Повышение эффективности мини-турбогенераторов за счет применения новых материалов

УДК 621.333

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МИНИ-ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

, ,

Россия, Санкт-Петербург, Институт химии силикатов РАН

Обосновано применение новых конструкционных, магнитных и ферромагнитных материалов для мини-турбогенераторов малоразмерных газотурбинных установок. Выбор материала бандажного цилиндра ротора и типа редкоземельного постоянного магнита определяет габариты и массу машины, а ферромагнитного материала – КПД. Применение аморфных сплавов позволяет реализовать оптимальную по объему 4-полюсную конструкцию, что уменьшает массу генератора вдвое и повышает КПД до 99-99,5%.

Ключевые слова: мини-турбогенератор, постоянные магниты, немагнитные стали, аморфные сплавы, энергосбережение

Для систем децентрализованной энергетики, в том числе и для малоразмерных газотурбинных установок, перспективным высокоскоростным мини-турбогенератором является синхронная машина с возбуждением от постоянных высококоэрцитивных магнитов нового поколения. При создании высокоскоростных мини-турбогенераторов необходимо решить несколько задач, обусловленных высокой частотой вращения и увеличением потерь энергии: обеспечить механическую прочность ротора; существенно снизить потери в сердечнике статора; снизить потери на трение ротора о воздух. Требуемые характеристики мини-турбогенератора могут быть обеспечены выбором новых конструкционных, магнитных и ферромагнитных материалов [1-5].

Численный эксперимент на базе современных расчетных методов и пакетов программ позволяет задавать размеры и геометрию машины, учитывать нелинейность характеристик, реальное распределение токов и другие факторы, а также выполнять многовариантные расчеты, обеспечивая повышение надежности и точности расчетов, а также оптимизацию конструкции машины на этапе проектирования и изготовления [6-8].

Для изготовления бандажного цилиндра может быть использована бесшовная труба из немагнитной стали 12Х18Н10Т с пределом прочности уВ=550 МПа, низколегированная борсодержащая сталь (уВ=900 МПа), жаропрочные сплавы на никелевой основе типа ХН68ВКТЮ и ХН63MБ, а также прецизионные сплавы на кобальтовой основе типа 40КХНМ и 40КХНМВТЮ. Возможности получения высокопрочных материалов с высоким пределом текучести связаны с осуществлением ультратонкого измельчения кристаллического зерна. Коррозионно-стойкая жаропрочная сталь мартенситного типа 30Х13 (40Х13) имеет предел прочности уВ=1650-1750 МПа. Помимо немагнитных сталей для изготовления бандажного цилиндра может быть применен титановый сплав ВТ22 (уВ=1280 МПа), либо высокопрочные высокомодульные нити и жгуты «АРМОС» (уВ=5500 МПа).

Для системы возбуждения высокоскоростных мини-турбогенераторов выбирают высококоэрцитивные магниты из сплавов на основе редкоземельных металлов. Как правило, используют два химических состава: либо Nd2Fe14B (неодим-железо-бор), либо Sm2Co17 (самарий-кобальт). Неодимовые магниты обладают наивысшим значением магнитной энергии (ВН)max=440 кДж/м3, а также являются более дешевыми, чем самарий-кобальтовые магниты. Недостатком этих магнитов является низкая коррозионная стойкость и способность поглощения водорода из окружающей среды. Для них разработаны защитные покрытия слоями меди, цинка, никеля, хрома. Самарий-кобальтовые магниты уступают неодимовым по коэрцитивной силе и индукции, но, имея точку Кюри более +800 °С, способны работать при более высоких температурах (до +350 °С), являются коррозионностойкими и не нуждаются в защитном покрытии. Их недостатками являются высокая стоимость редкоземельных металлов и технология их очистки, а также большая хрупкость.

Аморфные и кристаллические сплавы обладают малыми удельными потерями. Для сердечников мини-турбогенераторов особенно эффективен аморфный сплав ГМ-440, у которого на частоте 0,05–5 кГц полностью реализуется высокая магнитная индукция без заметного перегрева магнитопровода. Магнитопроводы изготавливаются из ленты толщиной 25 мкм с аморфной структурой. После отжига в поперечном магнитном поле магнитопроводы имеют высокую линейность кривой намагничивания, низкую остаточную магнитную индукцию и низкие удельные магнитные потери.

Эффективность различных материалов исследована по результатам расчетов высокоскоростного мини-турбогенератора (Р=100 кВт, U=500 В, n=70000 мин-1, 2p=2, m=3, cosц=0,9). Базовая модель двухполюсного генератора имеет сердечник статора диаметром 140/65 мм из холоднокатаной изотропной тонколистовой электротехнической стали 2421 толщиной 0,18 мм. Численный эксперимент проведен для неодимовых [9] и для самарий-кобальтовых [10] магнитов. Для выбранной марки магнита рассмотрены различные материалы бандажного цилиндра, которые характеризуются тангенциальным напряжением у=600-1200 МПа, а также различной толщиной электротехнической стали Д=0,18–0,27 мм. Результаты эксперимента двухполюсной базовой модели представлены на рис. 1, а.

