高速水力發(fā)電機的通風和冷卻系統(tǒng)

［瑞士］B·喬丹等

水電站的三相凸極同步發(fā)電機可將水流的機械能轉換為電能。近年來，將更高比轉速應用于混流式水輪機已成為一種趨勢。對于同步發(fā)電機，轉速n與電網(wǎng)頻率f相關，n=f/p，其中p是磁極對數(shù)。因此，對于高轉速機組，磁極數(shù)量減少，同時每極的電能增加。對于機械設計來說，這種常用機組的冷卻成為一個嚴峻的問題。

1 冷卻需求

高速發(fā)電機的尺寸受限于離心力(直徑)和軸線(長度)的臨界彎曲速度。高速時，機械載荷增加，需要精心的機械設計。此外，對抽水蓄能電站電動機－發(fā)電機的眾多啟動－停止線圈，需要完全不同的機械設計。對于關鍵性的轉子部件，其機械要求更高，這樣就限制了冷卻氣流的橫截面。因此，更難以給發(fā)電機的主動區(qū)域提供足量的冷卻空氣。

重要的是，轉子和定子的溫升應符合適當?shù)臉藴省Ｆ渌P鍵因素是冷卻本身造成的損耗(空氣摩擦和通風損耗)。簡單地產(chǎn)生氣流來確保冷卻可能會適得其反。因此，這種發(fā)電機的冷卻必須根據(jù)氣流的分布進行優(yōu)化。這意味著冷卻氣流分布必須適應功率的損耗分布。由于高速機組的通風損耗大約是整個功率損耗的1/3，所以高效冷卻是這些發(fā)電機安全運行的關鍵問題。

2 空冷方案

2.1 軸向/徑向冷卻發(fā)電機

轉速等于或高于750r/min的發(fā)電機的機械載荷很高。因此，它們的輪緣塊巨大，轉子上的磁極線圈支承截然不同，見圖1。既然不可能通過輪緣供應空氣，那么空氣只能從軸向進入磁極間隙，并從徑向通過定子通風管道。從圖1可以看出，空氣是從轉子進入徑向定子通風管道后連續(xù)擴散，導致從入口到發(fā)電機軸線中心的空氣體積減少。

圖1 軸向/徑向冷卻發(fā)電機內的空氣體積流量分布

空氣體積在軸線上的減少導致空氣速度較低，致使熱傳遞系數(shù)下降。同時，空氣吸收了從入口到發(fā)電機中心的所有損耗，導致發(fā)電機中心的空氣溫度更高。

上述影響導致軸向/徑向冷卻的發(fā)電機在軸向中心的溫度最高，如圖2所示。根據(jù)發(fā)電機設計，峰值溫度可能比平均溫度高很多。

減少軸向長度的發(fā)電機在磁極間隙的軸線中間只有一個磁極線圈支承，因此，與具有一個以上支承的發(fā)電機相比，中心溫度較低。長型發(fā)電機一般每個磁極的磁極線圈支承均超過了1個，這就令足量冷空氣到達發(fā)電機中心的難度增加。

圖2 計算的高速機組轉子銅線溫度分布

解決這個問題的有效辦法是使用梯形磁極體，這樣可以吸收轉子磁極線圈的大離心力。有了這種磁極，只需安裝一個轉子磁極線圈支承，甚至可以一個都不要，見圖3。然而，梯形磁極的缺陷是轉子線圈的設計更為復雜。

圖3 中部有導流裝置的軸向/徑向冷卻發(fā)電機

另一解決辦法是使用額外的導流裝置，使空氣流向發(fā)電機的中部。有了導流裝置，氣流速度更高，湍流程度更亂，有助于改善線圈到冷卻空氣的散熱。

對于使用率高的高轉速發(fā)電機，轉子磁極自然產(chǎn)生的壓力常常不足以循環(huán)發(fā)電機所需的空氣量(自通風)。在這種情況下，需要額外的壓力產(chǎn)生源。由于發(fā)電機只向一個方向旋轉，因而可以安裝軸向風扇。在這種情況下，風扇位于發(fā)電機軸的旁邊，與磁極間隙一同作為壓力源(見圖4)。這些主動的壓力發(fā)生元件，與從動元件如定子鐵芯、定子機座和空氣冷卻器一起，形成了一個封閉的冷卻回路。有軸向風扇的發(fā)電機，穿過定子繞組端部的空氣通道，平行于定子鐵芯。

