貼壁式結構水輪發電機定子溫度場有限元法研究

王 輝，汪小芳

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貼壁式結構水輪發電機定子溫度場有限元法研究

王 輝，汪小芳

（東芝水電設備(杭州)有限公司，杭州 310020）

本文利用ADINA軟件對某貼壁式結構發電機定子進行溫度場計算，得出與實測數據非常接近的解析結果，并在此基礎上深入探討鐵心與機座的熱態間隙、線棒與槽的間隙、河水溫度等因素對定子溫升以及河水帶走熱量值的影響關系，為貼壁式結構發電機定子的設計提供借鑒。

燈泡式貫流機組；貼壁式結構；定子溫度場；有限元法；ADINA

0 前言

貼壁式結構燈泡貫流式水輪發電機利用燈泡體外殼作為發電機定子機座，讓定子鐵心與燈泡體內壁合在一起，是一種簡單、施工方便、經濟性好、效率高的結構方式。

傳統的燈泡貫流式水輪發電機采用徑向通風的形式，定子鐵心預留徑向通風道，散熱面積大、線棒軸向溫度分布均勻。但是，貼壁結構的水輪發電機定子鐵心及背部沒有形成這樣的風路，所以定子的通風冷卻十分困難。掌握影響定子溫升的主要因素，準確計算定子的溫度分布[1-6]，是貼壁結構發電機設計的關鍵。

參考文獻[7]和[8]都借助通用有限元軟件對貼壁結構的發電機定子溫度場進行了分析研究，獲得了工程分析所需的計算結果，但是缺乏對溫度場影響因素的定量分析。本文利用ADINA軟件對某貼壁結構發電機定子進行溫度場計算，得出與實測數據非常接近的解析結果，并在此基礎上深入探討鐵心與機座的熱態間隙、線棒與槽的間隙、河水溫度等因素對定子溫升以及河水帶走熱量值的影響關系，為貼壁結構發電機定子的設計提供了借鑒。

1 溫度場方程

根據有限元軟件ADINA的理論手冊[9]，可知穩態溫度場方程如下：

邊界換熱條件如下：

（1）定子繞組端部換熱系數[10]

（2）定子鐵心內圓面換熱系數[10]

（3）定子機座外壁的換熱系數

此時，定子機座外壁的換熱系數：

2 物理模型與邊界條件

2.1 物理模型

本文研究的燈泡貫流式水輪發電機的基本參數見表1。

表1 發電機基本參數

為了考慮線棒端部散熱，利用公司研發的三維參數化建模手段[12]精確建立了定子線棒模型，然后建立絕緣盒、線棒層間墊條、定子鐵心、定子機座等。根據結構的周期對稱性，選取1個溝槽作為分析對象，劃分六面體網格，具體如圖1所示。

圖1 貼壁式結構定子模型及網格劃分

2.2 邊界條件

在定子溫度場計算過程中設定的邊界條件如下：

（1）根據結構的對稱性，認為該模型中定子機座和定子鐵心軸向兩側面均為絕熱面；

（2）根據軸向通風的特點，假設定轉子氣隙中空氣溫度沿軸向（從下游側至上游側）呈線性變化，并且根據實測值，入口冷風溫度設定為37.4℃，空氣溫升為23.1K；

（3）燈泡體外壁與河水的接觸面處，根據實測數據，設定水流溫度為20℃；

（4）根據電站提供的數據，設定線棒與槽之間的間隙為0.08mm，定子鐵心與機座的熱態間隙為0.01mm。

3 計算結果及分析

3.1 定子溫度場分布

根據以上各邊界條件，整個定子的溫度場分布如圖2所示。定子的最高溫度110.4℃，溫升73.0K，定子機座兩端部基本沒有溫升，與鐵心接觸的機座壁傳遞大部分熱量到河水中。由圖2可知，定子鐵心與定子機座的溫度場沿徑向呈現階梯狀分布趨勢，溫度由內徑側至外徑側逐漸降低。定子機座溫差約20K，顯示了機座壁良好的導熱性，定子鐵心與機座之間的間隙導致了二者溫度存在15K左右的跳躍。

圖2 定子溫度場分布

由圖2可知，定子鐵心溫度，尤其是鐵心齒部溫度沿軸向呈現“低-高-低”的分布趨勢，從下游側至上游側先升高后降低，齒部最高溫度位于上層線棒上游側1/4處。

由圖3可知，上層線棒最高溫度為110.4℃，溫升73.0K，下層線棒最高溫度104.2℃，溫升66.8K。由于槽楔、層間墊條的“隔熱”作用，鐵心段對應的上層線棒銅芯溫度高于下層線棒銅芯約8K。測溫電阻埋置區域（軸向高度正中間位置）平均溫度約為103.9℃。

