Совершенствование аэродинамических и тепловых расчётов проводов контактной сети

На правах рукописи

ПАРАНИН АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ РАСЧЁТОВ ПРОВОДОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Галкин Александр Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Ли Валерий Николаевич

кандидат технических наук, доцент

Смердин Александр Николаевич

Ведущая организация ГОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «25» марта 2011 г. в 14 –00 на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при ФГОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения» по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова 66, ауд. 283.

С диссертацией, авторефератом и видеопрезентацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте УрГУПС http://usurt.ru .

Автореферат разослан «25» февраля 2011 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета университета и по факсу (343) 245-31-88.

Тел.: (343) 358-55-10; e-mail: GVasilyeva@tm.usurt.ru

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.Р. Асадченко

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Жирным шрифтом обозначены векторные величины, обычным – скалярные.

u – скорость воздушного потока, м/с;

p – давление, Па;

 – динамической вязкость, Па·с;

 – плотности, кг/м3;

t – время, с;

Fвнш – вектор внешней объёмной силы воздуха, Н/м3;

E – единичная матрица;

 – оператор градиента;

с – теплоёмкость, Джкг/К;

T – температура, К;

k – теплопроводность, Втм/К;

Q – объёмная плотность мощности источника тепла, Вт/м3;

gс – ускорение свободного падения, 9,81 м/с2 ;

 – угол атаки воздушного потока, град.;

Re – число Рейнольдса;

Индекс  – обозначает параметры невозмущённого проводом (бесконечно удалённый от него) воздушного потока. Они принимаются как граничные условия в конечно элементной модели.

Fx – сила лобового сопротивления, Н/м;

Fy – подъёмная сила, Н/м;

M – момент тангажа, Н/м;

cx, cy, cm – соответствующие аэродинамические коэффициенты этих сил и момента, имеют статическую составляющую и динамическую составляющую (соответственно индекс ст и дн), составляющие инерционного давления и вязкого трения воздуха (соответственно индекс p и );

q – скоростной напор воздушного потока, Па;

d – диаметр провода, м;

hпг – погонный коэффициент конвективной теплоотдачи приведённый к единице длины провода, Вт / (мК) ;

a, kT, kp – коэффициенты зависимости hпг, соответственно, от скорости ветра u, температуры воздуха T и барометрического атмосферного давления p;

mпг – погонная масса провода, кг/м;

S – площадь поперечного сечения провода, м2 ;

r0 – удельное электрическое сопротивление материала провода при 293 К, Омм ;

R – линейный коэффициент изменения электрического сопротивления, 1 / К;

 – коэффициент серости поверхности провода;

 – суммарный (сумма прямого и рассеянного потоков солнечной радиации) удельный поток солнечной радиации на поверхность, Вт/м2 ;

l – периметр границы поперечного сечения провода, м;

CСБ – постоянная Стефана-Больцмана 5,6710-8 Дж  с-1 · м-2 · К-4 ;

I – ток, А;

Tуст и tнг – установившаяся температура, К и время нагрева провода, с;

Iдл – длительно допустимый ток (Tуст равна длительно допустимой) провода, А;

ОБЩАЯ ХАРКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важнейшую роль в транспортном комплексе Российской Федерации продолжают играть железные дороги, основной грузо- и пассажиропоток на которых осуществляется по электрифицированным участкам. Главные проблемы и задачи развития электрифицированного железнодорожного транспорта на сегодняшний момент отражены в основополагающих документах: «Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030г.», утверждённая распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008г. № 878-р; «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015г. («Белая книга» ОАО «РЖД»).

В данных документах одним из важнейших направлений является организация высокоскоростного и тяжеловесного движения с созданием соответствующего подвижного состава и необходимой инфраструктуры. При этом нагрузки на систему тягового электроснабжения значительно повышаются. В наиболее тяжёлых условиях находится контактная сеть, так как она не имеет резерва. Установлено, что наиболее повреждаемыми элементами контактной сети являются токоведущие провода, в основном, контактные провода и несущие тросы. Их механические и тепловые разрушения вызывают существенные негативные последствия. Можно утверждать, что при высокоскоростном и тяжеловесном движении доля тепловых разрушений токоведущих проводов от общего количества отказов контактной сети возрастёт. При этом тепловой расчёт контактной сети производится по стандартным аналитическим методикам, разработанным ещё в 60-х годах прошлого века. Данные методики имеют много упрощений (учёт в одном коэффициенте охлаждения за счёт конвекции и лучеиспускания, поперечное сечение проводов принимается круглым, температура по сечению и длине проводов одинакова) и не учитывают некоторых существенных факторов (солнечную радиацию, нагрев вызванный токосъёмом).

При высокоскоростном движении значительными становятся аэродинамические силы, воздействующие, в том числе, на контактную сеть. Кроме того, совершенствование способов расчёта аэродинамических сил, воздействующих на провода, требуется для борьбы с вибрацией и галопированием контактных подвесок, наблюдаемых в некоторых районах страны. Поскольку воздушный поток оказывает на провода одновременно силовое и конвективное охлаждающее воздействие, то аэродинамические и тепловые расчёты проводов должны быть взаимосвязаны в рамках одной модели.

