基于模型試驗(yàn)和CFD模擬的大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

劉維維，安志華，郭 闖

(1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電工儀表研究所, 黑龍江哈爾濱 150028)

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基于模型試驗(yàn)和CFD模擬的大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

劉維維1，安志華1，郭 闖2

(1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電工儀表研究所, 黑龍江哈爾濱 150028)

以1 400 MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)為例，通過(guò)通風(fēng)模型和CFD流體分析軟件分別研究了轉(zhuǎn)子副槽形式和轉(zhuǎn)子槽楔出風(fēng)面積對(duì)轉(zhuǎn)子風(fēng)量和風(fēng)速的影響。該文的研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升均勻分布具有重要參考價(jià)值。

通風(fēng)模型；CFD；汽輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子

0 引言

隨著核電總裝機(jī)容量的不斷增加，核電汽輪發(fā)電機(jī)的工作性能受到更為廣泛的關(guān)注。汽輪發(fā)電機(jī)容量越大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度越長(zhǎng)，如何使轉(zhuǎn)子溫升均勻分布是汽輪發(fā)電機(jī)冷卻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的通風(fēng)特性對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)有著十分重要的影響。

本文以1 400 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為例，通過(guò)通風(fēng)模型和三維流場(chǎng)計(jì)算分析對(duì)轉(zhuǎn)子副槽形式和轉(zhuǎn)子槽楔出風(fēng)口形式進(jìn)行了研究。研究成果對(duì)實(shí)現(xiàn)空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)空氣流動(dòng)及轉(zhuǎn)子溫升分布具有重要參考意義。

1 通風(fēng)模型

大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型以相似模擬為基礎(chǔ)，近似認(rèn)為轉(zhuǎn)子通風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)屬于粘性不可壓輕流體的定常等溫流動(dòng)，通過(guò)保持模型與實(shí)體的幾何完全相似、Re相等實(shí)現(xiàn)對(duì)真機(jī)的流場(chǎng)研究。

本文研究的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，鐵心細(xì)長(zhǎng)，風(fēng)路尺寸相差很大，因此通風(fēng)模型與真機(jī)的比例選擇為1∶1，考慮對(duì)稱性，長(zhǎng)度方向取轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)的1/2建立模型。整個(gè)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型、供風(fēng)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等組成。由于通風(fēng)模型采用靜態(tài)方式對(duì)旋轉(zhuǎn)的真機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行模擬，所以在風(fēng)機(jī)選擇上考慮了真機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的壓力，故選取高壓離心風(fēng)機(jī)(壓力：10 000～11 600 Pa，流量：4 610～7 376 m3/h)作為轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型的供風(fēng)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型如圖1所示。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型

轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型以基礎(chǔ)板為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)7種不同的轉(zhuǎn)子槽型通風(fēng)情況的試驗(yàn)研究。在基礎(chǔ)板上設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子各個(gè)模擬槽的定位止口，方便轉(zhuǎn)子各模擬槽之間的定位和固定。轉(zhuǎn)子模擬槽之間設(shè)有蓋板，用于密封和區(qū)分不同的風(fēng)路。長(zhǎng)度方向上，一端用密封板和擋板進(jìn)行密封，另一端與轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)通過(guò)連接段相連并使用螺栓固定。

轉(zhuǎn)子模擬槽結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用分瓣組裝，主要結(jié)構(gòu)包括齒槽加工、副槽墊條、槽底墊條、線圈股線、楔下墊條、楔下墊片、槽楔和連接螺栓。其中副槽墊條可以實(shí)現(xiàn)同一槽型下直副槽和斜副槽的變換。轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)孔是通風(fēng)模型中尺寸很小的部分，為了模擬與真機(jī)接近的尺寸和粗糙度，采用了與真機(jī)不同的加工方式，達(dá)到模擬流道內(nèi)真實(shí)情況的目的，保證這些路徑內(nèi)的流體流動(dòng)與真機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)處于相似狀態(tài)。轉(zhuǎn)子線圈由銅排改為鋼板，轉(zhuǎn)子齒槽材料與真機(jī)相比也更為經(jīng)濟(jì)，整個(gè)轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型既節(jié)約了模型制造成本又縮短了模型的加工時(shí)間。試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)先工作1 h以上，保證轉(zhuǎn)子槽內(nèi)空氣流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，然后再進(jìn)行槽楔出口的風(fēng)速測(cè)量。

圖2 轉(zhuǎn)子模擬槽示意圖

2 轉(zhuǎn)子通風(fēng)形式對(duì)比

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)主要有軸向-徑向通風(fēng)(如西門子900 MW汽輪發(fā)電機(jī)[1])、槽底副槽通風(fēng)(如大亞灣電站GEC900 MW汽輪發(fā)電機(jī)[1])、氣隙取氣斜流通風(fēng)(日本三菱公司1 333 MW冷卻發(fā)電機(jī)[2])幾種。

本文對(duì)上述轉(zhuǎn)子模擬槽中的直副槽徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)、斜副槽徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)、軸向-徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)幾種轉(zhuǎn)子通風(fēng)方式進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)研究。為縮短計(jì)算時(shí)間，對(duì)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。

