Påkänningar i partknippen som funktion av temperaturgradient i vattenkylda turbogeneratorer (aw)

En vattenkyld statorhärva i en turbogenerator är uppbyggd av ett antal kopparledare, som kallas parter, samt med parterna parallellt löpande kylvattenrör. Parterna och kylrören har ett rektangulärt tvärsnitt och är placerade tätt intill varandra i härvan. Härvan omsluts av härvisoleringen. Även varje part omsluts av ett tunt isolerskikt. Kylrören, som är betydligt färre än parterna, är jämt fördelade över härvans tvärsnitt.

Förlustvärmen i parterna leds ut till närmaste kylrör. Det innebär att det uppstår en temperaturgradient över härvans tvärsnitt. Två näraliggande parter kommer alltså att ha olika temperatur och därmed olika längdutvidgning. Denna längdskillnad ger upphov till
skjuvspänningar i isolerskiktet mellan parterna. Det är mycket viktigt att inga bristningar uppstår i isolerskiktet pga skjuvspänningarna då detta medför att värmeledningsförmågan till kylrören blir mycket sämre och därmed en sämre kylfunktion.

Det är önskvärt att kunna höja effekten i generatorer med bibehållen dimensionering av statorhärvan. Ökad effekt medför dock ökade förluster i härvan vilket ger en större temperaturgradient i tvärsnittet. Det medför i sin tur att partisoleringen utsätts för högre skjuvpåkänningar.

Vid termisk dimensionering av statorhärvor används i dag erfarenhetsvärden. Det är inte känt vilka marginaler som finns tills kylfunktionen i härvan börjar försämras. Det måste därför utredas om effekthöjningar utan omdimensionering skall kunna göras.

Det är lämpligt att studera påkänningarna i partisoleringen med en FEM-modell. Partisoleringen består bla av ett tunt limskikt. Skjuvspänningen i en plan yta mellan två kroppar med olika längdutvidgning blir mycket höga längs ytans ränder. Man måste därför använda en olinjär materialmodell för partisoleringen (ett linjärt spännings-töjningssamband ger i princip oändligt höga spänningar på randen). Då påkänningarna dessutom är cykliska (följer generatorns start/stopp cykler) måste man även studera spricktillväten i materialet. Man bör därför inleda arbetet med en litteraturstudie för att finna ett lämpligt spännings-töjningssamband för materialet i partisoleringen samt materialegenskaper i övrigt för en brottmekanisk bedömning.

Målsättningen är att finna lämpliga dimensioneringskriterier för temperaturgradienten i härvans tvärsnitt med syfte att bättre utnyttja härvans termiska egenskaper. Om tiden räcker till vore det bra om beräkningsresultaten kan verifieras med ett prov.