700MW全空冷水輪發(fā)電機(jī)定子三維流場和溫度場特征分析

王 超，劉傳坤

（東方電機(jī)有限公司，四川德陽 618000）

0 引言

發(fā)電機(jī)全空冷冷卻方式以其簡單可靠的結(jié)構(gòu)、方便的維護(hù)檢修和低廉豐富的冷卻介質(zhì)而受到越來越多業(yè)主的青睞。就水輪發(fā)電機(jī)而言，全空冷方式已經(jīng)在600～700MW等級水輪發(fā)電機(jī)上得到了成功的應(yīng)用，在未來的幾年，其很可能被應(yīng)用到百萬千瓦級的巨型水輪發(fā)電機(jī)上。由于大型水輪發(fā)電機(jī)定子部件損耗（鐵損、線圈銅損及附加損耗）占總損耗的比重大，往往在40%～45%左右［1］，加之其散熱條件惡劣而使其成為發(fā)電機(jī)發(fā)熱計(jì)算的主要關(guān)心對象。

筆者介紹了利用數(shù)值仿真方法對某700MW全空冷水輪發(fā)電機(jī)定子三維流場和溫度場進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與真機(jī)實(shí)測結(jié)果對比顯示了較好的一致性，在此基礎(chǔ)上就定子風(fēng)溝內(nèi)速度、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及壓力分布和定子各部件間的熱量傳遞規(guī)律等重要特征作了分析，得到了一些規(guī)律性的結(jié)論，對大型水輪發(fā)電機(jī)定子部件冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有借鑒意義。

1 計(jì)算原理、模型及流程簡介

基于有限體積法的數(shù)值仿真的基本思路是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列控制體積，將待解微分方程對每一個(gè)控制體積進(jìn)行積分得出離散方程。求解離散方程可以得到及其復(fù)雜的流場內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度等）的分布。其對固體導(dǎo)熱微分方程的求解可以歸為一個(gè)邊值問題：

式中λ為熱傳導(dǎo)率，即導(dǎo)熱系數(shù)，W／m·k；q為內(nèi)部熱源密度，W／m3；S1，S2為求解區(qū)域的邊界，方向?yàn)槟鏁r(shí)針；TC為已知壁面溫度，也可以為已知溫度函數(shù)；q0為已知熱流密度或?yàn)橐阎獰崃髅芏群瘮?shù)；?、Tf分別是換熱系數(shù)和換熱面溫度，可以是常數(shù)，也可以是某種隨時(shí)間和位置變化的函數(shù)。

基于有限體積法的數(shù)值仿真在發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻分析中的應(yīng)用可以幫助電機(jī)工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免發(fā)生嚴(yán)重失誤，其主要魅力在于將流道表面對流換熱系數(shù)當(dāng)作一個(gè)未知量來求解，而非作為一個(gè)已知量或中間變量使用［2-4］，從而降低了計(jì)算誤差。考慮到大型水輪發(fā)電機(jī)定子周向結(jié)構(gòu)的對稱性，取包括該水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心、繞組、槽間墊條、槽楔在內(nèi)的一個(gè)齒距作為計(jì)算區(qū)域，求解其在額定工況下的流場和溫度場分布特征，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

發(fā)電機(jī)的流場及溫度場的仿真分析流程見圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)流場及溫度場仿真流程圖

在判斷計(jì)算收斂后，可以采用矢量圖、等值線圖、流線圖、云圖等方式對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行表達(dá)。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 計(jì)算結(jié)果列表

該水輪發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)其流場和溫度場仿真計(jì)算主要結(jié)果如表1所示。

表1 主要計(jì)算結(jié)果（發(fā)電機(jī)冷風(fēng)溫度40℃）

表1可見該水輪發(fā)電機(jī)在額定工況下運(yùn)行時(shí)，其定子線圈溫升為58K，定子鐵心溫升為28.8K，定子風(fēng)溝齒部平均風(fēng)速比風(fēng)溝軛部平均風(fēng)速大7m／s左右，其較大的風(fēng)速和較低的風(fēng)溫可以部分抵消定子齒部熱源集中，且有效散熱面積較小的不利影響，這被定子齒部平均溫度僅比軛部平均溫度高5K所證實(shí)。