Анализ полученных данных показывает, что материал бандажного цилиндра и характеристики выбранного постоянного магнита определяют габариты генератора, его активную длину и массу (рис. 1, а). За счет выбора характеристик магнитов их объем и активная длина машины могут быть изменены на 30% (рис. 1, а), за счет материала бандажного цилиндра – на 25%. КПД машины при одинаковом ферромагнитном материале за счет изменения габаритов машины может отличаться на 0,5%. При замене ферромагнитного материала сохраняются массогабаритные показатели мини-турбогенератора, а потери в стали и КПД, соответствующие выбранному варианту, значительно зависят от характеристик ферромагнитных материалов (рис. 1, б): при увеличении толщины листа стали значительно (на 35–50%) возрастают потери, и КПД машины падает примерно на 1%.

 

а)  б)

Рисунок 1 – Зависимость активной длины (а) и потерь в стали (б) от выбранных материалов

В результате применения самарий-кобальтовых магнитов достигаются более высокие значения КПД, однако при этом возрастает масса магнитов и генератора.

Двухполюсная машина с точки зрения массогабаритных показателей не является оптимальной [4], однако переход на 4-полюсное исполнение невозможен: потери в электротехнической стали увеличиваются на 35–50%, а КПД снижается примерно на 1%.

Преимущество 4-полюсной конструкции мини-турбогенератора достигается только при применении для сердечника статора аморфного или нанокристаллического сплава, что позволяет вдвое снизить вес машины и увеличить КПД на 2% (рис. 2).

Рисунок 2 – Сравнение КПД 4-полюсного генератора СГПМ-100-70000 при применении стали 2421 толщиной 0,18 мм (1) и аморфного сплава ГМ-440 (2)

Для мини-турбогенератора 100 кВт, 70000 мин-1 выбором материалов могут быть реализованы следующие параметры: для двухполюсного исполнения при изготовлении сердечника статора из электротехнической стали 2421-0,18 и магнитах NdFeB: активная длина статора – 179 мм, масса машины – 52,9 кг, КПД – 97,57%; для четырехполюсного исполнения при изготовлении сердечника статора из аморфного сплава ГМ-440В и магнитах SmCo: активная длина статора – 190 мм, масса машины – 29,8 кг, КПД – 99,44%.

Список литературы

Данилевич, малой мощности для децентрализованных систем энергообеспечения [Текст] / , , – С.-Петербург: Изд. «Наука», 2009. – 102 с. Антипов, вопросы создания высокоскоростных микротурбогенераторов и пути их решения [Текст] / , // Информационно-управляющие системы. – 2012. – №4. – С. 25–34. Геча, технические решения для создания высокооборотного энергоэффективного электроагрегата [Текст] / , // Вопросы электромеханики. ВНИИЭМ, 2012. – Т. 130. – С. 3–6. Данилевич, электромеханические преобразователи энергии на основе новых материалов и покрытий [Текст] / , , // Электротехника. – 2010. – № 9. – С. 2–9. Рассохин, направления развития микротурбинных технологий в России и за рубежом [Текст] / , , // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2011. – №4. – С. 41–51. Gieras, J. F. Design of a High-Speed Magnet Brushless Generator for Microturbines [Текст] / J. F. Gieras, U. Jonsson // Electromotion. – 2005. – Vol. 12. – No. 2–3. – Pр. 86–91. Danilevich, J. B. Prospective Permanent Magnet Turbogenerator Design for Local Power Engineering [Текст] / J. B. Danilevich, V. N. Antipov, I. Yu. Kruchinina, Yu. Ph. Khozikov, A. V. Ivanova // Proc. of the XIX Intern. Conf. on Electrical Machines (ICEM-2010). Paper No. 003603. Rome, Italy, Sept. 2010. Иванова, характеристик перспективных высококоэрцитивных магнитов на параметры синхронных машин нетрадиционной энергетики [Текст] / , // В сб.: «Неорганическая химия – фундаментальная основа в материаловедении керамических, стеклообразных и композиционных материалов» материалы научной конференции. – 2016. – С. 74–77. Антипов, магнитных и ферромагнитных материалов для высокоскоростных мини-турбогенераторов [Текст] / , , // Электричество, 2017. – №7. – С. 38–46. Антипов, металлические стекла для высокоскоростных электромеханических преобразователей энергии [Текст] / , , // В сб.: Стекло: наука и практика. Сборник тезисов международной конференции. – С.-Петербург, 2017. – С. 112–114. Сайт компании «Редмаг» [Электронный ресурс]. – URL: http:///61.html (дата обращения: 23.03.18). Сайт компании Bossgoo [Электронный ресурс]. – URL: http://china-magnets. ru. / (дата обращения: 23.03.18).

– д-р техн. наук, Институт химии силикатов им. РАН (ИХС РАН), ведущий научный сотрудник. *****@***ru. [phone].

– Институт химии силикатов им. РАН (ИХС РАН), научный сотрудник. *****@***ru. [phone].

