基于縱向渦發生器的定子通風系統溫度場優化研究

童水光，唐 寧，董成舉，從飛云，趙 威

(浙江大學機械工程學院，浙江杭州310027)

0 前 言

水輪發電機電機發熱問題一直是工程中備受關注的研究領域。水輪發電機內的溫度場分布是多個物理場相互耦合，相互影響的結果。電機內部的通風散熱主要是以對流換熱的方式進行的，其中定子部分的換熱是很重要的一部分，許多專家學者在這個方面做了大量卓有成效的工作。

霍菲陽等[1]在保持電機總尺寸、損耗和通風溝數量不變的前提下，改變鐵厚度以及在保持電機總尺寸和損耗不變，增加通風溝的數量同時減小通風溝尺寸兩種方案下研究通風溝結構尺寸等幾何量變化對電機溫度場的影響。結果表明兩種方案下電機內溫度較高的結構件溫度計算值均有下降。張帆等[2]研究了定子扇形片和封膠厚度為定子溫度場的影響。溫嘉斌等[3- 4]在定子通風槽鋼長度不變的基礎上，改變定子通風槽鋼近軸端徑向位置來分析定子通風溝繞組兩側的流動特性，結果表明定子通風槽鋼近軸端的徑向位置對定子通風溝內的冷卻影響較大。本文以某型貫流式水輪發電機為參考模型，采用有限體積法對發電機定子部分通風溝內的流場和溫度場進行了分析，然后在定子通風溝內靠近線圈壁面高溫區域設置縱向渦發生器改進其通風散熱效果，在此基礎上研究了縱向渦發生器的沖角和高度等幾何因素對散熱效果的影響。

1 通風系統分析計算模型及方法

1.1 物理模型

對于軸徑向通風冷卻方式的燈泡貫流式水輪發電機由于其結構具有對稱性，定子通風系統溫度場模型在軸向取一層通風溝，圓周方向上選取3個齒距以提高計算結果的準確性，如圖1 所示。其中包括定子鐵心，定子線圈。

圖1 定子通風系統物理模型

1.2 基本假設與邊界條件

基本假設：①徑向風溝內的雷諾數很大，因此采用湍流模型來進行計算；②為計算簡便，使上下層線圈合并在一起作為熱源，同時槽楔也近似為與槽等寬；③本文只研究通風溝內穩定的流動狀態，故流動屬于定常流動。

定子通風系統流場及溫度場計算邊界條件：①線圈與通風溝接觸表面和通風槽鋼兩側均為無滑移邊界條件，在這些面上流體的速度為零；②通風溝的入口采用速度入口條件，出口采用壓力出口條件壓力設定為一個標準大氣壓；③入口流體的溫度為313 K。

本計算采用FLUENT商業軟件進行，整個計算區域共有約529 801個有限體單元，94 752個節點。

本文中控制方程的離散采用有限體積法，對流項的離散采用二階迎風格式，擴散項采用中心差分格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法。具體控制方程見文獻[5]，此處不再贅述。

2 流場及溫度場計算結果與分析

2.1 溫度場計算結果

通過溫度場計算可得定子通風系統溫度分布情況。取模型軸向中面，得到額定工況溫度場分布如圖2所示。

圖2 通風系統溫度場分布(單位：K)

由溫度場云圖可以看到，定子通風系統溫度分布仍關于槽鋼對稱分布。線圈部分溫升較高，是整個計算模型的最高溫度區域。齒部靠近線圈部分溫度較高，主要是因為靠近熱源區域，另外由于邊界層的存在也阻擾了流體與線圈表面的換熱。軛部高溫區域主要集中在線圈的后面，此處與流場分析中漩渦存在區域對應起來。同時可知圖2中方框所示區域溫度較低，冷卻氣體的冷卻能力未能充分利用。

通過以上分析可知，若能充分利用冷卻氣體的冷卻能力，降低定子鐵心齒部接近線圈的壁面以及線圈后面的軛部部分的溫升，可最終降低線圈部分的最高溫升。因此如何充分利用這部分氣體的冷卻能力是定子通風系統散熱優化的一個關鍵問題。

2.2 試驗結果對比

為了比較水輪發電機定子線圈溫升情況，采用埋置檢溫計法測定定子線圈的溫度。根據規定電阻埋置在定子槽內上下層線圈之間位置。把額定工況下在定子線圈測得的溫度與數值計算結果進行對比。由于測點較多，因此取12個測點溫度平均值與相應位置計算得到的溫度平均值進行對比，實測值為368.7 K，計算值為362.9 K。計算結果誤差在一定的范圍內比較可靠，說明采用所給定的基本假設和邊界條件計算定子通風系統溫度場的有效性。

3 基于渦發生器的散熱優化方法

定子鐵心齒部貼近線圈的壁面以及線圈后面的軛部由于靠近線圈，表面具有一層熱邊界層，熱邊界層的存在降低系統的散熱效果。同時通過分析可知定子通風槽內冷卻氣體冷卻能力未能充分發揮。因此減薄線圈壁面的熱邊界層并充分利用冷卻氣體冷卻能力可增強系統的散熱效果。在定子通風溝內設置縱向渦發生器是一種增強散熱改進方案。

3.1 縱向渦發生器研究

縱向渦發生器相當于傳熱表面的一種特殊延伸方法，流體經過縱向渦發生器后能產生縱向漩渦，這是一種旋轉方向與流體流動方向一致的二次流，它能破壞流體的流動邊界層和熱邊界層，擾亂流體的流動，增強冷熱流體之間的混合[6- 9]。