2.2 計(jì)算精度對比

計(jì)算結(jié)果與真機(jī)實(shí)測結(jié)果對比，顯示了較好的一致性，如表2所示。

表2 仿真計(jì)算結(jié)果與真機(jī)實(shí)測結(jié)果對比

2.3 流場和溫度場分布

2.3.1 流場分布

該水輪發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)定子風(fēng)溝內(nèi)空氣流動狀況如圖3、圖4所示。

1.3.2 High Performance Liquid Chromatography (HPLC)

圖3 定子風(fēng)溝內(nèi)空氣流線圖

圖4 定子風(fēng)溝內(nèi)風(fēng)速分布圖

圖3和圖4反映了空氣在發(fā)電機(jī)定子風(fēng)溝內(nèi)流動具有以下基本特征：

1）定子風(fēng)溝入口空氣流場變化十分劇烈，原因在于空氣流動方向在該處受到槽楔和線圈的突然阻擋由切向?yàn)橹鬓D(zhuǎn)變?yōu)閺较驗(yàn)橹鳌?/p>

2）定子線圈背部有明顯的漩渦產(chǎn)生，這是由于空氣在線圈底部尖角處發(fā)生了脫落流動，隨后產(chǎn)生了與原流動方向相反的回流形成漩渦，該二次流的形成有利于定子線圈槽底與空氣間的對流換熱。

3）定子風(fēng)溝齒部風(fēng)速要高于軛部風(fēng)速，齒部風(fēng)速大部分在15～35m／s之間，而軛部風(fēng)速則大部分位于10～20m／s之間。

4）迎風(fēng)面風(fēng)速要高于背風(fēng)面風(fēng)速，這主要是氣隙內(nèi)空氣旋轉(zhuǎn)造成的。

2.3.2 溫度場分布

該水輪發(fā)電機(jī)在額定工況下運(yùn)行時(shí)其定子線圈、鐵心的溫度場分布如圖5和圖6所示。

圖5 定子線圈、鐵心溫度場分布

圖6 定子鐵心中心截面溫度分布

圖6表明：定子鐵心溫度沿徑向先增加后減小，且迎風(fēng)面鐵心溫度要低于背風(fēng)面鐵心溫度，這與熱源和風(fēng)速分布規(guī)律是相一致的。

2.4 定子風(fēng)溝表面散熱系數(shù)分布

通過計(jì)算，定子風(fēng)溝表面散熱系數(shù)分布及沿徑向平均變化規(guī)律如圖7和圖8所示。

圖7 風(fēng)溝表面散熱系數(shù)分布

圖7顯示了定子風(fēng)溝表面散熱系數(shù)變化的劇烈程度，具體表現(xiàn)為定子風(fēng)溝齒部散熱系數(shù)明顯高于軛部的散熱系數(shù)，迎風(fēng)面散熱系數(shù)要高于背風(fēng)面散熱系數(shù)。圖8表明，定子風(fēng)溝表面散熱系數(shù)沿徑向平均呈逐漸下降趨勢。

圖8 風(fēng)溝表面散熱系數(shù)沿徑向變化

2.5 定子風(fēng)溝內(nèi)壓降規(guī)律

通過計(jì)算可以得到定子風(fēng)溝內(nèi)壓力變化云圖及壓降沿風(fēng)溝徑向變化規(guī)律如圖9、圖10所示。

圖9可見：風(fēng)溝入口區(qū)域壓力發(fā)生急劇下降，表明該處流動阻力最大。圖10顯示了相對總壓壓降和靜壓壓降沿風(fēng)溝徑向的變化規(guī)律，兩者的差值可以直觀反映風(fēng)溝內(nèi)平均風(fēng)速沿徑向的變化趨勢。經(jīng)計(jì)算得到空氣流經(jīng)不同區(qū)域的壓降占總壓降的比例如表3所示。