圖4 帶軸向風扇的空氣冷卻概念

如果發(fā)電機向2個方向旋轉，如可逆式水泵水輪機，則不能使用軸向風扇。那么，必須安裝外部風扇以支持轉子磁極在發(fā)電機內循環(huán)冷卻空氣。圖5顯示了該冷卻系統(tǒng)的布置。使用外部風扇的主要優(yōu)點是高效，并有可能在試運行期間，甚至是運行期間，使用變頻器來調節(jié)氣流體積。另一方面，外部風扇是附加的輔助系統(tǒng)，需要定期維護。圖5為空冷回路，來自外部風扇的冷空氣直接從定子繞組連接和端部導流，可以保證定子端部區(qū)域冷卻效果良好，但是冷卻轉子的空氣溫度卻上升了。

圖5 帶外部風扇的空氣冷卻概念

2.2 軸向/徑向+輪緣通風管道冷卻發(fā)電機

根據(jù)發(fā)電機功率和轉速，除了常規(guī)的軸向/徑向冷卻概念外，還可使用轉子輪緣的徑向空氣管道。輔助的輪緣管道為發(fā)電機軸向中心提供了冷卻空氣，如圖6所示。

圖6 包含邊緣通風管道的軸向空氣體積流量分布

發(fā)電機中間的輔助冷空氣降低了峰值溫度。然而，輔助的冷卻后果導致通風損耗更大。相對于軸向或外部風扇的效率而言，這些損耗與轉子輪緣和支架壓力產(chǎn)生的低效率有關。由于轉子輪緣流道的效率低，應盡可能減少通過支架和輪緣的空氣量。使用轉子磁極間隙內的導流裝置，或在轉子線圈和磁極體之間有一條背面冷卻通道，可以使輔助空氣流出輪緣的冷卻效果最大化。特別是轉子線圈的背面冷卻，允許轉子電流的密度更高。

3 計算

3.1 網(wǎng)絡計算

可以使用流體網(wǎng)絡計算來估算冷卻空氣總量和空氣體積流量分布。用流體網(wǎng)絡模擬整個發(fā)電機空氣回路的軸向/徑向切口。流體網(wǎng)絡由主動和從動元件組成。主動元件是壓力產(chǎn)生元件，如風扇和磁極間隙。從動元件是壓降元件，與空氣摩擦、膨脹、收縮和偏轉有關?；诨鶢柣舴蚨山鉀Q流體網(wǎng)絡。由于壓降是空氣速率平方函數(shù)，網(wǎng)絡計算需要以迭代的方式完成。

網(wǎng)絡計算確定了空氣速率、壓降和發(fā)電機各部件的體積流動分布，之后就可以計算通風損耗和熱傳遞系數(shù)。而且，將計算的電氣損耗分配給相應的流體網(wǎng)絡元件，可以計算發(fā)電機各部件的空氣溫度。將這些結果作為熱網(wǎng)絡計算的邊界條件，可以確定主動元件的溫度。用迭代法將電氣、通風和熱計算組合在一起并予以解決。

3.2 CFD 計算

計算流體動力學(CFD)是設計和開發(fā)高速水力發(fā)電機組的重要工具。有關機械和電氣載荷日益增長的需求以及獲得最高效率的挑戰(zhàn)，需要更準確的計算。

流體網(wǎng)絡計算很適于在很短的計算時間內選擇最優(yōu)冷卻布置并獲得流體分布的總體概況。在很多情況下，網(wǎng)絡元件是基于已有的文獻數(shù)值或試驗模型的測量值。流體網(wǎng)絡實例參見圖7。

已有實驗結果和理論模型的數(shù)據(jù)庫有時不足以表示發(fā)電機內的真實情況。在這種情況下，CFD研究可能大有幫助?？梢哉{查有關特性的真實幾何形狀，并且可以將新發(fā)現(xiàn)傳入網(wǎng)絡模型中。除了校核網(wǎng)絡模型單個元件的現(xiàn)狀外，CFD還可用于優(yōu)化某些特殊區(qū)域。