Совершенствование существующих методик аэродинамических и тепловых расчётов проводов контактной сети необходимо для организации технического обслуживания контактной сети по состоянию. Для этого нужно создавать методы прогнозирования срока службы её элементов, в которых требуется учитывать, в том числе, аэродинамические и тепловые воздействия на провода на разных этапах жизненного цикла.

Цель диссертационной работы. Основной целью настоящей работы является совершенствование тепловых и аэродинамических расчётов проводов контактной сети с учётом различных факторов, действующих в эксплуатации.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1.  Разработать модель расчёта силового воздействия ветра на провода с учётом турбулентного отрывного характера течения, реальной геометрии проводов и физических свойств воздуха, зависящих от условий окружающей среды.

2.  Разработать модель теплового расчёта проводов контактной сети с учётом нагрева от электрического сопротивления при протекании тягового тока, нагрева от солнечной радиации, охлаждения за счёт конвекции и лучеиспускания.

3.  Разработать модель токораспределения и тепловых процессов при взаимодействии токоприемников с контактной сетью.

4.  Определить аэродинамические и тепловые характеристики проводов контактной сети с учётом их реальной геометрии и параметров, а также условий окружающей среды.

Объект исследования. Провода контактной сети.

Предмет исследования. Аэродинамические и теплофизические характеристики токоведущих проводов контактной сети, токосъёмных пластин токоприёмника электроподвижного состава, процессы нагрева и конвективного охлаждения проводов контактных сетей, турбулентные отрывные течения, галопирование и вибрация проводов.

Методы исследования. Математический аппарат теории физического поля, метод конечных элементов с использованием уравнения Навье-Стокса, записанного в переменных «скорость-давление», уравнение нестационарного теплообмена, уравнение непрерывности для стационарных токов (закон Ома в дифференциальной форме), реализованный в среде Comsol Multiphysics.

Научная новизна заключается в следующем:

1.  Определены аэродинамические и теплофизические характеристики проводов контактной сети с учётом их параметров и условий окружающей среды.

2.  Разработана математическая модель, в которой воздушный поток оказывает на провода одновременно силовое и конвективное охлаждающее воздействие.

3.  Произведена оценка влияния формы аэродинамически неустойчивого сечения провода на интенсивность его галопирования.

4.  Разработана модель на основе метода конечных элементов для расчёта нагрева полоза токоприёмника и контактного провода при токосъёме, актуальная, в том числе, при высокоскоростном и тяжёловесном движении.

Личный вклад автора состоит в: разработке математических моделей расчёта силового воздействия и тепловых расчётов проводов контактной сети; оценка аэродинамических и тепловых характеристик проводов в зависимости от их параметров и условий окружающей среды; применении данных моделей и полученных на их основании результатов для разработки предложений по корректировки нормативных документов; разработке новых и совершенствовании существующих аэродинамических гасителей «пляски» контактной подвески; разработке опытного образца системы теплового контроля проводов контактной сети; рациональной конструкции теплоизоляции в испытательном стенде теплового старения контактных проводов; проверке схемных решений и конструкции при разработке конструкции отечественного тяжёлого двухполозного асимметричного токоприёмника ТА 1-СТМ.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов, полученных на модели автора, с известными положениями теории аэродинамики и теплопередачи, сравнением с данными различных натурных экспериментов, приводимых в литературе, а также с результатами эталонных моделей.

Практическую ценность представляют:

1.  Рассчитанные аэродинамические и тепловые характеристики проводов позволяют скорректировать существующие нормативные документы (СТН ЦЭ 141-99, ПУТЭКС, ЦЭ-462).

2.  Разработанная модель расчёта силового воздействия ветра, позволяющая определять аэродинамическую неустойчивость сечения провода (с гололедом или изношенного) и создавать аэродинамические гасители галопирования с необходимой для этого аэродинамической характеристикой.

3.  Модель теплового расчёта проводов контактной сети, которая позволяет оценить их тепловое состояние на основе токовых нагрузок фидеров, полученных по результатам имитационного моделирования работы системы электроснабжения, а так же создавать систему теплового контроля проводов.

4.  Модель теплового расчёта контактного провода и полоза токоприёмника при токосъёме, определяющая тепловые и токовые характеристики токоприёмника на этапе проектирования, а также позволяющая проводить анализ тепловых повреждений контактного провода и полоза токоприёмника при токосъёме возникающих в эксплуатации.

На защиту выносится:

1. Модель расчёта нагрузки от силового воздействия ветра на провода с учётом отрывного турбулентного характера течения, реальной геометрии проводов и физических свойств воздуха, зависящих от условий окружающей среды.

2. Модель расчёта теплового воздействия на провода контактной сети с учётом нагрева от собственных и переходных сопротивлений при протекании тягового тока, нагрева от солнечной радиации, охлаждения за счёт конвекции, лучеиспускания.