表3 定子風(fēng)溝內(nèi)不同區(qū)域壓降比例

表3可見，空氣流經(jīng)不同區(qū)域壓降大小關(guān)系為：P入口＞P齒部＞P軛部＞P出口，其中定子風(fēng)溝入口損失在通風(fēng)溝總損失中占據(jù)的比例最大，達(dá)到了36.6%，原因是在這里氣隙中切向氣流被偏轉(zhuǎn)為徑向氣流進(jìn)入定子風(fēng)溝，同時(shí)表明了定子入口流道優(yōu)化的必要性和重要性。

3 定子熱流量分析

對該發(fā)電機(jī)定子而言，線圈、絕緣件、鐵心等固體間的熱量傳遞以傳導(dǎo)的方式進(jìn)行，固體與空氣之間的熱傳遞則是通過對流換熱的方式來實(shí)現(xiàn)。最終的換熱過程是固體（包括定子鐵心、定子繞組等）通過對流換熱將損耗傳遞給空氣。通過仿真計(jì)算，不僅可以得到風(fēng)溝內(nèi)各對流散熱面的熱流量，而且可以計(jì)算出定子各部件間導(dǎo)熱的熱流量。額定運(yùn)行工況下單位時(shí)間內(nèi)模型中各部件間熱流量和熱流方向如表4所示。

表4 定子各部件間熱量傳遞分析

表4可以看出：在定子繞組產(chǎn)生的熱量中，78.6%的熱量通過絕緣傳遞給鐵心齒部，經(jīng)由冷卻空氣傳遞的熱量不足1／4，表明定子線圈和鐵心之間的熱阻的大小對定子繞組的散熱情況好壞起著至關(guān)重要的作用，因此提高絕緣導(dǎo)熱系數(shù)，適當(dāng)減薄絕緣厚度以及保證線圈與鐵心表面良好接觸，采用較大的槽深寬比等措施對降低定子線圈溫度均會產(chǎn)生一定作用。同時(shí)，通過定子齒部和定子軛部表面?zhèn)鬟f給冷卻空氣的熱量分別占整個(gè)計(jì)算域產(chǎn)生總熱量的59.1%和33.6%，表明通過定子鐵心表面將熱量傳遞給空氣是對流換熱的主要途徑。

4 結(jié)語

1）利用數(shù)值仿真方法計(jì)算該發(fā)電機(jī)定子線圈溫升值與風(fēng)溝出口風(fēng)速值與真機(jī)實(shí)測結(jié)果比較接近，證明了數(shù)值仿真方法在700MW等級全空冷發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻分析中的適用性。

2）發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)定子風(fēng)溝入口空氣流場變化十分劇烈，且齒部風(fēng)速大于軛部風(fēng)速，迎風(fēng)面風(fēng)速大于背風(fēng)面風(fēng)速。定子風(fēng)溝表面散熱系數(shù)變化規(guī)律與此類似。

3）空氣流經(jīng)定子風(fēng)溝不同區(qū)域壓降大小關(guān)系為：P入口＞P齒部＞P軛部＞P出口，其中定子風(fēng)溝入口損失在通風(fēng)溝總損失中占據(jù)的比例最大，表明定子入口流道優(yōu)化的必要性和重要性。

4）定子線圈和鐵心之間熱阻的大小對定子繞組的散熱情況好壞有至關(guān)重要的作用，因此提高絕緣導(dǎo)熱系數(shù)，適當(dāng)減薄絕緣厚度以及保證線圈與鐵心表面良好接觸，采用較大的槽深寬比等措施對降低定子線圈溫度均會產(chǎn)生一定作用。

［1］丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻［M］.北京：科學(xué)出版社，1992.

［2］李偉力，丁樹業(yè)，邢慧勇.基于耦合場的大型同步發(fā)電機(jī)定子溫度場的數(shù)值計(jì)算［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào).2005，25（13）：129-134.

［3］侯云鵬，李偉力，周封，等.大型水輪發(fā)電機(jī)定子三維溫度場的等參元計(jì)算［J］.大電機(jī)技術(shù)，2000，（6）：14-19.

［4］樊亞東，文習(xí)山，鄧曉萍，等.水輪發(fā)電機(jī)定子三維溫度場仿真計(jì)算［J］.電站系統(tǒng)工程，2006，（3）：51-53.