由圖4熱流密度分布圖可知，定子鐵心軛部與機座壁熱流密度[13]較大，整個定子損耗[14-15]產生的熱量大多數通過機座壁散出，少部分熱量通過鐵心內圓表面散出。通過計算，該電站河水帶走的熱量占整個定子總損耗發熱量的59.6%。

圖3 線棒溫度場分布（左：含主絕緣；右：裸銅排）

圖4 定子熱流量密度分布（左：軸向右：橫向）

由表2可知，計算結果與現場實測數據比較接近，說明利用ADINA有限元軟件進行定子溫度場計算具有較高的準確性。

表2 計算結果與實測結果對比

3.2 間隙值、河水溫度對溫升及散熱量的影響

三維定子溫度場影響因素復雜、影響變量繁多。本文采用單一變量法，假設線棒損耗、鐵心損耗、渦流損耗、冷風溫度以及轉速等因素為恒定值，著重研究線棒與槽的間隙、定子鐵心與機座的間隙、河水溫度等因素對線棒溫升以及河水散熱量的影響。定子橫截面間隙如圖5所示。

圖5 定子橫截面間隙示意圖

圖6 線棒與槽的間隙值與線棒溫升的關系曲線

圖7 線棒與槽的間隙值與熱量占比的關系曲線

由圖6可知，線棒與槽的間隙值與線棒溫升大體呈現線性增長的關系，間隙值每增加0.01mm，線棒溫升增加0.6K左右。由圖7可知，間隙值每增加0.01mm，河水帶走的熱量占比降低0.1%左右。

圖8 鐵心與機座的間隙值與線棒溫升的關系曲線

圖9 鐵心與機座的間隙值與熱量占比的關系曲線

由此可見，定子鐵心與機座的間隙值對整個定子溫度場的分布影響較大。為降低線棒溫升，設計、安裝過程中，應首要考慮降低此間隙值。

（3）河水溫度

以2℃為步長，分別計算在15~35℃范圍內的溫升及散熱量變化規律，結果如圖10、11所示。

圖10 河水溫度與線棒溫升的關系曲線

圖11 河水溫度與熱量占比的關系曲線

如圖10所示，河水溫度在15~35℃的范圍內，與線棒溫升呈現線性增長的關系，河水溫度每增加1℃，線棒溫升增加0.6K左右。圖11表示河水溫度與熱量占比的變化曲線，河水溫度每增加1℃，河水帶走的熱量占定子總損耗發熱量的比值降低0.3%左右。

不同地域、不同季節的河水溫度存在一定程度的差異，進行河水溫度對線棒溫升關系的研究，為貼壁結構貫流式機組冷卻系統的結構設計提供定量參考。

4 結論

（1）利用有限元軟件ADINA對定子溫度場進行計算，計算結果與現場實測值接近，說明有限元軟件進行定子溫度場計算具有較高的準確性。

（2）通過解析案例，確定河水帶走熱量約占定子總損耗發熱量的60%。

（3）線棒與槽的間隙值與線棒溫升、熱量占比近似呈現線性變化的關系。間隙值每增加0.01mm，線棒溫升增加0.6K左右，河水帶走的熱量占定子總損耗發熱量的比值降低0.1%左右。在貼壁結構燈泡式水輪發電機中線棒與槽的間隙值對整個定子溫度場的分布影響較小。

（4）鐵心與機座的間隙值與線棒溫升、熱量占比近似呈現線性變化的關系。間隙值每增加0.01mm，線棒溫升平均增加2.2K左右，河水帶走的熱量占定子總損耗發熱量的比值降低0.94%左右。定子鐵心與機座的間隙值對整個定子溫度場的分布影響較大。

（5）河水溫度與線棒溫升、熱量占比大體呈現線性變化的關系。河水溫度每升高1℃，線棒溫升增加0.6K左右，河水帶走的熱量占定子總損耗發熱量的比值降低0.3%左右。

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Thermal Field Analysis for Holistic Bulb Turbine Generator Stator Using Finite Element Method

WANG Hui, WANG Xiaofang

(Toshiba Hydro Power (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310020, China)

The stator thermal field of a holistic bulb turbine generator is analyzed by ADINA software, and it is shown that the calculation results are very close to the real-running data. Based on the FEM model, this paper studies how the clearances (the clearance between the stator frame and core, the clearance between coil and slot) andriver water temperature influence the coil’s temperature andthe quantity of heat taken away by the river, and it provides references for the design of bulb turbine generator stator.

bulb turbine generating unit; holistic stator; stator thermal field; FEM; ADINA

TM301.3

A

1000-3983(2018)02-0040-05

2017-10-25

王輝（1986-），2011年畢業于浙江工業大學固體力學專業，碩士，主要從事水輪發電機設計和有限元解析工作，現任東芝水電設備（杭州）有限公司CAE計算中心主務，工程師。