko I.V. Izvestiya MGTU «MAMI» – in Russ. (Izvestia of MSTU "MAMI"), 2012, vol.1, No. 2(14), pp. 279–286.
15. Rumyantsev M.Yu., Zaharova N.E., Sigachev S.I. Izvestiya MGTU «MAMI» – in Russ. (Izvestia of MSTU "MAMI"), 2014, vol. 1, No. 4(22), pp. 61–68.
16. Levina G.A., Boyarshinova A.K. Mashinovedenie – in Russ. (Machine Science), 1989, No. 5, pp. 88–94.
17. RТМ 108.129.101–76. Raschet radial'nyh gazostaticheskih podshipnikov turbomashin atomnoy energetiki. Rukovodyashchiy tekhnicheskiy material (Calculation of Radial Gas-Static Bearings of Turbomachines of Nuclear Power. Technical Guidance Material). L.: NPO TsKTI im. I.I. Polzunova, 1977, 86 p.
18. Rumyantsev M.Yu., Zaharova N.E., Sigachev S.I. Vestnik MEI – in Russ. (Bulletin of MPEI), 2007, No. 3, pp. 45–50.
19. Shevchenko A.F. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2007, No. 1, pp. 38–43.
20. Kazakov Yu.B., Tihonov A.I. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 1995, No. 4, pp. 21–24.
21. Korneev V.V., Pristup A.G. Tekhnicheskie nauki – ot teorii k praktike – in Russ. (Technical Sciences – from Theory to Practice), 2013, vol. 23, pp. 106–113.
22. Gemintern V.I., Kagan B.M. Metody optimal'nogo proektirovaniya (Optimal Design Methods). М.: Energiya, 1980, 160 с.
23. Shymchak P. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2009, No. 9, pp. 37–44.
24. Buhgol'ts Yu.G. Mnogopolyusnye sinhronnye mashiny. Chast' 2. Elektromagnitnyy raschet i programma rascheta na EVM. Metodicheskoe ukazanie (Multi-pole synchronous machines. Part 2. Electromagnetic calculation and computer calculation program. Methodical instruction). Novosibirsk: NGTU, 1996, 49 p.
2. Lasseter R. Dynamic models for micro-turbines and fuel cells. – IEEE PES Summer Meeting, Vancouver, BC, Canada, 2001, vol. 2, 2001, pp. 761–766.
3. Puttgen H.B., Macgregor P.R., Lambert F.C. Distributed generation: Semantic hype or the dawn of a new era. – IEEE Power and Energy Magazine, 2003, vol. 1, No. 1, pp. 22–29.
4. Malmquist A. Analysis of a gas turbine driven hybrid drive system for heavy vehicles. Ph.D dissertation, School of Electrical Engineering and Information Technology, KTH, Stockholm, Sweden, 1999.
5. Malmquist A., et al. Microturbines: Speeding the shift to distributed heat and power. – ABB Review, 2000, No. 3, pp. 22–30.
6. Rowen W.I. Simplified mathematical representations of heavy duty gasturbines. – Journal of Engineering for Power, Transactions ASME, 1983, vol. 105, No. 4, pp. 865–869.
7. Hannett L.N., Khan A. Combustion turbine dynamic model validation from tests. – IEEE Transactions on Power Systems, 1993, vol. 8, No. 1, pp. 152–158.
8. Al-Hinai A., Feliachi A. Dynamic model of a microturbine usedas a distributed generator. – 34th Southeastern Symposium on system Theory, Huntsville, 2002, pp.209–213, DOI:10.1109/SSST.2002.1027036.
9. Neustroev, N., Gandzha, S., Chuyduk, I.A. Passive Magnet Bearing Development for Axial Flux Permanent Magnet Generator with Diamagnetic Armaturе. – 2020 Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI), 2020, pp. 98–102, DOI:10.1109/PEAMI49900.2020.9234313.
10. Gandzha S., Aminov D., Kosimov B. Design of Brushless Electric Machine with Axial Magnetic Flux Based on the Use of Nomograms. – 2018 International Ural Conference on Green Energy, UralCon, 2018, pp. 282–287, DOI: 10.1109/URALCON.2018.8544320.