圖7 流體網(wǎng)絡實例

使用CFD，能更準確地從壓降、空氣速率到流體體積和熱傳遞系數(shù)，來對發(fā)電機的通風系統(tǒng)進行量化。僅使用2D工具難以分析發(fā)動機內的詳細氣流分布，然而，2D工具有益于可視化發(fā)動機內的總體分布。此外，CFD與流固耦合(FSI)工具組合時，仿真可以提供模型的固態(tài)部件里的3D溫度分布，如圖2所示。使用這些工具是資源密集型的，包括幾何形狀的準備、網(wǎng)格生成、分析本身以及結果的后處理。邊界條件的正確確定是CFD/FSI仿真最具挑戰(zhàn)性的部分。對于確定邊界條件和驗證仿真來說，測量實驗室模型或運行中的發(fā)電機都很重要。

4 測量

使用精細的通風和溫度測量裝置，阿爾斯通公司可以確保新安裝發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)最優(yōu)。這些還有助于優(yōu)化和校正內置計算工具。

4.1 體積流量和壓力測量

為了驗證通風測量，在現(xiàn)場進行體積流量和壓力測量。在冷卻器的流出區(qū)域臨時安裝了輔助木質支架，以進行總體積流量測量。

在定子通風管道的出口處使用熱流探測器，測量發(fā)電機軸線方向的空氣速率和空氣溫度。在定子支架的各軸向和切線位置測量靜態(tài)壓力。根據(jù)這些測量結果，可以校正仿真的風扇特性和軸向流體分布。

4.2 轉子溫度測量

軸向/徑向冷卻發(fā)電機的軸向溫度分布并不均勻。特別是轉子線圈溫度，磁極兩端與發(fā)電機軸向中部之間溫度截然不同。

判斷轉子線圈溫度的常規(guī)方法是測量線圈的電阻。比較轉子線圈的熱阻抗與初始冷阻抗，可以確定運行時轉子線圈的平均熱溫度。

雖然這種方法簡單易行，但缺點是精度有限。最終結果取決于冷阻抗的測量精度以及勵磁電流和電壓的測量。準確測量靜態(tài)勵磁電壓相當困難。這種測量方法也只能提供轉子的平均溫度，沒有溫度分布或轉子線圈最高溫度的信息。

借助于高分辨率的高溫計，可以測量整個轉子線圈表面和磁極體的溫度。薄探頭從定子鐵芯的背面插入通風管道一直到氣隙。探頭頂部裝有透鏡，聚焦轉子的熱輻射。

對于發(fā)電機部件的溫度測量范圍來說，熱輻射能很低，特別是為了開發(fā)高溫計，已經(jīng)開展了高精度材料和主要研究工作。

測量設備的分辨率很高，使沿著發(fā)電機周邊測量到的等溫線非常精確，如圖8所示。借助于這種高溫計，可以測量阻尼棒或轉子線圈冷卻片引起的溫度差異。

圖8 周邊轉子溫度的采樣

除了高分辨率，設備還具有如下一些優(yōu)點。

(1)由于是非接觸測量，無需在轉子上安裝輔助元件;

(2)由于轉子部件的輻射系數(shù)為已知，高溫計測量的精度較高;

(3)安裝探頭無需拆除外殼部件;

(4)可以改變發(fā)電機運行點進行實時測量。

4.3 定子繞組端部的溫度測量

可以用紅外線照相機確定發(fā)電機的非轉動部件、主動部件的溫度，如定子線圈端部或定子連接器的布置。

5 結論

本文評論了高速水力發(fā)電機通風系統(tǒng)的各種冷卻回路配置。已經(jīng)解決了滿足這類發(fā)電機(特別是抽水蓄能電站)效率需求的技術難題。顯而易見，根據(jù)發(fā)電機的設計，必須特別重視磁極線圈軸線中心的溫升。

本文論述的具有2D流體網(wǎng)絡的計算方法CFD和FSI，是預測通風損耗和溫度分布的有效工具。然而，為了獲取可靠的結果，需要用試驗研究或測量真實發(fā)電機來驗證所有的方法。

只有最先進的計算工具和基于類似發(fā)電機的測量結果相結合，才能進一步提高高速電動機－發(fā)電機的效率。效率提升與冷卻空氣的溫升直接相關，因此，發(fā)電機內的溫度差異更大。還需要作進一步調研，以獲取更多有關水力發(fā)電機組內溫度差異較大的長期影響，特別是與頻繁開機停機操作結合的時候。