燈泡式水輪發電機通風系統結構與計算

王 宇

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

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燈泡式水輪發電機通風系統結構與計算

王 宇

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

重點介紹該水輪發電機通風系統的結構及計算分析。通過單路徑向通風結構與鼓風機相結合強迫發電機內部構成密閉循環的通風系統，再利用通風網絡計算進一步優化結構。

燈泡式水輪發電機；通風系統；通風網絡

0 引言

馬里費魯水電站項目是馬里、塞內加爾、毛里塔尼亞、幾內亞四國政府聯合開發的一個水電項目，位于馬里境內塞內加爾河上，距卡伊城15公里。馬里費魯燈泡式水輪發電機額定容量為23.5MVA，額定功率為21.15MW，額定轉速142.8rpm，是我公司自主設計制造的貫流水輪發電機組。其設計特點采用單路徑向通風和鼓風機相結合的結構。

1 單路徑向通風和鼓風機相結合結構

燈泡式水輪發電機組的直徑小，轉速低，由轉子和風扇等元件所產生的風壓較常規水輪發電機的低很多，所以不宜采用常規的自通風冷卻方式，而需要采用具有鼓風強迫循環軸向通風的冷卻方式。單路徑向通風和鼓風機相結合結構是目前我公司燈泡式水輪發電機廣泛應用的一種結構，包括炳靈、蜀河的設計都采用了此種結構。冷卻空氣主要由轉子支架、 磁軛、 磁極旋轉產生的風扇作用進入轉子支架進風口， 流經磁軛通風孔、磁極極間、氣隙、定子徑向風溝，冷卻氣體攜帶發電機損耗熱匯集到定子鐵心背部，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，經鼓風機壓入轉子支架，構成密閉強迫通風系統，另外，匯集到鐵心背部的熱風還會通過機座壁與河水進行熱交換散去部分熱量(見圖1)。

轉子支架進風口是冷卻風量的主要過流通道，其結構尺寸的選取一方面應考慮滿足冷卻氣體順利流過及安裝檢修維護需要；另一方面還要考慮轉子支架的剛強度要求，對轉子支架整體和通風口作有限元分析，對正常運行工況(見圖2)，和飛逸工況分別進行了受力分析(見圖3)。

經過計算通風孔處在正常工況下，綜合應力為88.342MPa，安全系數達到5.09；在飛逸工況下，綜合應力為200.687MPa，安全系數達到2.25，滿足合同要求的1.5倍安全系數。轉子上下圓盤各有10個轉子支架進風口，上游側入口有兩個面積為0.214m2、八個面積為0.188m2,最小內徑為R=1113mm，最大內徑為R=1520mm。下游側入口有兩個面積為0.187m2、八個面積為 0.138m2,入口最小內徑為R=1113mm，最大內徑為R=1482mm。磁軛通風孔是冷卻風量過流通道的咽喉，磁軛通風口的位置和大小的選擇直接影響風量的均勻分配及冷卻效果，分析計算磁軛圈通風孔設計為7段。定子徑向風溝數取44, 定子徑向風溝高取6mm。機壁環板通風孔是控制發電機風量分配的關鍵部位之一，通過與定子風溝數的合理分配，可以較好地分配發電機的風量，由于采用通風孔貼壁結構，更有利冷卻氣體與河水之間的熱交換，減輕了冷卻器的負擔。經分析計算機壁環板通風孔沿圓周每個環板均勻開設42個。擋風板位置，由于本臺電機采用單路徑向通風方式，在限制端部風量的同時為了保證冷卻氣體盡量從線圈端部流過，必須加固定擋風板，上游側將線圈端部與擋風板間隙用橡膠擋死。對于鼓風機的選擇，在選擇風機前，需計算通風系統的阻力特性，然后根據工作點的壓力及流量去確定風機的外特性，選擇合適的風機，本臺電機采用6臺鼓風機。

2 通風網絡

我們根據機組的結構，使用流體計算軟件進行水輪發電機通風系統計算。流體包括可壓縮和不可壓縮兩種，可進行流體的穩態和瞬態分析及流體動力計算。應用從ABB引進的Flowmaster軟件進行計算分析，軟件可以模擬發電機風路，其中包括鼓風機、轉子支架、磁軛、磁極極間的壓力元件及阻力元件；氣隙、定子風溝、冷卻器等阻力元件，這些元件都用網絡元件來模擬。我們應用該軟件已在炳靈、蜀河等電站的水輪發電機通風系統進行了分析計算，機組運行時冷卻效果良好。

計算軟件的后處理可在網絡上顯示流量、流速、壓力等變量，還可繪出各種類型的圖，顯示方便、清晰，易于理解和分析。

根據通風網絡可分析得出：設計總風量為18.94m3/s，1#～6#鼓風機徑向通風量為3.1m3/s、2.968m3/s、2.872m3/s、2.838m3/s、2.835m3/s、2.867m3/s，當風量通過阻力元件時風量有所損耗，1#～6#鼓風機徑向通風量降為2.574m3/s、2.63m3/s、2.195m3/s、2.207m3/s、1.999m3/s、1.991m3/s通風損耗38KW，通風系統通過補氣系統補進2.094m3/s。通過網絡計算分析得出此結構可滿足機組的通風要求，詳細的計算結果可詳見圖4。

3 結語

馬里費魯電站燈泡式水輪發電機的通風設計充分考慮了機組直徑小，轉速低等特點，在保證機組安全可靠性的同時，多次對通風結構進行了優化設計，最終采用單路徑向通風和鼓風機相結合的結構。在通風元件中特別考慮了轉動部件轉子支架的受力情況，經過有限元受力分析，使轉子支架在最安全穩定的受力區域內保證通風效果。并且運用了先進的流體計算軟件搭建了通風網絡，精確的計算出機組運行時的各個風路的風量情況，使發電機各項通風冷卻性能指標優良，滿足了機組長期安全可靠運行的需要。

馬里費魯電站燈泡式水輪發電機是我公司獨立自主設計的機組，該項目采用單路徑向通風和鼓風機相結合的結構為今后設計制造燈泡式水輪發電機提供了重要的實踐經驗。

[1] 白延年.水輪發電機設計與計算.北京：機械工業出版社，1982.

[2] 李永峰.燈泡貫流式機組發電機通風冷卻方式.廣東水利水電，2002.

[3] 鄭發平，宋文武，李建秀.燈泡貫流式水輪發電機通風冷卻的計算研究.西昌學院學報：自然科學報，2009.

Structure and Calculation on Ventilating System of Lamp Irradiating-Type Hydro-Generator

WangYu

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

This paper chiefly introduces structure and calculation analysis for ventilating system of this hydro-generator. Closed-loop ventilating system inside the generator is forcedly composed by combination of single-path radial ventilating structure and air blower, and then optimized structure is further calculated by ventilating net.

Lamp irradiating-type hydro-generator；ventilating system；ventilating net

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.06

TM301.4+1

B

1008-7281(2016)05-0021-003

王宇 男 1982年生；畢業于哈爾濱理工大學電氣工程及其自動化專業，現從事水輪發電機的設計工作.

2016-05-13