11. Gandzha S., Kiessh I. Selection of winding commutation for axial gap machines with any phases. – 2018 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM, 2018, DOI: 10.1109/ICIEAM.2018.8728636.
12. Gandzha, S., Kiessh, I. The high-speed axial gap electric alternator is the best solution for a gas turbine engine. – 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, 2017, vol. 17, iss. 43, pp. 791–796, DOI: 10.5593/sgem2017H/43/S29.099.
13. Hajagos L.M., Berube G.R. Utility experience with gas turbine testing and modeling. – IEEE PES Winter Meeting, 2001, vol. 2, pp. 671–677, DOI:10.1109/PESW.2001.916934.
14. Меркулов В.И., Плыкин М.Е., Тищенко И.В. К вопросу об инженерной методике расчета лепестковых газодинамических подшипников турбокомпрессоров. – Известия МГТУ «МАМИ», 2012, т. 1, № 2(14), с. 279–286.
15. Румянцев М.Ю., Захарова Н.Е., Сигачев С.И. Применение лепестковых газодинамичесих подшипников в турбогенераторных агрегатах малой мощности. – Известия МГТУ «МАМИ», 2014, т. 1, № 4(22), с. 61–68.
16. Левина Г.А., Бояршинова А.К. Решение упругогидродинамических задач и анализ нагрузочных характеристик лепесткового газодинамического подпятника с профилированными лепестками. – Машиноведение, 1989, № 5, с. 88–94.
17. РТМ 108.129.101-76. Расчет радиальных газостатических подшипников турбомашин атомной энергетики. Руководящий технический материал. Л.: НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, 1977, 86 с.
18. Румянцев М.Ю., Захарова Н.Е., Сигачев С.И. Опыт разработки высокоскоростных электротурбомашин на кафедре ЭКАО МЭИ. – Вестник МЭИ, 2007, № 3, с. 45–50.
19. Шевченко А.Ф. Статическая устойчивость синхронных машин с постоянными магнитами. – Электричество, 2007, № 1, с. 38–43.
20. Казаков Ю.Б., Тихонов А.И. Комплексная автоматизированная система исследования двигателей постоянного тока. – Электротехника, 1995, № 4, с. 21–24.
21. Корнеев В.В., Приступ А.Г. Проектирование синхронного генератора с постоянными магнитами. – Технические науки – от теории к практике, 2013, т. 23, с. 106–113.
22. Геминтерн В.И., Каган Б.М. Методы оптимального проектирования. М.: Энергия, 1980, 160 с.
23. Шымчак П. Инновационные конструкции магнитных систем синхронных машин с постоянными магнитами. – Электричество, 2009, № 9, с. 37–44.
24. Бухгольц Ю.Г. Многополюсные синхронные машины. Часть 2. Электромагнитный расчет и программа расчета на ЭВМ. Методическое указание. Новосибирск: НГТУ, 1996, 49 с.
#
1. Goldstein L., et al. Gas-fired distributed energy resource technology characterizations. National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-620-34783, 2003, 226 p.
2. Lasseter R. Dynamic models for micro-turbines and fuel cells. – IEEE PES Summer Meeting, Vancouver, BC, Canada, 2001, vol. 2, 2001, pp. 761–766.
3. Puttgen H.B., Macgregor P.R., Lambert F.C. Distributed generation: Semantic hype or the dawn of a new era. – IEEE Power and Energy Magazine, 2003, vol. 1, No. 1, pp. 22–29.
4. Malmquist A. Analysis of a gas turbine driven hybrid drive system for heavy vehicles. Ph.D dissertation, School of Electrical Engineering and Information Technology, KTH, Stockholm, Sweden, 1999.
5. Malmquist A., et al. Microturbines: Speeding the shift to distributed heat and power. – ABB Review, 2000, No. 3, pp. 22–30.
