水輪發電機通風散熱系統多場耦合的數值分析

李偉力，宋厚彬,,楊逢瑜

(1.哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱 150080;2.蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅蘭州 730050)

水輪發電機通風散熱系統多場耦合的數值分析

李偉力1，宋厚彬1,2,楊逢瑜2

(1.哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱 150080;2.蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅蘭州 730050)

為研究燈泡貫流式水輪發電機定子的溫度變化和通風系統的流體流動規律，以保持水輪發電機內部良好的散熱效果，在建立型號為SFWG24-88/7820燈泡貫流式水輪發電機定子和通風系統的三維模型基礎上，采用熱電耦合原理，根據定子的特點，做相應的假設，建立計算定子溫度場的三維計算域，對定子的溫度場進行直接耦合仿真計算，然后應用計算流體力學技術模擬了燈泡貫流式水輪發電機通風溝的流場，并和實際運行中真機實驗所測得定子溫度的數據進行了對比，最終驗證運用耦合場分析方法的正確性。研究表明在合理的簡化條件下，采用數值模擬能準確的模擬燈泡貫流式水輪發電機定子的溫度變化規律以及通風系統流場及散熱情況，對于燈泡貫流式水輪發電機通風系統與定子之間因多場耦合產生的熱效應所引起的結構設計和優化具有重要的參考價值。

水輪發電機;通風冷卻結構;發電機定子;多場耦合;數值模擬

0 引 言

燈泡貫流式水輪發電機組因其效率高、結構簡單等優點在大中型水輪發電機中得到廣泛應用。水輪發電機內的溫度場分布取決于以對流換熱方式相耦合的通風系統和各部件溫度場所構成的綜合場效應。熱量的來源包括以下幾個方面:1)定子繞組的損耗；2)轉子繞組的損耗；3)鐵心損耗；4)風損耗和摩擦損耗；5)導軸承損耗；6)推力軸承損耗(僅計分攤給水輪發電機部分的損耗值)；7)其他損耗。燈泡貫流式水輪發電機的最大問題就是如何解決內部溫升，在工程實踐中常用經驗公式進行計算，但缺點是計算量大，參數繁多，效率低下。近年來，隨著計算機模擬技術的飛速發展，運用計算機對水輪發電機進行數值仿真研究取得了一定的成果[1-5]，但大部分研究工作仍停留在將流場、溫度場和電磁場孤立起來進行分析的階段。

本文基于計算流體力學和耦合場分析原理，利用計算機分別對發電機定子的溫度場和通風溝的流場進行耦合計算，和所測實際運行中水輪發電機監測點的數據進行了比較，并對現有通風結構及定子升溫等問題進行了分析。對于研究水輪發電機冷卻葉片系統散熱效率最優的新型葉片結構及新型冷卻通道的設計，以及機組安全、穩定運行具有重要意義[6-8]。

1 燈泡貫流式水輪發電機模型假設

為了實現對水輪發電機通風結構內部進行熱-電-流多場耦合分析，通過建立三維模型對其進行數值仿真計算。SFWG24-88/7820型燈泡貫流式水輪發電機建立軸向通風結構模型，詳見圖1。

圖1 軸向通風系統示意Fig.1 The schematic of axial ventilation system

通常，電機內定子軸向(徑向)通風溝內流體的流動狀態處于紊流狀態，要確定通風溝內風速場的分布及沿程阻力的大小是很困難的。為了避免這種情況的出現，本文將流場和溫度場耦合求解，采用直接耦合法進行流場和溫度場耦合仿真分析。

發電機定子溫度場計算中設定的邊界條件如下：

1)根據結構和通風系統的對稱性，認為該模型中所有組成實體的軸向兩側對稱面均為絕熱面;

2)假設冷卻空氣溫度從定子端部通風溝沿軸向呈線性變化;

