Turbine Generator with Increased Rotation Speed for Small-Capacity Thermal and Nuclear Power Plants
Keywords:
permanent magnets, synchronous generator, cogeneration technology, energy of the Arctic region, generator characteristics
Abstract
The article considers the design of a 4.5 MW synchronous generator with increased rotation speed excited from permanent magnets as a promising application for small-capacity thermal and nuclear power plants for local heat and power supply in the Arctic region. Through a comparative analysis of various options, the rational geometric dimensions and electromagnetic loads of the generator are determined; structural, magnetic and ferromagnetic materials are selected, and the results from numerical calculations of a 2D electromagnetic field using the finite element method are presented. The generator is equipped with a forced axial ventilation system with an open cycle, which ensures the necessary thermal conditions of the machine. The generator versions with a six-phase design for the 6300 V and 3150 V voltage levels are considered. It is shown that a six-phase machine can be a good alternative to a three-phase design. The use of a generator with a rotation speed of 18000 rpm at small-capacity power plants is very effective when operating in a cogeneration cycle and features significantly lower harmful atmospheric emissions. The high rotation speed makes it possible to reduce the generator’s weight and size.
References
1. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Сверхскоростные и ультраскоростные синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов (обзор зарубежных публикаций). – Электричество, 2014, № 3, с. 35–42.
2. Рассохин В.А., Забелин Н.А., Матвеев Ю.В. Основные направления развития микротурбинных технологий в России и за рубежом. – Научно-технические ведомости СПбПУ, 2011, № 4, с. 41–51.
3. Пожидаев В.М. Микротурбинные электроагрегаты – новое направление в малой энергетике. – Академия энергетики, 2005, № 4, с. 26–33.
4. Данилевич Я.Б. и др. Перспективный турбогенератор для децентрализованной (локальной) энергетики. – Известия РАН. Энергетика, 2009, № 4, с. 89–97.
5. Huynh C. et al. Design and Development of a Two-Megawatt, High Speed Permanent Magnet Alternator for Shipboard Application. – Naval Engineers Journal, 2005, vol. 117 (4), pp. 23–29, DOI:10.1111/j.1559-3584.2005.tb00379.x.
6. Газотурбинная электростанция ГТ ТЭЦ-009М [Электрон. ресурс], URL: http://www.combienergy.ru/kat1_53.html (дата обращения 20.09.2024).
7. Скворцов Б.А. Особенности проектирования турбогенератора с повышенной частотой вращения 6000 об/мин. – Труды Крыловского государственного научного центра, 2021, № 4 (398), с. 108–122.
8. Zhang Y. et al. Power Loss and Thermal Analysis of a MW High Speed Permanent Magnet Synchronous Machine. – IEEE Transactions on Energy Conversion, 2017, vol. 32 (4), pp. 1468–1478, DOI:10.1109/tec.2017.2710159.
9. Газовые турбины Siemens SGT [Электрон. ресурс], URL: https://dmliefer.ru/siemens-turbines (дата обращения 20.09.2024).
10. Filipenko M. et al. Concept Design of a High-Power Superconducting Generator for Future Hybrid-Electric Aircraft. – Superconductor Science and Technology, 2020, vol. 33, DOI:10.1088/ 1361-6668/ab695a.
11. Агеев А.И. и др. Опыт создания ВТСП-2 кольцевых обмоток возбуждения синхронного генератора большой мощности. – Электричество, 2024, № 12, с. 4–14.
12. Мельников Н.Н. и др. Научные основы создания подземных комплексов для размещения атомных станций малой мощности в условиях Арктики. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2020, 304 с.
13. Хуторецкий Г.М. и др. Турбогенератор 10 МВт, 3000 об/мин для газотурбинной ТЭЦ малой энергетики. Проблемы создания и эксплуатации новых типов энергетического оборудования. – ОЭЭП РАН, 2004, вып. 6, с. 22–32.
14. Данилевич Я.Б. и др. Турбогенераторы малой мощности для децентрализованных систем энергообеспечения. СПб.: Наука, 2009, 102 с.
15. Пат. RU 2320064 C1. Ротор синхронной электрической машины / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, Я.Б. Данилевич, 2008.
16. Пат. RU 2379813 C1. Турбогенератор с системой газового охлаждения / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, Я.Б. Данилевич, 2010.
17. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Повышение эффективности мини-турбогенераторов за счет применения новых материалов. – Энерго- и ресурсосбережение – XXI век, 2018, с. 114–118.
18. QuickField 5.8. Finite Element Analysis System. User's Guide. Swedenborg: Tera Analysis Ltd., 2011, 257 p.
19. Антипов В.Н., Кручинина И.Ю., Грозов А.Д. Трехмерное моделирование теплового поля быстроходного турбогенератора. – Электротехника, 2013, № 9, с. 19–24.
