船用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

姚壽廣, 劉 飛, 熊正強(qiáng)

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是影響整個(gè)發(fā)電機(jī)壽命的關(guān)鍵部件,隨著空冷發(fā)電機(jī)向單機(jī)大容量方向發(fā)展,為了保證電機(jī)運(yùn)行的安全可靠,電機(jī)轉(zhuǎn)子的通風(fēng)散熱研究成為越來越重要的課題．轉(zhuǎn)子為高速旋轉(zhuǎn)的部件,目前尚無直接測量溫度的有效辦法[1],采用數(shù)值模擬分析技術(shù)對轉(zhuǎn)子發(fā)熱結(jié)構(gòu)溫度場進(jìn)行分析已成為主要手段[2]．由于轉(zhuǎn)子溫度場的分析以轉(zhuǎn)子風(fēng)道中的流場分析為基礎(chǔ),為保證轉(zhuǎn)子溫度場分析結(jié)果符合實(shí)際,必須合理分析風(fēng)道中氣體運(yùn)動流場進(jìn)行[3],文獻(xiàn)[4-9]采用有限元法與有限體積法對電機(jī)內(nèi)的流場及相關(guān)方面進(jìn)行研究,可以看出針對船用發(fā)電機(jī),特別是船用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子方面的研究目前相對較少．文中針對某型船用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道內(nèi)部的流場進(jìn)行數(shù)值模擬,為船用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)散熱的研究提供依據(jù)．

1 物理模型

由于所研究的船用電機(jī)轉(zhuǎn)子采用徑 — 軸向混合式冷卻風(fēng)道通風(fēng)散熱,選取了轉(zhuǎn)子的徑向、軸向冷卻風(fēng)道作為計(jì)算區(qū)域,采用三維建模軟件Pro/E3.0按照圖紙的實(shí)際尺寸進(jìn)行幾何建模,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的基本尺寸：轉(zhuǎn)子外徑和內(nèi)經(jīng)分別為527和180 mm,轉(zhuǎn)子軸向長度為530 mm，徑向風(fēng)道寬度為10 mm，轉(zhuǎn)軸直徑為180 mm，連接筋直徑為5 mm．由于船用電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,考慮網(wǎng)格劃分以及進(jìn)行數(shù)值模擬的實(shí)際情況,在不影響計(jì)算精度的情況下進(jìn)行合理的簡化．簡化后的幾何模型如圖1．圖中入口風(fēng)道從左至右分別為一號至八號徑向風(fēng)道．圖2為船用電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡圖,從圖中可以看出冷卻空氣從定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙層進(jìn)入徑向風(fēng)道,然后通過軸向風(fēng)道排出帶走熱量,冷卻空氣的流向如圖2中箭頭所示.

圖1 轉(zhuǎn)子幾何模型Fig.1 Rotor geometric model

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Rotor structure diagram

2 轉(zhuǎn)子風(fēng)道內(nèi)流場的數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道內(nèi)部流體介質(zhì)為空氣,流體流動的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲速即馬赫數(shù)很小,故把流體看成不可壓縮流體;經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道入口雷諾數(shù)大于2 300,轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道內(nèi)空氣流動為紊流流動,所以采用湍流模型對轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道內(nèi)部流場進(jìn)行求解．考慮到RNGk-ε模型對于幾何形狀曲度變化劇烈的情況有很好的效果[10]．文中采用RNGk-ε模型[11],模型方程如下:

湍流動能方程k為

(1)

擴(kuò)散方程ε為

(2)

3 網(wǎng)格劃分及邊界條件的確定

3.1 網(wǎng)格劃分

圖3 幾何模型截面Fig.3 Geometric model section

圖4 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分Fig.4 Grid subdivision in the calculation area

3.2 邊界條件的確定

1) 入口邊界:文中給定速度入口．按照參考文獻(xiàn)[12]中的理論計(jì)算公式,根據(jù)已知條件(電機(jī)冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速)計(jì)算出口風(fēng)扇帶走冷卻氣流的工作流為Q=1.714 m3/s,并由已知的入口結(jié)構(gòu)尺寸算得入口面積為0.132 4 m2,由氣流質(zhì)量守恒定律推算出在Y方向上垂直于入口的平均速度為-13 m/s,同時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)會對入口速度產(chǎn)生影響,由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速得到在X方向上的速度為21 m/s．

2) 出口邊界:文中給定壓力出口,由于出口在風(fēng)扇工作區(qū)域以內(nèi),因此給定工作點(diǎn)壓力,出口相對壓力為900 Pa．

3) 固壁邊界:采用無滑移邊界條件,即假定固壁上流體質(zhì)點(diǎn)的速度和固壁的速度(750 rpm)相等．

4 計(jì)算結(jié)果及分析

采用改進(jìn)的SIMPLE算法SIMPLIEC作為求解器．利用FLUENT對整個(gè)模型進(jìn)行流場的數(shù)值計(jì)算,采用TECPLOT360和EXCEL對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理．

