半水冷水輪發電機定子線圈穩態溫度場分析

童旭松，宋德強，劉平超

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半水冷水輪發電機定子線圈穩態溫度場分析

童旭松1，宋德強2，劉平超1

（1. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2. 黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江 牡丹江 150070）

本文利用有限體積法對一臺460MW半水冷水輪發電機定子線圈穩態溫度場進行了共軛傳熱計算研究，減少了經驗性參數對計算結果的影響。計算結果表明：水溫、銅溫沿水流方向逐漸增加；線圈中各截面水、銅平均溫度及銅最高溫度與截面和水路入口的間距成近似線性關系，且三者沿水流方向變化程度相近。

半水冷水輪發電機；穩態溫度場；有限體積法；共軛傳熱

0 前言

作為發電機設計的關鍵指標之一，溫升的大小直接關系到發電設備的壽命及運行可靠性，所以良好的冷卻系統起著至關重要的作用。目前主要的冷卻方式有空冷[1-2]、氫冷[3-4]、水冷[5-6]及蒸發冷卻[7-8]等方式。本文中的水輪發電機定子線圈電流密度高，宜采用半水冷冷卻方式，即定子線圈為水冷方式，其他各部件由空氣冷卻。當前對于水冷、半水冷冷卻技術及其冷卻作用下定轉子溫度場計算的研究較多：魯長彬等對水內冷定子溫度場進行了有限元分析，并以劉家峽機組為例將計算結果與實驗數據進行了比較，二者較為吻合，驗證了有限元方法的可靠性[9]。董韶峰等通過計算的方式研究了水內冷汽輪發電機的定子溫度場分布，并模擬了水路堵塞對定子溫升的影響[10]。王紅宇等分別采用了熱-流體耦合有限元方法和網絡模型方法對三峽定子溫度場進行了分析研究[11-12]。除了在發電設備領域的研究，和偉超、李子健及Ping Zheng等對于水冷技術在電動車領域的應用也進行了一系列關于冷卻系統設計及溫升計算的研究[13-15]。

就目前的研究情況可以發現，對于采用半水冷方式的定子線圈溫度場研究主要還是通過有限元及網絡模型的方法進行的，即使是采用熱-流體耦合的方法也由于模型尺寸及網格劃分等限制只能進行局部分析。本文則是假設定子線圈產生的損耗全部由水帶走，利用有限體積法對一條水路長度上的銅與水之間的共軛傳熱進行了直接的整場分析計算，減少了人為經驗參數對計算結果的影響。

1 模型、網格劃分及計算方法

由于定子線棒采用水冷方式，計算時假設線棒產生的損耗全部由水帶走。線棒水路由三根上層線棒和三根下層線棒組成。為方便建模及網格劃分，建模時將線棒展開拉直且不考慮匝間的沿程換位，其中上層線棒的拉直長度為4.88m，下層線棒的拉直長度為4.92m，總長度為29.39m。線棒橫截面尺寸如圖1，由于其截面為典型的對稱結構，所以為了節省計算資源，取其1/4作為計算域，即圖中虛線標示處。

將圖1中計算域沿水路方向拉伸29.39m即得到對應的三維模型，如圖2（a）所示，建模時匝間絕緣利用無厚度面代替。為提高網格質量以保證計算準確性，對實體模型進行網格劃分時均采用六面體結構網格。計算中考慮到對流體附面層的求解以及銅與流體的換熱作用，所以在近壁面對網格進行了加密，第一層網格節點與壁面的距離為0.1mm，網格總數約為450萬，網格剖分如圖2（b）所示。

圖1 線棒橫截面尺寸圖

圖2 模型及網格剖分示意圖

共軛傳熱問題的求解在Fluent中完成，且認為此傳熱過程為定常的。因為涉及傳熱問題，所以需要對能量方程進行求解。湍流模型選用Realizable k-ε，對于粘性底層的處理，這里采用Standard Wall Functions壁面函數。