20. Хуторецкий Г.М., Воронов Г.Г. Шестифазные обмотки турбогенераторов. – Электротехника, 1968, № 10, с. 9–11.
21. Хуторецкий Г.М., Воронов Г.Г. Схемы замещения, диаграммы и параметры шестифазных неявнополюсных генераторов в установившемся режиме. – Электротехника, 1982, № 11, с. 7–13.
22. Гришин Н.В. Схемы замещения для решения режимных задач шестифазных турбогенераторов предельной мощности. – Научно-технические ведомости СПбПУ, 2016, № 2 (243), с. 62–71.
23. Попков Е.Н., Фешин А.О. Макромодель шестифазной синхронной машины в фазных координатах для исследования процессов в электроэнергетических системах. – Известия НТЦ Единой энергетической системы, 2020, № 2 (83), с. 64–73.
---
Работа выполнена в рамках Госзадания Филиала НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ – ИХС (регистрационный номер темы 1023032900322-9-1.4.3)
#
1. Shumov Yu.N., Safonov A.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2014, No. 3, pp. 35–42.
2. Rassohin V.A., Zabelin N.A., Matveev Yu.V. Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbPU – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin SPbPU), 2011, No. 4, pp. 41–51.
3. Pozhidaev V.M. Akademiya energetiki – in Russ. (Academy of Power Engineering), 2005, No. 4, pp. 26–33.
4. Danilevich YA.B. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2009, No. 4, pp. 89–97.
5. Huynh C. et al. Design and Development of a Two-Megawatt, High Speed Permanent Magnet Alternator for Shipboard Application. – Naval Engineers Journal, 2005, vol. 117 (4), pp. 23–29, DOI:10.1111/j.1559-3584.2005.tb00379.x.
6. Gazoturbinnaya elektrostantsiya GT TETS-009M (GT TPP-009M Gas Turbine Power Plant) [Electron. resource], URL: http://www.combienergy.ru/kat1_53.html (Date of appeal 20.09.2024).
7. Skvortsov B.A. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra – in Russ. (Proceedings of the Krylov State Scientific Center), 2021, No. 4 (398), pp. 108–122.
8. Zhang Y. et al. Power Loss and Thermal Analysis of a MW High Speed Permanent Magnet Synchronous Machine. – IEEE Trans. on Energy Conversion, 2017, vol. 32 (4), pp. 1468–1478, DOI:10.1109/tec.2017.2710159.
9. Gazovye turbiny Siemens SGT (Gas Turbines Siemens SGT) [Electron. resource], URL: https://dmliefer.ru/siemens-turbines (Date of appeal 20.09.2024).
10. Filipenko M. et al. Concept Design of a High Power Su-perconducting Generator for Future Hybrid-Electric Aircraft. – Superconductor Science and Technology, 2020, vol. 33, DOI: 10.1088/ 1361-6668/ab695a.
11. Ageev A.I. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 12, pp. 4–14.
12. Mel’nikov N.N. et al. Nauchnye osnovy sozdaniya podzemnyh kompleksov dlya razmeshcheniya atomnyh stantsiy maloy moshchnosti v usloviyah Arktiki (Scientific Foundations for the Creation of Underground Complexes for the Placement of Low-Power Nuclear Power Plants in the Arctic). Apatity: Izd-vo KNTS RAN, 2020, 304 p.
13. Hutoretskiy G.M. et al. OEEP RAN – in Russ. (Department of Electric Power Problems of the Russian Academy of Sciences), 2004, iss. 6, pp. 22–32.
14. Danilevich Ya.B. et al. Turbogeneratory maloy moshchnosti dlya detsentralizovannyh sistem energoobespecheniya (Low-Power Turbo Generators for Decentralized Energy Supply Systems). SPb.: Nauka, 2009, 102 p.
15. Pat. RU 2320064 C1. Rotor sinhronnoy elektricheskoy mashiny (Synchronous Electric Machine Rotor) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, Ya.B. Danilevich, 2008.
16. Pat. RU 2379813 C1. Turbogenerator s sistemoy gazovogo ohlazhdeniya (Turbo Generator with Gas Cooling System) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, Ya.B. Danilevich, 2010.
17. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Energo- i resurso-sberezhenie – XXI vek – in Russ. (Energy and Resource Conservation – XXI Сentury), 2018, pp. 114–118.
18. QuickField 5.8. Finite Element Analysis System. User's Guide. Swedenborg: Tera Analysis Ltd., 2011, 257 p.
19. Antipov V.N., Kruchinina I.Yu., Grozov A.D. Elektrotehnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2013, No. 9, pp. 19–24.