3)在定子與水面的接觸面處，給定水流溫度為22?C，流速為1.5 m/s。

在本研究中氣體流速遠遠小于聲速，密度變化是很小的，故可以將氣體看作不可壓縮流體，這與水輪發電機通風系統流動情況是相符的。

2 多場耦合計算方法

2.1 定子熱—電耦合數值計算模型

型號為SFWG24-88/7820的燈泡貫流式水輪發電機單機容量24MW，具體參數見表1。

表1 燈泡貫流式水輪發電機參數Tab.1 Bulb turbine parameters

燈炮貫流式水輪發電機定子的熱源僅來源于鐵心和繞組的各種損耗，而與轉子和機械部件的損耗無關，因此定子的溫度場的準確計算，對于水輪發電機的散熱至關重要。

2.1.1 定子模型的建立

該水輪發電機冷卻系統采用風機強迫循環的軸向通風冷卻方式。流經定子的氣流在定子風溝中沿軸向方向流動。為研究問題需要，做如下假設：(1)風路和溫度分布基本是沿圓周方向對稱，而且各個物理場周期性分布，為了提高計算速度和減少工作量，只需要建立圓周方向二分之一通風溝即可作為計算域，來模擬整個定子通風溝的溫度及流場變化；(2)定子通風溝中的繞組支架和絕緣材料為絕緣體；(3)忽略線圈棒槽部銅與端部銅之間的熱交換。

由于該水輪發電機的通風溝無論軸向還是徑向，以及圓周方向都具有對稱性，且通過計算發現機座壁外壁弦長與鐵心內圓弦長的比值相差不大，因此可以將定子求解域簡化為一長方形結構。由此建立的定子模型網格如圖2所示。

圖2 定子求解域模型網格圖Fig.2 Solution domain model mesh of stator ventilation

2.1.2 有限元溫度場計算方法

本文采用有限元法對大型燈泡貫流式水輪發電機定子三維溫度場進行分析與計算。電機穩態運行時，其內部的三維熱傳導方程為

式中:T為溫度;Kx,Ky,Kz分別為x,y,z方向的導熱系數(W/cm?C);q為熱源密度(W/cm3)。

通過離散化處理，可將上述三維溫度場的條件變分問題等效為線性方程進行求解[9-10]。

2.1.3 熱源及散熱系數的確定

在定子溫度場分析中，通過對各部分熱源(電樞繞組的銅耗、定子鐵心的鐵耗等)以及與各熱源相關的實體體積的計算，可獲得溫度場數值分析中各部分的熱源密度。

根據電機發熱與冷卻的相關知識，當已知定子齒部和槽楔處氣隙的風速vt時，定子齒部和槽楔表面的散熱系數為

已知定子槽絕緣側的風速vc時，則槽中絕緣側的散熱系數為

已知端部的風速vce時，定子繞組端部的散熱系數為

忽略端部結構件從定子上攜出的熱量，即將定子和定子支架的軸向端面等效看成徑向通風溝，則已知端面風速ve時，定子和定子支架端面的散熱系數為[11-13]

定子支架側面和空氣接觸，設給定空氣流速v為2.5 m/s，則其表面散熱系數為

式中：λh為空氣熱導率;L為空氣沿平面壁的流動距離;Re,Pr為分別為雷偌數和普朗特數。

2.1.4 模擬結果及分析

通過對定子熱電耦合仿真計算，得到定子的溫度和電壓分布如圖3所示。

圖3 定子參量變化Fig.3 Stator parameter changes

從圖3(a)中可看出定子的溫度在繞組處最高，最高值為326 K，溫度最低值為300 K，溫度的最低點在定子軛與機座壁相接處。定子溫度值整體上梯度變化比較大，從定子下游端向上游端呈逐級上升趨勢；從圖3(b)中可以看出，只有繞組上有電壓存在，這符合水輪發電機的實際情況，且在云圖上繞組處的電壓都是一樣，這表明了水輪發電機在額定轉速下，水輪發電機處于穩定狀態下，輸出電壓保持恒定。