– канд. ф.-м. н., Институт химии силикатов им. РАН (ИХС РАН), старший научный сотрудник. *****@***ru. [phone].

_______________________________________________________________________________________

IMPROVING THE MINI-TURBOGENERATORS EFFICIENCY THROUGH THE USE OF NEW MATERIALS

Antipov V. N., Grozov A. D., Ivanova A. V.

Russia, St. Petersburg, Russian Academy of Sciences, Institute of Silicate Chemistry

Application of new structural, magnetic and ferromagnetic materials for mini-turbogenerators for small-size gas turbine units is proved. The choice of bandage rotor material and the type of rare earth permanent magnet determines the dimensions and the weight of the machine, and the ferromagnetic material determines the efficiency. The use of amorphous alloys allows realizing the optimal volume of 4-pole structure, which reduces the weight of the generator by half and increases the efficiency to 99-99.5%.

Key words: mini-turbogenerators, permanent magnets, non-magnetic steel, amorphous alloy, energy saving

Bibliography

Danilevich, YA. B. Turbogeneratory maloj moshchnosti dlya decentralizovannyh sistem ehnergoobespecheniya [Tekst] / YA. B. Danilevich, V. N. Antipov, I. YU. Kruchinina, YU. F. Hozikov – S.-Peterburg: Izd. «Nauka», 2009. – 102 s. Antipov, V. N. Problemnye voprosy sozdaniya vysokoskorostnyh mikroturbogeneratorov i puti ih resheniya [Tekst] / V. N. Antipov, I. YU. Kruchinina // Informacionno-upravlyayushchie sistemy. – 2012. – №4. – S. 25–34. Gecha, V. YA. Novye tekhnicheskie resheniya dlya sozdaniya vysokooborotnogo ehnergoehffektivnogo ehlektroagregata [Tekst] / V. YA. Gecha, A. B. Zaharenko // Voprosy ehlektromekhaniki. VNIIEHM, 2012. – T. 130. – S. 3–6. Danilevich, YA. B. Perspektivnye ehlektromekhanicheskie preobrazovateli ehnergii na osnove novyh materialov i pokrytij [Tekst] / YA. B. Danilevich, V. N. Antipov, I. YU. Kruchinina // EHlektrotekhnika. – 2010. – № 9. – S. 2–9. Rassohin, V. A. Osnovnye napravleniya razvitiya mikroturbinnyh tekhnologij v Rossii i za rubezhom [Tekst] / V. A. Rassohin, N. A. Zabelin, YU. V. Matveev // Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU. – 2011. – №4. – S. 41–51. Gieras, J. F. Design of a High-Speed Magnet Brushless Generator for Microturbines [Tekst] / J. F. Gieras, U. Jonsson // Electromotion. – 2005. – Vol. 12. – No. 2–3. – Pr. 86–91. Danilevich, J. B. Prospective Permanent Magnet Turbogenerator Design for Local Power Engineering [Tekst] / J. B. Danilevich, V. N. Antipov, I. Yu. Kruchinina, Yu. Ph. Khozikov, A. V. Ivanova // Proc. of the XIX Intern. Conf. on Electrical Machines (ICEM-2010). Paper No. 003603. Rome, Italy, Sept. 2010. Ivanova, A. V. Vliyanie harakteristik perspektivnyh vysokokoehrcitivnyh magnitov na parametry sinhronnyh mashin netradicionnoj ehnergetiki [Tekst] / A. V. Ivanova, V. N. Antipov // V sb.: «Neorganicheskaya himiya – fundamental'naya osnova v materialovedenii keramicheskih, stekloobraznyh i kompozicionnyh materialov» materialy nauchnoj konferencii. – 2016. – S. 74–77. Antipov, V. N. Vybor magnitnyh i ferromagnitnyh materialov dlya vysokoskorostnyh mini-turbogeneratorov [Tekst] / V. N. Antipov, A. D. Grozov, A. V. Ivanova // EHlektrichestvo, 2017. – №7. – S. 38–46. Antipov, V. N. Perspektivnye metallicheskie stekla dlya vysokoskorostnyh ehlektromekhanicheskih preobrazovatelej ehnergii [Tekst] / V. N. Antipov, A. D. Grozov, A. V. Ivanova // V sb.: Steklo: nauka i praktika. Sbornik tezisov mezhdunarodnoj konferencii. – S.-Peterburg, 2017. – S. 112–114. Sajt kompanii ZAO NPP «Redmag» [EHlektronnyj resurs]. – URL: http:///61.html (data obrashcheniya: 23.03.18). Sajt kompanii Bossgoo [EHlektronnyj resurs]. – URL: http://china-magnets. ru. / (data obrashcheniya: 23.03.18).

Antipov Victor N. Dr. of Sciences (Engineering),Institute of Silicate Chemistry. Russian Academy of Sciences, Leading scientist. *****@***ru. [phone]

GrozovAndrei D. –Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences, scientist. *****@***ru. [phone]

Ivanova Anna V. –PhD (Phys.-Math.), Institute of Silicate Chemistry Russian Academy of Sciences, , senior scientist *****@***ru. 7(812)328-16-91.