20. Hutoretskiy G.M., Voronov G.G. Elektrotehnika – in Russ. (Electrical Engineering), 1968, No. 10, pp. 9–11.
21. Hutoretskiy G.M., Voronov G.G. Elektrotehnika – in Russ. (Electrical Engineering), 1982, No. 11, pp. 7–13.
22. Grishin N.V. Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbPU – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin SPbPU), 2016, No. 2 (243), pp. 62–71.
23. Popkov E.N., Feshin A.O. Izvestiya NTTS Edinoy energeti-cheskoy sistemy – in Russ. (Proceedings of the Scientific and Technical Center of the Unified Energy System), 2020, No. 2 (83), pp. 64–73
---
The work was carried out within the framework of the State Assignment of the ISC RAS (topic registration number 1023032900322-9-1.4.3)
2. Рассохин В.А., Забелин Н.А., Матвеев Ю.В. Основные направления развития микротурбинных технологий в России и за рубежом. – Научно-технические ведомости СПбПУ, 2011, № 4, с. 41–51.
3. Пожидаев В.М. Микротурбинные электроагрегаты – новое направление в малой энергетике. – Академия энергетики, 2005, № 4, с. 26–33.
4. Данилевич Я.Б. и др. Перспективный турбогенератор для децентрализованной (локальной) энергетики. – Известия РАН. Энергетика, 2009, № 4, с. 89–97.
5. Huynh C. et al. Design and Development of a Two-Megawatt, High Speed Permanent Magnet Alternator for Shipboard Application. – Naval Engineers Journal, 2005, vol. 117 (4), pp. 23–29, DOI:10.1111/j.1559-3584.2005.tb00379.x.
6. Газотурбинная электростанция ГТ ТЭЦ-009М [Электрон. ресурс], URL: http://www.combienergy.ru/kat1_53.html (дата обращения 20.09.2024).
7. Скворцов Б.А. Особенности проектирования турбогенератора с повышенной частотой вращения 6000 об/мин. – Труды Крыловского государственного научного центра, 2021, № 4 (398), с. 108–122.
8. Zhang Y. et al. Power Loss and Thermal Analysis of a MW High Speed Permanent Magnet Synchronous Machine. – IEEE Transactions on Energy Conversion, 2017, vol. 32 (4), pp. 1468–1478, DOI:10.1109/tec.2017.2710159.
9. Газовые турбины Siemens SGT [Электрон. ресурс], URL: https://dmliefer.ru/siemens-turbines (дата обращения 20.09.2024).
10. Filipenko M. et al. Concept Design of a High-Power Superconducting Generator for Future Hybrid-Electric Aircraft. – Superconductor Science and Technology, 2020, vol. 33, DOI:10.1088/ 1361-6668/ab695a.
11. Агеев А.И. и др. Опыт создания ВТСП-2 кольцевых обмоток возбуждения синхронного генератора большой мощности. – Электричество, 2024, № 12, с. 4–14.
12. Мельников Н.Н. и др. Научные основы создания подземных комплексов для размещения атомных станций малой мощности в условиях Арктики. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2020, 304 с.
13. Хуторецкий Г.М. и др. Турбогенератор 10 МВт, 3000 об/мин для газотурбинной ТЭЦ малой энергетики. Проблемы создания и эксплуатации новых типов энергетического оборудования. – ОЭЭП РАН, 2004, вып. 6, с. 22–32.
14. Данилевич Я.Б. и др. Турбогенераторы малой мощности для децентрализованных систем энергообеспечения. СПб.: Наука, 2009, 102 с.
15. Пат. RU 2320064 C1. Ротор синхронной электрической машины / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, Я.Б. Данилевич, 2008.
16. Пат. RU 2379813 C1. Турбогенератор с системой газового охлаждения / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, Я.Б. Данилевич, 2010.
17. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Повышение эффективности мини-турбогенераторов за счет применения новых материалов. – Энерго- и ресурсосбережение – XXI век, 2018, с. 114–118.
18. QuickField 5.8. Finite Element Analysis System. User's Guide. Swedenborg: Tera Analysis Ltd., 2011, 257 p.
19. Антипов В.Н., Кручинина И.Ю., Грозов А.Д. Трехмерное моделирование теплового поля быстроходного турбогенератора. – Электротехника, 2013, № 9, с. 19–24.
20. Хуторецкий Г.М., Воронов Г.Г. Шестифазные обмотки турбогенераторов. – Электротехника, 1968, № 10, с. 9–11.
21. Хуторецкий Г.М., Воронов Г.Г. Схемы замещения, диаграммы и параметры шестифазных неявнополюсных генераторов в установившемся режиме. – Электротехника, 1982, № 11, с. 7–13.
22. Гришин Н.В. Схемы замещения для решения режимных задач шестифазных турбогенераторов предельной мощности. – Научно-технические ведомости СПбПУ, 2016, № 2 (243), с. 62–71.