過增元教授[10]從速度場和溫度場的協同性角度分析流動換熱過程，提出了場協同理論，并得到傳熱過程中的無量綱關系式

(1)

(2)

3.2 增加縱向渦發生器后的溫度場計算結果

本文考慮通過在定子通風溝內設置縱向渦發生器增強散熱，并改變縱向渦發生器的幾何因素以觀察其最佳增強散熱設置方案。

模型中最高的溫度區域是線圈部分，所以把縱向渦發生器設置在齒部通風溝內貼近線圈處。本文中設置縱向渦發生器與來流的的夾角為45°，模型結構如圖3所示，通風溝的層間高度為8 mm，此處設置渦發生器的高度為5 mm。

圖3 帶渦發生器的定子通風系統

經分析在定子通風溝齒部設置了縱向渦發生器之后，縱向渦發生器后方形成了明顯的縱向渦，縱向渦將高能量的流體引向齒部線圈表面，整個通風系統中最大風速也由未設置縱向渦發生器時的19.3 m/s增大至23.7 m/s。由于縱向渦的存在，齒部通風溝內的湍流程度明顯增強，這都有利于減小邊界層流的高度，增強散熱效果。線圈的最高溫度為354 K，比著原來的模型降低了9 K，說明縱向渦發生器對于散熱效果的增強有一定的作用。

3.3 渦發生器沖角對散熱效果的影響分析

沖角是縱向渦發生器的長度方向與來流氣體流動方向的夾角。為研究沖角大小對縱向渦發生器增強散熱效果的影響，本文在縱向渦發生器的位置，尺寸等因素不變的情況下設置若干組不同沖角(15°、30°、45°、60°、75°、90°)的縱向渦發生器結構，分別研究相應情況下流場及溫度場的分布情況，通過計算得到最高溫度結果如圖4所示。

圖4 最高溫度隨縱向渦發生器沖角的變化

在沖角為45°時散熱效果最為明顯，縱向渦發生器后產生的渦主要為縱向渦，而沖角大于45°后其后產生的渦橫向渦的成分越來越多，沖角為90°時其后產生的全部為橫向渦[11]。

為了研究縱向渦發生器高度對散熱效果的影響，設置了多組對比模型，定子通風溝的垂直高度為8 mm，故縱向渦發生器的高度設置為1～7 mm。同時由于入口風速的變化對通風系統的溫度場較大的影響，故本文在改變縱向渦發生器高度的基礎上設置了9組不同的入口風速(2～18 m/s)進行比較分析。

圖5為最高溫度的下降量隨縱向渦發生器高度的變化，橫坐標為縱向渦發生器的高度，縱坐標是相比未設置縱向渦發生器通風系統最大溫降的絕對值。圖6顯示的是同一高度的縱向渦發生器在不通風速下對散熱效果的影響，縱坐標為通風系統入口處的風速，縱坐標為在相應的風速及縱向渦發生器高度下通風系統的最高溫度值。

圖5 最高溫度隨渦發生器高度降低量

圖6 最高溫度隨入口風速變化量

由圖5可知，在控制風速不變的情況下，隨著縱向渦發生器的高度增加通風系統最高溫度一直在下降，且變化值越來越大。由于縱向渦發生器高度的增加，其擾流的能力逐漸增強，通風系統內流體的湍流度增大，故可以帶走更多的熱量。隨著高度的增加，這種影響逐漸變小，雖然仍然可以帶走更多的熱量但是對流體流動的阻力也變得更大。從圖中可以看出，在高度為1～5 mm時隨著高度的增加溫度的變化較明顯，5 mm之后溫度的變化相對較緩慢，因此在本文中5 mm是最合適的縱向渦發生器高度值。

從圖5及圖6中還可得到，風速對縱向渦發生器的散熱作用也有很大的影響。風速范圍在2～12 m/s范圍時，縱向渦發生器對散熱效果的影響非常明顯，圖中可知在風速為2 m/s時最大溫降甚至可達34 K。風速較大時，縱向渦發生器對通風系統的散熱仍具有一定的影響，但是影響相對低風速時較小，在風速為18 m/s時最大溫降僅為7 K。隨著風速的增大，通道內的流體雷諾數增大，流體的湍流程度增加。縱向渦發生器本身是通過增強擾流，減小邊界層厚度，增大湍流來增強散熱效果的，故隨著風速的增加湍流度已經增加到很大的程度，縱向渦發生器的影響相對也就減弱。

4 結 論

(1)定子通風溝內設置縱向渦發生器可以改變定子風道內空氣的流動狀態，增加擾流，帶走更多熱量，實現增強通風系統散熱效果的作用。

(2)定子風道內縱向渦發生器的沖角和高度可以影響其增強散熱的效果。在同樣的適當風速及縱向渦發生器高度條件下，沖角在45°時散熱效果最為明顯。高度的增加由于能夠帶來更大的擾流效果，也可增強散熱，但高度增加對散熱效果的影響會隨著風速的增加而逐漸變小。在適當風速及沖角情況下考慮加工以及阻力等因素，其高度在5 mm時散熱效果最佳。

(3)目前在定子通風溝內進行類似的結構改進較少，對于渦發生器的結構尺寸和分布形式對散熱的影響仍有很多可以研究的內容。另外在計算過程中一些地方考慮到計算機水平給予一定的簡化，這在以后計算機水平的發展中可以逐漸完善。