邊界條件如圖3所示，水路入口為質量流量入口，對應側水路出口為壓力出口，并將Target Mass Flow Rate設置成與入口處相同的數值，以保證水路流量為定值。水路中間面設置為對稱邊界條件。不同材料間的每對接觸面設置為Coupled耦合邊界。建模時，線圈中的匝間絕緣利用無厚度面代替，在求解器中將其設置為0.5mm厚的絕緣材料即可，采用這種設置及求解方法可以帶來三個好處：第一，可以有效降低建模及網格劃分的復雜性；第二，能夠減少網格數量；第三，不用考慮銅材料傳熱的各向異性問題。圖中其余外表面均為絕熱面。邊界條件及線圈損耗設定值見表1。

表1 邊界條件及線圈損耗

圖3 邊界條件示意圖

2 計算結果

圖4給出了沿水流方向不同截面的溫度分布云圖，其中=0m和=29.39m兩個截面分別為水路入口端及出口端。從云圖中可以看出，水流和線圈溫度在入口端溫度均最低，隨著水流沿程逐漸升溫換熱性能變差，線圈溫度沿程也在升高，且在出口端達到最大值。此外，如圖4所示，圈出位置即各截面的高溫區，結合圖1及圖2（a）可發現此高溫區發生在頂匝空心線圈相鄰的實心線圈處，且靠近主絕緣拐角。高溫區域均發生在此位置的原因有兩個：第一，頂匝空心線圈為單匝，其他3處中部空心線圈均為雙匝，這導致了頂匝空心線圈中水量僅為其他中部空心線圈水量的一半而使其帶走的熱量少；第二，頂匝空心線圈位于中部，而其他空心線圈均布于兩側，這使二者之間的熱量傳遞不均勻，靠近主絕緣位置處的熱量不易被水帶走。

從云圖中定性直觀地分析了沿水路方向（即Y方向）各截面溫度的變化情況。下面將各截面中的溫度變化進行定量分析，如圖5所示。圖5中給出了沿水流方向不同截面水的平均溫度（加權平均值）、銅的平均溫度（加權平均值）以及銅的最高溫度值，各溫度值的變化趨勢與云圖中的變化情況一致，均有所升高。其中出口的水溫平均值、銅溫平均值及銅最高溫度值相對入口的分別增長了35.65%、32.54%、29.51%。此外，從圖中可以看出各截面溫度同該截面與水路入口的距離成近似的線性關系，水平均溫度變化、銅平均溫度變化、銅最高溫度變化的斜率分別為0.61、0.61、0.59，三者斜率相近，即變化程度相近，截距即為入口處各自溫度值。

圖4 沿水流方向不同截面溫度云圖分布

圖5 各截面水平均溫度、銅平均溫度及銅最高溫度

綜上所述，線圈中水、銅平均溫度及銅最高溫度沿水路流向均會增加，各值與截面和水路入口間距成近似線性關系，且三者沿程變化程度相近。

3 結論

利用Fluent進行定子線圈水冷共軛傳熱計算可以直接對水與銅之間的換熱進行求解，減小了人為輸入經驗性參數對結果產生影響的問題，并且通過建立無厚度面來模擬匝間絕緣，從而不用考慮銅傳熱的各向異性問題。從計算結果的分析還得到了以下結論：

（1）水溫、銅溫沿水流方向會逐漸增加；

（2）各截面線圈中水、銅平均溫度及銅最高溫度與此截面和水路入口的間距成近似線性關系；

（3）同一線圈截面中水、銅平均溫度及銅最高溫度相對入口截面處變化程度相近。

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Analysis on the Steady-state Temperature Field of a Half-water-cooled Hydro-generator Stator Coil

TONG Xusong1, SONG Deqiang2, LIU Pingchao1

(1.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China;2. Heilongjiang Mudanjiang Pumped Storage Co., Ltd., Mudanjiang 157000, China)

In this paper, a conjugate heat transfer on the steady-state temperature field of a 460MW half-water-cooled hydro-generator stator coil is studied by using finite volume method, and the impact of empirical parameters is effectively decreased. The results show that the temperatures of water and copper gradually increase along the direction of water flow. The average temperature of cooling water and copper, and the maximum temperature of copper in each coil cross section have an approximate linear relation with the distance between the inlet and the cross section, and they change similarly along the direction of the water flow.

half-water-cooled hydro-generator; steady state temperature field; finite volume method; conjugate heat transfer

TM312

A

1000-3983(2018)03-0024-03

2017-08-10

童旭松（1972-），2005年畢業于哈爾濱理工大學，工程碩士，主要從事大型電機技術研究，高級工程師。