2.2 通風散熱系統數值模擬

該水輪發電機冷卻系統采用風機強迫循環的軸向通風冷卻方式。在磁軛外緣有風道，冷卻氣體在風機的驅動下，冷空氣從上、下兩端進入軸向風道，然后經線圈的孔或槽，經機壁環板通風孔，到冷卻器與冷卻水進行熱交換，散去熱量后，經風機壓入轉子支架，然后在離心力的作用下，從極靴的出風孔流出，構成密閉強迫通風系統。另外，定子鐵心和定子機座為貼壁結構，將定子內產生的損耗熱量通過燈泡體直接傳遞到河道的水中，可以有效減少通風冷卻系統的負荷。冷卻系統的單臺風機風量17 300～20 300m3/h，總共6臺，風機全壓1 220～1 970 Pa，根據溫度高低確定冷卻系統風機開關數量，溫度低的不開或少開，溫度稍高開3臺，溫度過高時開6臺。

2.2.1 數學模型及數值分析

水輪發電機通風系統結構復雜，為簡化計算，作如下假設：1)所要模擬的是發電機通風溝中空氣流動情況，以定子處通風溝為研究對象；2)發電機中的線圈對流場的變化影響不大，先不作考慮；3)水輪發電機的通風溝圓形，為簡化數值模擬的計算量，只需建一定角度的通風溝即可，模型兩側壁面做對稱邊界處理即可。

在三維造型軟件Pro/e中繪制模型，然后導入ANSYS網格劃分軟件ICEM中，采用適應性很強的混合網格進行整體劃分，并進行了網格無關性檢查。

根據流體力學理論，電機內通風冷卻系統的流動氣體可看作是不可壓縮流體，其產生的粘性流動為不可壓粘性流動，其連續性方程和Navier-Stokes方程式為

式中：v為速度；f為質量力；p為壓強；為流體的運動粘度；ρ為流體的密度。由于電機內的流體是充分發展了的紊流，因此，流速v可分解為平均流速v和脈動速度v′。本文采用k?ε紊流數學模型分析流體場，忽略電機內流體的浮力和重力的影響，經推導得出紊流計算模型為

2.2.2 數值方法

入口處采用速度進口邊界條件，即已知通風結構進風面積和給定通風量的情況下，給定進風速度；在出口處采用自然出流(out fl ow)邊界條件，兩側壁面定義為對稱邊界條件。采用標準κ-ε湍流模型，為了在保證計算精確度的前提下盡可能節省計算時間，對流項的離散采用一階迎風格式，耗散項采用中心差分格式，設定收斂精確度為10?5；壓強-速度方程的迭代求解采用SIMPLE算法[15]。

2.2.3 數值模擬結果及分析

圖4和圖5是定子通風結構各參量的流場分布情況。

圖4 壓力分布(單位：pa)Fig.4 Pressure distribution(unit:pa)

圖5 速度云圖(單位：m2/s)Fig.5 Velocity distribution(unit:m2/s)

由圖4和圖5可看出，由于采用空氣冷卻，因此，流體對于通風結構的壓力較小，同時，通風結構對定子通風溝的空氣流速影響不大。這樣，在設計水輪發電機通風結構時，就可以忽略冷卻空氣和定子結構之間的影響。

以流體進入軸向通風溝入口處的溫度作為參考溫度，計算得到模型的溫度分布和沿徑向方向的溫度變化如圖6所示。

圖6 溫度分布(單位：K)Fig.6 Temperature distribution(unit:K)

由圖6溫度分布云圖可以看出沿發電機徑向的溫度變化規律，溫度最高區域分別出現在線棒周圍和靠近定子鐵心的位置，這是因為在水輪發電機中的主要發熱部件是線棒和鐵心，這兩大部件的耗損產生了大量的熱量。結合通風溝內流體的溫度云圖和沿徑向溫度變化可以看出從鐵心沿徑向方向向外溫度是逐漸減小的，這是由于水輪發電機在工作時線圈切割磁感線，產生電流，然后電流經過繞組時繞組的電阻使得繞組成了一個發熱體，而繞組又是在絕緣的包裹后固定于槽中，因此繞組所產生的熱量必須全部經由絕緣散出。而絕緣材料的導熱系數一般非常小，所以在絕緣處出現較大的溫度梯度。