3. Результаты математического моделирования, направленные на разработку предложений по корректировке нормативных документов, новых и совершенствование существующих аэродинамических гасителей пляски контактной подвески, опытного образца системы теплового контроля и защиты контактной сети, рациональной конструкции теплоизоляции в испытательном стенде теплового старения контактных проводов, проверку схемных решений и конструкцию отечественного тяжёлого двухполозного асимметричного токоприёмника ТА 1-СТМ 140.

Реализация результатов работы заключается в следующем:

1. Модель теплового расчёта контактного провода и полоза токоприёмника при токосъёме использовалась при разработке конструкции отечественного тяжёлого двухполозного асимметричного токоприёмника ТА 1-СТМ 140 производства ОАО «Синара – Транспортные Машины».

2. Экспериментальный способ борьбы с автоколебаниями внедрён в опытную эксплуатацию на Южно-Уральской железной дороге – филиале ОАО «РЖД», на участке контактной сети, подверженной автоколебаниям, Карталинской дистанции электроснабжения.

3. Модель теплового расчёта проводов использовалась для выбора рациональной конструкции теплоизоляции в испытательном стенде теплового старения контактных проводов, созданного в рамках научного сотрудничества между ГОУ ВПО УрГУПС и Siemens AG.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: 4-ая Российская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов», Уральский государственный технический университет – УПИ, г. Екатеринбург 2007г; Всероссийская научно-техническая конференция «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития»; научно-техническая конференция «Разработка и совершенствование электрооборудования для системы тягового электроснабжения железных дорог», Уральский государственный университет путей сообщения г. Екатеринбург 2008г.; 5-ая Российская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» Уральский государственный технический университет – УПИ, г. Екатеринбург 2009г; 4-ая Региональная научно-практическая конференция «Инструменты развития образовательных технологий в области энергосбережения» Российского государственного профессионально-педологического университета, г. Екатеринбург 2009 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ, одном патенте на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка из 106 наименований и приложений. Работа содержит 166 страниц основного текста, 38 рисунков, 6 таблиц и 5 приложений на 26 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе произведён анализ теоретических и экспериментальных исследований аэродинамических и тепловых воздействий на провода контактной сети.

Значительный вклад в данной области внесли следующие отечественные и зарубежные специалисты: И. И. Власов, А. Т. Демченко, А. И. Гуков, А. Г. Галкин, Г. П. Маслов, В. П. Шурыгин, Л. Ф. Белов, А. И. Вольский, Ю. И. Горошков, В. Н. Ли, А. В. Фрайфельд, А. В. Воронин, К. Г. Марквардт, А. В. Ефимов, А. С. Бочев, Е. П. Фигурнов, Т. Е. Петрова, В. Л. Григорьев, Ю. Е. Купцов, В. П. Михеев, И. А. Беляев, С. Д. Соколов, А. А. Порцелан, В. Я. Берент, К. Л. Костюченко, В. Б. Тепляков, П. Шмидт, Д. Петрауш, Дж. Линген, С. Таконори, С. Цунахоси.

Анализ существующих методик расчёта силового воздействия воздушного потока на провода контактной сети показал, что существующие стандартные методики расчёта не учитывают динамическую составляющую силового воздействия ветра, вызывающего вибрацию, имеют грубый подход для выбора аэродинамических коэффициентов в зависимости от провода, не учитывают температуру провода, имеют некоторые внутренние противоречия. Также было показано, что существующие методики теплового расчёта проводов контактной сети представляют собой аналитические модели, обладающие рядом недостатков.

Анализ методик расчёта и обзор экспериментальных исследований в данной области позволил сформулировать подходы к решению задачи: обтекание проводов воздушным потоком должно быть отрывным турбулентным; необходимо более корректно учитывать источники тепла и способы охлаждения (конвективное и лучеиспусканием) проводов; дополнительно учитывать нагрев контактных проводов при токосъёме; аэродинамические и тепловые расчёты проводов взаимосвязаны в рамках одной модели, в которой воздушный поток оказывает на провода одновременно силовое и конвективное охлаждающее воздействие (рисунок 1). Учитывая сложность аналитического решения подобной задачи, необходимо использовать численную модель, основанную на методе конечных элементов.

Рисунок 1 – Схема аэродинамических и тепловых расчётов проводов взаимосвязанных

в рамках одной модели

Во второй главе диссертации разработана модель расчёта силового воздействия ветра на провода с учётом отрывного турбулентного характера течения. Для описания течения воздуха применяются сеточные численные алгоритмы вихревой вычислительной гидрогазодинамики: система уравнений, состоящая из уравнения Навье-Стокса в переменных «скорость-давление» (1) и уравнения неразрывности потока (2). Если провод нагрет, то для описания тепловых процессов используется уравнение нестационарного теплообмена (3). Уравнения взаимосвязаны и образуют систему уравнений.

(1) (2) (3)