2.1 副槽形式

徑向通風(fēng)是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中較為常見的一種通風(fēng)冷卻方式，此處研究的轉(zhuǎn)子冷卻與通風(fēng)模型只對(duì)應(yīng)考慮1/2軸向長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道。1/2轉(zhuǎn)子線圈上共開有48對(duì)徑向通風(fēng)孔，這些通風(fēng)孔大小相等，節(jié)距相同，如圖3所示。針對(duì)直副槽結(jié)構(gòu)和斜副槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分析計(jì)算及試驗(yàn)，直副槽尺寸為36 mm×75 mm，斜副槽在副槽入口處尺寸為36 mm×75 mm，轉(zhuǎn)子中心位置處尺寸為36 mm×30 mm。槽楔出風(fēng)口均為Φ18 mm。試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整副槽墊條實(shí)現(xiàn)直副槽和斜副槽的變換。計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5和表1。

圖3 徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果

圖5 直副槽結(jié)構(gòu)壓力和速度計(jì)算結(jié)果

因?yàn)槔鋮s氣體的流速大小直接影響到發(fā)熱部件的溫度分布計(jì)算中的邊界條件。從計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，斜副槽結(jié)構(gòu)與直副槽結(jié)構(gòu)相比沿軸向的風(fēng)量更加均勻，從防止局部過(guò)熱，使轉(zhuǎn)子線圈沿軸向溫度更加均勻角度考慮，建議在這種徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)下采用斜副槽結(jié)構(gòu)。如果采用直副槽結(jié)構(gòu)，沿軸向的最高風(fēng)量是最低風(fēng)量的近2倍(試驗(yàn)結(jié)果)，這容易引起溫升的較大差異，可能會(huì)出現(xiàn)低風(fēng)速區(qū)域溫升過(guò)高的問(wèn)題。

2.2 轉(zhuǎn)子槽楔形式

多段軸向-徑向斜副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，1/2轉(zhuǎn)子線圈上共開有40個(gè)腰圓形通風(fēng)孔，每10個(gè)為一組共4組。針對(duì)不同的槽楔出風(fēng)口尺寸進(jìn)行了如下研究：一種采用相同槽楔出風(fēng)口尺寸Φ18 mm；另一種采用組合槽楔出風(fēng)口尺寸，從副槽入口至轉(zhuǎn)子中心位置，5個(gè)槽楔為一組、直徑依次為Φ18-Φ14-Φ18-Φ14-Φ14-Φ12-Φ14-Φ12 mm。

圖6 軸向-徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)

圖7為計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子通風(fēng)道內(nèi)的壓力云圖和速度矢量圖，具體計(jì)算結(jié)果以及對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果如圖8和表2所示。綜合CFD計(jì)算和轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型試驗(yàn)可知，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合；采用Φ18 mm槽楔出風(fēng)口時(shí)出風(fēng)風(fēng)量在0.009～0.00 14 m3/s范圍內(nèi)變化，且呈現(xiàn)越靠近轉(zhuǎn)子中心位置風(fēng)量越高的趨勢(shì)；采用組合槽楔出風(fēng)口大小后，各個(gè)出風(fēng)口之間風(fēng)量變化明顯變小，風(fēng)量分配比較均勻。

圖7 壓力和速度矢量計(jì)算結(jié)果

圖8 CFD計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果

需要注意的是，轉(zhuǎn)子線圈冷卻與轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)道內(nèi)的空氣流速有關(guān)。上述風(fēng)量結(jié)果反映的是槽楔

表2 風(fēng)速測(cè)試結(jié)果 m/s

出口位置的風(fēng)量， 雖然槽楔出口處由于面積不同導(dǎo)致風(fēng)速相差很多，但是由于混合槽楔結(jié)構(gòu)下通過(guò)各個(gè)轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)通道內(nèi)的風(fēng)量是較為均勻的，且線圈通風(fēng)孔尺寸相同(均為面積相同的腰圓孔)，也就是說(shuō)，在轉(zhuǎn)子線圈各個(gè)通風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速可以認(rèn)為與風(fēng)量是成正比的，故風(fēng)量越均勻，轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)道內(nèi)的流速越均勻。所以相對(duì)等槽楔出風(fēng)口結(jié)構(gòu)，大小混合的槽楔出風(fēng)口結(jié)構(gòu)更利于轉(zhuǎn)子線圈的冷卻。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)1 400 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型試驗(yàn)及流場(chǎng)計(jì)算分析得出如下結(jié)論：

1) CFD計(jì)算結(jié)果與轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型測(cè)試結(jié)果比較接近；

2) 對(duì)于轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)，采用斜副槽設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔內(nèi)風(fēng)量、風(fēng)速分布更為均勻，更利于轉(zhuǎn)子的冷卻。

3) 對(duì)于轉(zhuǎn)子軸向-徑向斜副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)，可通過(guò)調(diào)節(jié)槽楔出風(fēng)口尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)量分布的控制，此結(jié)構(gòu)下，建議從副槽入口至轉(zhuǎn)子中心方向采用槽楔出風(fēng)口面積逐漸減小的設(shè)計(jì)，這樣更利于轉(zhuǎn)子的冷卻。

[1]汪耕,丁舜年.1 000 MW級(jí)大型汽輪發(fā)電機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)研究課題總結(jié)(上)[J].上海大中型電機(jī),2001(3):2～5.

[2]魏書慈.國(guó)外汽輪發(fā)電機(jī)冷卻方式發(fā)展綜述[C].國(guó)外大電機(jī),1979(1):1～7.

劉維維，1985年生，女，2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，碩士?，F(xiàn)工作于哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司哈爾濱大電機(jī)研究所，從事電機(jī)通風(fēng)冷卻研究工作，工程師。