通風系統的數值模擬從場的角度出發，運用流體力學和傳熱學理論對電機內的冷卻流體進行計算分析，可以得到求解區域內任何位置的流體參數，為水輪發電機內部流體場和溫度場更為精確計算開辟了新的途徑，對于采用耦合計算的方式預測定子的流場和溫度場具有重要意義。

2.3 耦合計算結果與測試結果對比分析

通過對本研究的燈泡貫流式水輪發電機定子溫度的測定，(圖7為4號機組發電機正反測溫電阻分布，面向上游側)，得出定子各處數據與ANSYS耦合計算的數據對比見表2。

圖7 4號機組發電機正反測溫電阻分布示意圖Fig.7 The unit distribution diagram of positive and negative RTD in NO.4

說明：Z標示為監控溫度量，#標示為制動柜溫度量

表2 定子溫度場的實測值與模擬值Tab.2 Temperature value fi eld of the measured and simulated in stator

通過多場耦合方法數值模擬與實際測量的溫度值對比，平均誤差為2.78%，小于3%，說明采用熱—電—流來進行燈泡貫流式水輪發電機定子的耦合數值模擬方法是可行的，結果是可信的。本研究的計算結果對于軸流式通風結構的燈泡貫流式水輪發電機通風散熱情況的改進具有一定指導意義。

3 結 論

1)在水輪發電機的內部，熱量是多場綜合影響的，通過對定子從熱電耦合方面進行了仿真計算和與實測數據對比，發現在合理簡化模型時，在線棒和靠近鐵心的位置溫度最高，符合實際情況，該方法對于計算定子溫度場是準確的，且三維溫度場能夠直觀地反映定子的溫度變化。

2)應用計算流體力學理論對水輪發電機通風系統進行數值模擬及整個通風系統流線可以看出流動流暢，且和線圈及齒槽的充分接觸，增大了散熱面積，但在繞組處由于進風方向和線棒表面垂直，以及圓柱繞流現象的出現，降低了通風冷卻的效果。

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(編輯：劉素菊)

Numerical of the tubular turbine hydroelectric generator ventilation system multi- fi eld coupling

LI Wei-li1,SONG Hou-bin1,2,YANG Feng-yu2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080，China;2.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

In order to study the fl uid fl ow pattern of light bulb tubular turbine stator temperature and ventilation system to keep the turbine generator internal cooling effect in the establishment of a SFWG24-88/7820 bulb tubular type water wheel three-dimensional model of the generator stator and the ventilation system on the basis of the principle of thermoelectric coupling,according to the characteristics of the stator,the corresponding assumptions are given,and three-dimensional computational domain of calculating the stator temperature fi eld is established,and computational fl uid dynamics technology is applied to simulate fl ow fi eld of the light bulb tubular Hydro-generating machine ventilation groove.The temperature fi eld of the stator direct coupling of simulation and the actual operation of the central plains machine experiment measured stator temperature data were compared,and fi nal veri fi cation of the correctness of the use of coupled fi eld analysis method was given.Studies show that in the simpli fi ed conditions,the use of numerical simulation accuratly simulates bulb tubular turbine generator stator temperature variation as well as the ventilation system fl uid fl ow and heat dissipation for the light bulb tubular turbine ventilation system;the structural design and optimization caused by the thermal effects due to the multi- fi eld coupling between the stator has an important reference value.

turbine generators;ventilation cooling structure;hydroelectric stator;multi- field coupling;numerical simulation

TH 311

A

1007–449X(2013)10–0085–06

2012–08–28

甘肅省自然科學基金資助項目(1208RJZA293)

李偉力(1962—),男,教授,博士生導師,研究方向為大型電機綜合物理場和特種電機理論;

宋厚彬(1975—),男,博士研究生,高級工程師,研究方向為電機內綜合物理場;

楊逢瑜(1948—),男,教授,博士生導師,研究方向為液壓技術。

宋厚彬