6. Rowen W.I. Simplified mathematical representations of heavy duty gasturbines. – Journal of Engineering for Power, Transactions ASME, 1983, vol. 105, No. 4, pp. 865–869.
7. Hannett L.N., Khan A. Combustion turbine dynamic model validation from tests. – IEEE Transactions on Power Systems, 1993, vol. 8, No. 1, pp. 152–158.
8. Al-Hinai A., Feliachi A. Dynamic model of a microturbine usedas a distributed generator. – 34th Southeastern Symposium on system Theory, Huntsville, 2002, pp.209–213, DOI:10.1109/SSST.2002.1027036.
9. Neustroev, N., Gandzha, S., Chuyduk, I.A. Passive Magnet Bearing Development for Axial Flux Permanent Magnet Generator with Diamagnetic Armaturе. – 2020 Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI), 2020, pp. 98–102, DOI:10.1109/PEAMI49900.2020.9234313.
10. Gandzha S., Aminov D., Kosimov B. Design of Brushless Electric Machine with Axial Magnetic Flux Based on the Use of Nomograms. – 2018 International Ural Conference on Green Energy, UralCon, 2018, pp. 282–287, DOI: 10.1109/URALCON.2018.8544320.
11. Gandzha S., Kiessh I. Selection of winding commutation for axial gap machines with any phases. – 2018 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM, 2018, DOI: 10.1109/ICIEAM.2018.8728636.
12. Gandzha, S., Kiessh, I. The high-speed axial gap electric alternator is the best solution for a gas turbine engine. – 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, 2017, vol. 17, iss. 43, pp. 791–796, DOI: 10.5593/sgem2017H/43/S29.099.
13. Hajagos L.M., Berube G.R. Utility experience with gas turbine testing and modeling. – IEEE PES Winter Meeting, 2001, vol. 2, pp. 671–677, DOI:10.1109/PESW.2001.916934.
14. Merkulov V.I., Plykin M.E., Tishchenko I.V. Izvestiya MGTU «MAMI» – in Russ. (Izvestia of MSTU "MAMI"), 2012, vol.1, No. 2(14), pp. 279–286.
15. Rumyantsev M.Yu., Zaharova N.E., Sigachev S.I. Izvestiya MGTU «MAMI» – in Russ. (Izvestia of MSTU "MAMI"), 2014, vol. 1, No. 4(22), pp. 61–68.
16. Levina G.A., Boyarshinova A.K. Mashinovedenie – in Russ. (Machine Science), 1989, No. 5, pp. 88–94.
17. RТМ 108.129.101–76. Raschet radial'nyh gazostaticheskih podshipnikov turbomashin atomnoy energetiki. Rukovodyashchiy tekhnicheskiy material (Calculation of Radial Gas-Static Bearings of Turbomachines of Nuclear Power. Technical Guidance Material). L.: NPO TsKTI im. I.I. Polzunova, 1977, 86 p.
18. Rumyantsev M.Yu., Zaharova N.E., Sigachev S.I. Vestnik MEI – in Russ. (Bulletin of MPEI), 2007, No. 3, pp. 45–50.
19. Shevchenko A.F. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2007, No. 1, pp. 38–43.
20. Kazakov Yu.B., Tihonov A.I. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 1995, No. 4, pp. 21–24.
21. Korneev V.V., Pristup A.G. Tekhnicheskie nauki – ot teorii k praktike – in Russ. (Technical Sciences – from Theory to Practice), 2013, vol. 23, pp. 106–113.
22. Gemintern V.I., Kagan B.M. Metody optimal'nogo proektirovaniya (Optimal Design Methods). М.: Energiya, 1980, 160 с.
23. Shymchak P. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2009, No. 9, pp. 37–44.
24. Buhgol'ts Yu.G. Mnogopolyusnye sinhronnye mashiny. Chast' 2. Elektromagnitnyy raschet i programma rascheta na EVM. Metodicheskoe ukazanie (Multi-pole synchronous machines. Part 2. Electromagnetic calculation and computer calculation program. Methodical instruction). Novosibirsk: NGTU, 1996, 49 p.
