水輪發電機通風問題研究

王玉柱，賴旭華

（1.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205；2.江西電力職業技術學院 動力工程系，江西 南昌 330032）

隨著水輪發電機制造工業的發展，電機的單機容量不斷增大，經濟技術指標也普遍提高。電機運行時產生的單位體積損耗也隨之增長，這就引起電機內部各個部件的溫度升高，這直接影響到電機的壽命和運行可靠性，所以電機內部的熱交換以及熱計算問題是電機設計中的特別是大型電機設計中的重要問題。而電機內溫度及其分布的準確計算有賴于電機各部件的表面散熱系數，表面散熱系數計算是以流過物體表面的流體速度而定的，所以說電機各部分的熱計算有賴于通風計算。因此，對水輪發電機通風問題進行分析研究十分必要。

水輪發電機的通風計算理論上是依據實際流體的伯努里方程，求解電機通風系統內冷卻空氣的流場問題。與電機內溫度場相比，通風系統內冷卻空氣的過流情況復雜，邊界條件更不易確定。目前，水輪發電機的通風計算存在四種方法：近似計算方法、等效風路法、通風網絡法及流體場（CFD數值模擬）計算方法。

1 近似計算方法

近似計算方法一般被用于電機設計的初步階段，來計算所需的總風量。一般說來包括以下幾種方法：估算法、對比法、經驗系數法。估算法通過轉子和風扇所產生的工作壓頭以及定子風阻系數的近似計算來求取電機所需的總風量；對比法是從一臺已經在運行的、結構尺寸和性能參數與所設計電機大致相近的電機的實測風量出發，以類比方式來估算所設計電機的總風量和風量分配情況；經驗公式法是針對某一種具體的通風方式，利用經驗系數來估算風量。

2 等效風路法

等效風路法是在電機的具體結構確立之后，以風阻、風壓源所表現的集中參數來描述通風結構，從而可得到一個等效風路。依據等效風路，得到總壓頭特性和總風阻特性，兩者聯立，從理論上講就可以解出風量與風壓。胡俊輝等根據空氣動力學基本原理和電機中冷卻氣流的實際運動情況，提出了軸向、徑向和混合通風異步電機的等效風路法。等效風路法的一個關鍵在于，首先要能較準確地確定出風路中的集中參數，即風阻和壓源。風阻分為沿程摩擦阻力、局部阻力和旋轉體產生的阻力等，準確描述起來很困難；一些阻力系數常與風量有關，因而某些參數不是常數；況且風阻、風量及風壓之間關系也不是象電路中電阻、電流及電壓之間可構成線性關系，聯立出來的方程組是一個非常系數的非線性方程組。

3 通風網絡法

一些著名電機生產廠家在不斷總結經驗的基礎上，加大了通風計算方法的研究力度，開發出了通風系統的網絡計算法：為使氣流合理地分配到各冷卻通道中去，我們可將通風系統分成許多支路，這樣自然就形成了多支路組成的網絡。通風網絡計算方法在電機通風系統設計中已經被廣泛使用。這種方法以流體力學、網絡理論為基礎，將電機通風系統等效成一個通風網絡，根據流體力學原理及計算方法，利用電子計算機快速地進行通風計算。網絡方程組是依據如下原理列出的。

3.1 風量的連續性原理

由物質守恒定律：流入通風網絡任何一個節點的所有風量的代數和應等于零，于是對應于通風計算網絡中的每個節點均應有：

式中Qi為流入或流出節點i的流量。

3.2 壓力平衡原理

根據能量守恒定律及流體伯努力方程，對于通風計算網絡中的任意閉合回路，冷卻流體的流動壓力變化總和為零，即計算網絡中的任意閉合回路，冷卻流體的流動壓力變化總和為零，即：

式中△Pk為流體在閉合回路中支路k的壓差。

這樣，由基爾霍夫定律，M個支路，N個節點形成的網絡可以寫出L（L=M-N+1）個回路方程。M個支路上的未知量Q1，Q2……，Qm，級，由L個回路方程和N-1個節點方程確定唯一解。

對所列出的非線性方程組，可采用牛頓法求解，其具體過程如下：

（3）判斷max|蒡△Pk|≤ε是否成立；若成立，則計算結束；否則令±△Qj，（i=1，2，…，M；j=1，2，…，L）；若支路與回路方向一致，取“+”號，反之取“一”號；返回（2）繼續計算。

牛頓法的收斂速度比較快，但其收斂條件與初值的選擇有關，且要求風量初值要符合風路系統的大致分布規律。當電機的風路為含有壓頭源的復雜結構的通風網絡時，計算更為復雜，使用牛頓法有時力不從心。1985年，N.Fukushima提出了新的電機通風模擬計算方法，這種方法能在未知風阻的前提下對闖題求解。國內哈爾濱大電機研究所于80年代末開始研究網絡計算法，在吸取國外先進經驗的基礎上，結合我國的具體情況，經過多年的探索與完善形成了一套完整的通風計算軟件，并應用該軟件完成了多臺大型水輪發電機通風系統的設計。

4 流體場（CFD數值模擬）計算法

近年來，隨著計算機技術的迅速發展和計算流體力學各種湍流模型的完善，數值方法的發展以及前后處理相關技術的進步，CFD數值模擬方法在對流體的初步性能預測、流動診斷等方面發揮越來越大的作用。在不同計算精確度的層次上，數值模擬方法已經被用來求解幾乎所有的流動問題。YC.Chen等通過實測與仿真計算相結合，探討了不同風扇速度下對電機內部散熱情況的影響。為了便于測量，B.D.J.Maynes做了簡化的小型交流發電機模型，采用計算流體力學方法，計算了在旋轉和靜態情況下的流體場以及由此導致的傳熱過程。

CFD數值模擬方法采用方法之一是有限體積法。其基本思想是：將計算區域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數是網格點上的因變量的數值。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網格點之間的變化規律，即設定值分段的分布剖面。從積分區域的選取方法來看，有限體積法屬于加權余量法中的子區域法：從未知解的近似方法看，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。簡言之，子區域法加離散，就是有限體積法的基本方法。有限體積法特點之一是計算效率高，也是其優點之一，目前在CFD領域中有著廣泛的應用。

5 結語

隨著計算機技術的不斷發展，數值計算方法的引入，電機通風計算方法也在不斷發展。上述水輪發電機通風計算方法，各有優點，也存在明顯缺陷。如何克服各類方法的缺點，結合各方法的優點，進行科學、有效的通風計算仍是國際電機學科前沿性課題和難題之一。

［1］白延年.水輪發電機設計與計算［M］.北京：機械工業出版社，1982.

［2］胡俊輝，許承千.大中型異步電機通風的研究和計算［J］.大電機技術，1992.

［3］N Fukushima.Simulating Research for Ventilation System of Electrical Machine［A］.Second International Conference on Electrical Machines——Design and Applications［C］.1985：17～19.