4.1 壓力場的計(jì)算結(jié)果及分析

圖5為計(jì)算區(qū)域冷卻風(fēng)道流場的整體壓力分布云圖,左邊為封閉端,右邊為出口端;圖6為對圖5所示冷卻風(fēng)道中8個(gè)徑向風(fēng)道中間截面上的壓力分布圖,圖7為圖6中二號徑向風(fēng)道的放大壓力分布圖,圖8為對圖5所示冷卻風(fēng)道中軸向上中間截面偏移5 mm的截面壓力分布圖．

圖5 整體壓力分布云圖Fig.5 Whole pressure distribution nephogram

圖6 軸向切面壓力分布云圖Fig.6 Axial section pressure distribution nephogram

由圖6和圖7可以看到在計(jì)算區(qū)域入口處的中間位置存在著連接筋和繞組,壓力明顯高于其它區(qū)域,最大壓力出現(xiàn)在一號和二號徑向風(fēng)道入口處中間區(qū)域．這是由于一號和二號徑向風(fēng)道遠(yuǎn)離出口,出口端風(fēng)扇的抽吸作用對這里的影響有限,所以最大壓力出現(xiàn)在這里．

圖7 二號徑向風(fēng)道壓力分布云圖Fig.7 Pressure profile of radial air duct #2

圖8 徑向截面壓力分布云圖Fig.8 Radial section pressure distribution nephogram

由圖6和圖8可以看到靠近出口的流場中,當(dāng)流體從徑向風(fēng)道進(jìn)入軸向風(fēng)道時(shí)會產(chǎn)生突然的壓降,這主要是由于出口端風(fēng)扇的抽吸作用,當(dāng)流體剛從徑向風(fēng)道進(jìn)入軸向風(fēng)道時(shí),由于抽吸作用流體的速度和方向發(fā)生突變,從而形成了壓力的突降．綜合觀察圖6～8可以看到流場內(nèi)部整體壓力的分布是沿軸向從左至右、徑向從上到下是逐漸降低的．

4.2 速度場的計(jì)算結(jié)果及分析

圖9為與圖7相同位置的速度矢量圖,圖10為與圖8相同位置的速度矢量圖,圖11為圖10中二號徑向風(fēng)道附近區(qū)域的放大速度矢量圖．由圖9可以看出轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)對入口附近的流場有很大的影響,在經(jīng)過連接筋之后的流場中流體的流動主要以徑向流動和軸向流動為主;同時(shí)在繞流連接筋以及繞組時(shí),在背風(fēng)側(cè)存在著回流,在繞組下方的區(qū)域存在流體的混合現(xiàn)象,這將影響對流換熱的效果．由圖10中可以看到流體從徑向風(fēng)道進(jìn)入軸向風(fēng)道后的流動情況．當(dāng)流體從徑向風(fēng)道內(nèi)進(jìn)入軸向風(fēng)道時(shí)，開始由于流場區(qū)域的突然擴(kuò)大使得流體產(chǎn)生擴(kuò)散流動,但是由于風(fēng)扇的抽吸作用,一部分流體的流動方向會慢慢發(fā)生改變轉(zhuǎn)而流向出口方向．從圖11中的局部放大速度矢量圖可以看到靠近轉(zhuǎn)子壁面的區(qū)域有回流產(chǎn)生,這一區(qū)域的散熱將不太好．

圖9 二號徑向風(fēng)道截面速度矢量Fig.9 Section velocity vector diagram of radial air

圖10 冷卻風(fēng)道軸向截面速度矢量Fig.10 Cooling air duct axial section velocity vector duct #2 diagram

圖11 軸向風(fēng)道局部放大速度矢量Fig.11 Axial air duct local amplification velocity vector diagram

圖12～15為軸向風(fēng)道內(nèi)不同位置的速度變化圖,圖中X軸為軸向風(fēng)道徑向的長度,單位為mm;Y軸為速度的大小,單位為m/s;系列1表示軸向的速度變化,系列2表示徑向的速度變化,系列3表示軸向的速度變化．從圖12～15中可以看到,軸向風(fēng)道內(nèi)軸向速度沿著軸向不斷增大;徑向速度的變化率從封閉端到出口端是依次變大的,這說明了圖6和圖8中出現(xiàn)壓力突降的原因;在整個(gè)軸向風(fēng)道內(nèi)軸向速度很小,發(fā)生的改變也很小,這說明了圖9速度矢量圖及分析的正確性．

圖12 距封閉端55 mm處軸向風(fēng)道內(nèi)速度變化Fig.12 Axial air duct inside velocity profile 55 mm away from the closed end

圖13 距封閉端175 mm處軸向風(fēng)道內(nèi)速度變化Fig.13 Axial air duct inside velocity profile 175 mm away from the closed end

圖14 距封閉端295 mm處軸向風(fēng)道內(nèi)速度變化Fig.14 Axial air duct inside velocity profile 295 mm away from the closed end

圖15 出口處速度變化Fig.15 Velocity profile at the exit

5 結(jié)論

1) 采用的三維分析計(jì)算模型能夠更好的模擬由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對流道內(nèi)流體流動的影響,計(jì)算出的流體場也更加貼近實(shí)際；

