高速水力發電機的通風和冷卻系統

［瑞士］B·喬丹等

水電站的三相凸極同步發電機可將水流的機械能轉換為電能。近年來，將更高比轉速應用于混流式水輪機已成為一種趨勢。對于同步發電機，轉速n與電網頻率f相關，n=f/p，其中p是磁極對數。因此，對于高轉速機組，磁極數量減少，同時每極的電能增加。對于機械設計來說，這種常用機組的冷卻成為一個嚴峻的問題。

1 冷卻需求

高速發電機的尺寸受限于離心力(直徑)和軸線(長度)的臨界彎曲速度。高速時，機械載荷增加，需要精心的機械設計。此外，對抽水蓄能電站電動機－發電機的眾多啟動－停止線圈，需要完全不同的機械設計。對于關鍵性的轉子部件，其機械要求更高，這樣就限制了冷卻氣流的橫截面。因此，更難以給發電機的主動區域提供足量的冷卻空氣。

重要的是，轉子和定子的溫升應符合適當的標準。其他關鍵因素是冷卻本身造成的損耗(空氣摩擦和通風損耗)。簡單地產生氣流來確保冷卻可能會適得其反。因此，這種發電機的冷卻必須根據氣流的分布進行優化。這意味著冷卻氣流分布必須適應功率的損耗分布。由于高速機組的通風損耗大約是整個功率損耗的1/3，所以高效冷卻是這些發電機安全運行的關鍵問題。

2 空冷方案

2.1 軸向/徑向冷卻發電機

轉速等于或高于750r/min的發電機的機械載荷很高。因此，它們的輪緣塊巨大，轉子上的磁極線圈支承截然不同，見圖1。既然不可能通過輪緣供應空氣，那么空氣只能從軸向進入磁極間隙，并從徑向通過定子通風管道。從圖1可以看出，空氣是從轉子進入徑向定子通風管道后連續擴散，導致從入口到發電機軸線中心的空氣體積減少。

圖1 軸向/徑向冷卻發電機內的空氣體積流量分布

空氣體積在軸線上的減少導致空氣速度較低，致使熱傳遞系數下降。同時，空氣吸收了從入口到發電機中心的所有損耗，導致發電機中心的空氣溫度更高。

上述影響導致軸向/徑向冷卻的發電機在軸向中心的溫度最高，如圖2所示。根據發電機設計，峰值溫度可能比平均溫度高很多。

減少軸向長度的發電機在磁極間隙的軸線中間只有一個磁極線圈支承，因此，與具有一個以上支承的發電機相比，中心溫度較低。長型發電機一般每個磁極的磁極線圈支承均超過了1個，這就令足量冷空氣到達發電機中心的難度增加。

圖2 計算的高速機組轉子銅線溫度分布

解決這個問題的有效辦法是使用梯形磁極體，這樣可以吸收轉子磁極線圈的大離心力。有了這種磁極，只需安裝一個轉子磁極線圈支承，甚至可以一個都不要，見圖3。然而，梯形磁極的缺陷是轉子線圈的設計更為復雜。

圖3 中部有導流裝置的軸向/徑向冷卻發電機

另一解決辦法是使用額外的導流裝置，使空氣流向發電機的中部。有了導流裝置，氣流速度更高，湍流程度更亂，有助于改善線圈到冷卻空氣的散熱。

對于使用率高的高轉速發電機，轉子磁極自然產生的壓力常常不足以循環發電機所需的空氣量(自通風)。在這種情況下，需要額外的壓力產生源。由于發電機只向一個方向旋轉，因而可以安裝軸向風扇。在這種情況下，風扇位于發電機軸的旁邊，與磁極間隙一同作為壓力源(見圖4)。這些主動的壓力發生元件，與從動元件如定子鐵芯、定子機座和空氣冷卻器一起，形成了一個封閉的冷卻回路。有軸向風扇的發電機，穿過定子繞組端部的空氣通道，平行于定子鐵芯。

圖4 帶軸向風扇的空氣冷卻概念

如果發電機向2個方向旋轉，如可逆式水泵水輪機，則不能使用軸向風扇。那么，必須安裝外部風扇以支持轉子磁極在發電機內循環冷卻空氣。圖5顯示了該冷卻系統的布置。使用外部風扇的主要優點是高效，并有可能在試運行期間，甚至是運行期間，使用變頻器來調節氣流體積。另一方面，外部風扇是附加的輔助系統，需要定期維護。圖5為空冷回路，來自外部風扇的冷空氣直接從定子繞組連接和端部導流，可以保證定子端部區域冷卻效果良好，但是冷卻轉子的空氣溫度卻上升了。

圖5 帶外部風扇的空氣冷卻概念

2.2 軸向/徑向+輪緣通風管道冷卻發電機

根據發電機功率和轉速，除了常規的軸向/徑向冷卻概念外，還可使用轉子輪緣的徑向空氣管道。輔助的輪緣管道為發電機軸向中心提供了冷卻空氣，如圖6所示。

圖6 包含邊緣通風管道的軸向空氣體積流量分布

發電機中間的輔助冷空氣降低了峰值溫度。然而，輔助的冷卻后果導致通風損耗更大。相對于軸向或外部風扇的效率而言，這些損耗與轉子輪緣和支架壓力產生的低效率有關。由于轉子輪緣流道的效率低，應盡可能減少通過支架和輪緣的空氣量。使用轉子磁極間隙內的導流裝置，或在轉子線圈和磁極體之間有一條背面冷卻通道，可以使輔助空氣流出輪緣的冷卻效果最大化。特別是轉子線圈的背面冷卻，允許轉子電流的密度更高。