23. Попков Е.Н., Фешин А.О. Макромодель шестифазной синхронной машины в фазных координатах для исследования процессов в электроэнергетических системах. – Известия НТЦ Единой энергетической системы, 2020, № 2 (83), с. 64–73.
---
Работа выполнена в рамках Госзадания Филиала НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ – ИХС (регистрационный номер темы 1023032900322-9-1.4.3)
#
1. Shumov Yu.N., Safonov A.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2014, No. 3, pp. 35–42.
2. Rassohin V.A., Zabelin N.A., Matveev Yu.V. Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbPU – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin SPbPU), 2011, No. 4, pp. 41–51.
3. Pozhidaev V.M. Akademiya energetiki – in Russ. (Academy of Power Engineering), 2005, No. 4, pp. 26–33.
4. Danilevich YA.B. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2009, No. 4, pp. 89–97.
5. Huynh C. et al. Design and Development of a Two-Megawatt, High Speed Permanent Magnet Alternator for Shipboard Application. – Naval Engineers Journal, 2005, vol. 117 (4), pp. 23–29, DOI:10.1111/j.1559-3584.2005.tb00379.x.
6. Gazoturbinnaya elektrostantsiya GT TETS-009M (GT TPP-009M Gas Turbine Power Plant) [Electron. resource], URL: http://www.combienergy.ru/kat1_53.html (Date of appeal 20.09.2024).
7. Skvortsov B.A. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra – in Russ. (Proceedings of the Krylov State Scientific Center), 2021, No. 4 (398), pp. 108–122.
8. Zhang Y. et al. Power Loss and Thermal Analysis of a MW High Speed Permanent Magnet Synchronous Machine. – IEEE Trans. on Energy Conversion, 2017, vol. 32 (4), pp. 1468–1478, DOI:10.1109/tec.2017.2710159.
9. Gazovye turbiny Siemens SGT (Gas Turbines Siemens SGT) [Electron. resource], URL: https://dmliefer.ru/siemens-turbines (Date of appeal 20.09.2024).
10. Filipenko M. et al. Concept Design of a High Power Su-perconducting Generator for Future Hybrid-Electric Aircraft. – Superconductor Science and Technology, 2020, vol. 33, DOI: 10.1088/ 1361-6668/ab695a.
11. Ageev A.I. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 12, pp. 4–14.
12. Mel’nikov N.N. et al. Nauchnye osnovy sozdaniya podzemnyh kompleksov dlya razmeshcheniya atomnyh stantsiy maloy moshchnosti v usloviyah Arktiki (Scientific Foundations for the Creation of Underground Complexes for the Placement of Low-Power Nuclear Power Plants in the Arctic). Apatity: Izd-vo KNTS RAN, 2020, 304 p.
13. Hutoretskiy G.M. et al. OEEP RAN – in Russ. (Department of Electric Power Problems of the Russian Academy of Sciences), 2004, iss. 6, pp. 22–32.
14. Danilevich Ya.B. et al. Turbogeneratory maloy moshchnosti dlya detsentralizovannyh sistem energoobespecheniya (Low-Power Turbo Generators for Decentralized Energy Supply Systems). SPb.: Nauka, 2009, 102 p.
15. Pat. RU 2320064 C1. Rotor sinhronnoy elektricheskoy mashiny (Synchronous Electric Machine Rotor) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, Ya.B. Danilevich, 2008.
16. Pat. RU 2379813 C1. Turbogenerator s sistemoy gazovogo ohlazhdeniya (Turbo Generator with Gas Cooling System) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, Ya.B. Danilevich, 2010.
17. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Energo- i resurso-sberezhenie – XXI vek – in Russ. (Energy and Resource Conservation – XXI Сentury), 2018, pp. 114–118.
18. QuickField 5.8. Finite Element Analysis System. User's Guide. Swedenborg: Tera Analysis Ltd., 2011, 257 p.
19. Antipov V.N., Kruchinina I.Yu., Grozov A.D. Elektrotehnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2013, No. 9, pp. 19–24.
20. Hutoretskiy G.M., Voronov G.G. Elektrotehnika – in Russ. (Electrical Engineering), 1968, No. 10, pp. 9–11.
21. Hutoretskiy G.M., Voronov G.G. Elektrotehnika – in Russ. (Electrical Engineering), 1982, No. 11, pp. 7–13.
22. Grishin N.V. Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbPU – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin SPbPU), 2016, No. 2 (243), pp. 62–71.
23. Popkov E.N., Feshin A.O. Izvestiya NTTS Edinoy energeti-cheskoy sistemy – in Russ. (Proceedings of the Scientific and Technical Center of the Unified Energy System), 2020, No. 2 (83), pp. 64–73
---
The work was carried out within the framework of the State Assignment of the ISC RAS (topic registration number 1023032900322-9-1.4.3)
Published
2024-12-23
Issue
Section
Article