2) 以往以電機(jī)轉(zhuǎn)子的一個(gè)徑向風(fēng)道作為研究對象,忽略了流體在軸向風(fēng)道內(nèi)混合時(shí)流體的流動情況,文中則以軸向上所有徑向風(fēng)道作為研究對象,并通過計(jì)算得到各個(gè)通風(fēng)溝流體流速和壓力分布趨勢,有助于工程技術(shù)人員對船用電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道內(nèi)流場的直觀理解,能給電機(jī)設(shè)計(jì)人員優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品的開發(fā)提供有價(jià)值的參考依據(jù)．

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 張忠海,王慶鐸.空冷汽輪發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)展與特點(diǎn)[J].大電機(jī)技術(shù),2000(6):10-13.

Zhang Zhonghai, Wang Qingduo.The features and development of Air-cooled turbo generator[J].LargeElectricMachineandHydraulicTurbine,2000(6): 10-13.(in Chinese)

[2] 路義萍,李偉力.大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場數(shù)值模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(12):7-13.

Lu Yiping, Li Weili.Numerical simulation of temperature field in rotor of large turbo generator with air-coolant[J].ProceedingsoftheCSEE,2007,27(12):7-13.(in Chinese)

[3]吳德義.空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)道中氣體運(yùn)動流場分析[J].熱能與動力工程,2009,24(6):710-713.

Wu Deiyi.Analysis of the air motion flow field in the air duct of an Air-cooled steam turbine generator rotor[J].JournalofEngineeringforThermalEnergyandPower,2009,24(6):710-713.(in Chinese)

[4] 周封,熊斌,李偉力,等.大型電機(jī)定子三維流體場計(jì)算及其對溫度分布的影響[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(24):128-132.

Zhou Feng, Xiong Bin, Li Weili, et al.Numerical calculation of 3D stator fluid for large electrical machine as well as influences on thermal field distribution[J].ProceedingsoftheCSEE,2005,25(24): 128-132.(in Chinese)

[5] 路義萍,李偉力,韓家德,等.大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)道結(jié)構(gòu)對空氣流量分配影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(4):20-24.

Lu Yiping, Li Weili, Han Jiade, et al.Effect of rator′s cooling duct geometry on air mass flow rate distribution of large turbo generator[J].TransactionsofChinaElectronic-Technicalsociety,2008,23(4): 20-24.(in Chinese)

[6] 李偉力,靳慧勇,丁樹業(yè),等.大型同步發(fā)電機(jī)定子多元流場與表面散熱系數(shù)數(shù)值計(jì)算與分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(23):138-143.

Li Weili, Jin Huiyong, Ding Shuye, et al.Numerical calculation and analysis of large synchronous generator stator multidimensional fluid fields and surface heat transfer coefficients[J].ProceedingsoftheCSEE,2005,25(23):138-143.(in Chinese)

[7] 豐帆,路義萍,侯君.20MW高速隱極同步交流電機(jī)定子流場數(shù)值計(jì)算研究.[C]∥交直流電機(jī)行業(yè)技術(shù)交流會論文匯編.哈爾濱：[s.n.],2010:108-112.

[8] 孫強(qiáng),靳慧勇.大型同步發(fā)電機(jī)內(nèi)全流場數(shù)值計(jì)算與分析[J].黑龍江電力,2007,29(2):109-111.

Sun Qiang, Jin Huiyong.Numerical calculation and analysis of whole fluid field inside large-capacity synchronous generator[J].HeilongjiangElectricPower,2007,29(2):109-111.(in Chinese)

[9] 張國兵.應(yīng)用ANSYS/FROTRAN對電機(jī)冷卻風(fēng)道進(jìn)行分析研究[J].船電技術(shù),2006,26(2):16-18.

Zhang Guobing, Numerical calculation and analysis of whole fluid field inside large-capacity synchronous generator[J].MarineElectric&ElectronicTechnology,2006,26(2):16-18.(in Chinese)

[10] 丁鈺,翁培奮.三種湍流數(shù)值模擬直角彎管內(nèi)三維分離流動的比較[J].計(jì)算物理,2003,20(5):386-390.

Ding Yu, Wong Peifen.Numerical study on three dimensional turbulent separated flow in right-angled curved duct by three turbulent models[J].ChineseJournalofComputationalPhysics,2003,20(5):386-309.(in Chinese)

[11] 孫業(yè)志,胡壽根,趙君,等.不同雷諾數(shù)下90°彎管內(nèi)流動特性的數(shù)值研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(6):525-529.

Sun Yezhi, Hu Shougen, Zhao Jun, et al.Numerical study on flow characteristics of 90° bend pipe under different Reynolds number[J].JournalofUniversityofShanghaiforScienceandTechnology,2010,32(6):525-529.(in Chinese)

[12] 魏永田,孟大偉,溫嘉斌.電機(jī)內(nèi)熱交換[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:55-58.