3 計算

3.1 網絡計算

可以使用流體網絡計算來估算冷卻空氣總量和空氣體積流量分布。用流體網絡模擬整個發電機空氣回路的軸向/徑向切口。流體網絡由主動和從動元件組成。主動元件是壓力產生元件，如風扇和磁極間隙。從動元件是壓降元件，與空氣摩擦、膨脹、收縮和偏轉有關。基于基爾霍夫定律解決流體網絡。由于壓降是空氣速率平方函數，網絡計算需要以迭代的方式完成。

網絡計算確定了空氣速率、壓降和發電機各部件的體積流動分布，之后就可以計算通風損耗和熱傳遞系數。而且，將計算的電氣損耗分配給相應的流體網絡元件，可以計算發電機各部件的空氣溫度。將這些結果作為熱網絡計算的邊界條件，可以確定主動元件的溫度。用迭代法將電氣、通風和熱計算組合在一起并予以解決。

3.2 CFD 計算

計算流體動力學(CFD)是設計和開發高速水力發電機組的重要工具。有關機械和電氣載荷日益增長的需求以及獲得最高效率的挑戰，需要更準確的計算。

流體網絡計算很適于在很短的計算時間內選擇最優冷卻布置并獲得流體分布的總體概況。在很多情況下，網絡元件是基于已有的文獻數值或試驗模型的測量值。流體網絡實例參見圖7。

已有實驗結果和理論模型的數據庫有時不足以表示發電機內的真實情況。在這種情況下，CFD研究可能大有幫助。可以調查有關特性的真實幾何形狀，并且可以將新發現傳入網絡模型中。除了校核網絡模型單個元件的現狀外，CFD還可用于優化某些特殊區域。

圖7 流體網絡實例

使用CFD，能更準確地從壓降、空氣速率到流體體積和熱傳遞系數，來對發電機的通風系統進行量化。僅使用2D工具難以分析發動機內的詳細氣流分布，然而，2D工具有益于可視化發動機內的總體分布。此外，CFD與流固耦合(FSI)工具組合時，仿真可以提供模型的固態部件里的3D溫度分布，如圖2所示。使用這些工具是資源密集型的，包括幾何形狀的準備、網格生成、分析本身以及結果的后處理。邊界條件的正確確定是CFD/FSI仿真最具挑戰性的部分。對于確定邊界條件和驗證仿真來說，測量實驗室模型或運行中的發電機都很重要。

4 測量

使用精細的通風和溫度測量裝置，阿爾斯通公司可以確保新安裝發電機的冷卻系統最優。這些還有助于優化和校正內置計算工具。

4.1 體積流量和壓力測量

為了驗證通風測量，在現場進行體積流量和壓力測量。在冷卻器的流出區域臨時安裝了輔助木質支架，以進行總體積流量測量。

在定子通風管道的出口處使用熱流探測器，測量發電機軸線方向的空氣速率和空氣溫度。在定子支架的各軸向和切線位置測量靜態壓力。根據這些測量結果，可以校正仿真的風扇特性和軸向流體分布。

4.2 轉子溫度測量

軸向/徑向冷卻發電機的軸向溫度分布并不均勻。特別是轉子線圈溫度，磁極兩端與發電機軸向中部之間溫度截然不同。

判斷轉子線圈溫度的常規方法是測量線圈的電阻。比較轉子線圈的熱阻抗與初始冷阻抗，可以確定運行時轉子線圈的平均熱溫度。

雖然這種方法簡單易行，但缺點是精度有限。最終結果取決于冷阻抗的測量精度以及勵磁電流和電壓的測量。準確測量靜態勵磁電壓相當困難。這種測量方法也只能提供轉子的平均溫度，沒有溫度分布或轉子線圈最高溫度的信息。

借助于高分辨率的高溫計，可以測量整個轉子線圈表面和磁極體的溫度。薄探頭從定子鐵芯的背面插入通風管道一直到氣隙。探頭頂部裝有透鏡，聚焦轉子的熱輻射。

對于發電機部件的溫度測量范圍來說，熱輻射能很低，特別是為了開發高溫計，已經開展了高精度材料和主要研究工作。

測量設備的分辨率很高，使沿著發電機周邊測量到的等溫線非常精確，如圖8所示。借助于這種高溫計，可以測量阻尼棒或轉子線圈冷卻片引起的溫度差異。

圖8 周邊轉子溫度的采樣

除了高分辨率，設備還具有如下一些優點。

(1)由于是非接觸測量，無需在轉子上安裝輔助元件;

(2)由于轉子部件的輻射系數為已知，高溫計測量的精度較高;

(3)安裝探頭無需拆除外殼部件;

(4)可以改變發電機運行點進行實時測量。

4.3 定子繞組端部的溫度測量

可以用紅外線照相機確定發電機的非轉動部件、主動部件的溫度，如定子線圈端部或定子連接器的布置。

5 結論

本文評論了高速水力發電機通風系統的各種冷卻回路配置。已經解決了滿足這類發電機(特別是抽水蓄能電站)效率需求的技術難題。顯而易見，根據發電機的設計，必須特別重視磁極線圈軸線中心的溫升。

本文論述的具有2D流體網絡的計算方法CFD和FSI，是預測通風損耗和溫度分布的有效工具。然而，為了獲取可靠的結果，需要用試驗研究或測量真實發電機來驗證所有的方法。

只有最先進的計算工具和基于類似發電機的測量結果相結合，才能進一步提高高速電動機－發電機的效率。效率提升與冷卻空氣的溫升直接相關，因此，發電機內的溫度差異更大。還需要作進一步調研，以獲取更多有關水力發電機組內溫度差異較大的長期影響，特別是與頻繁開機停機操作結合的時候。