水輪發電機全空氣冷卻系統設計及其應用

張永平

（上海福伊特水電設備有限公司，上海 200240）

水輪發電機的冷卻方式有定轉子空冷（稱全空冷）、定子水冷轉子空冷（稱半水內冷）、定子水冷轉子水冷（稱全水冷或雙水內冷）和定子蒸發冷轉子空冷（稱蒸發冷卻）等，除全空冷以外，其它幾種冷卻方式均稱為內冷方式。

水輪發電機通風冷卻技術不斷發展的根本目的，在于更有效地帶走發電機內因各種損耗產生的熱量，從而控制發電機的溫升，提高發電機的安全性和效率。

目前大容量機組都采用全空冷技術。由于空氣在電機內流動的復雜性，以往借助實驗手段校驗計算結果，往往比較粗糙。計算手段對能否滿足工程需要，對優化機組性能和提高市場競爭力非常重要，本文系統地介紹水輪發電機全空冷系統現代設計和計算方法。

1 全空氣冷卻系統設計

通風冷卻的設計目標是保證必需的冷卻風量；風量分配合理，防止過熱；減少損耗，提高效率。全空冷是指定子鐵心、定子繞組、匯流銅環、轉子繞組、轉子鐵心均為空氣冷卻。目前大型水輪發電機基本上都采用無風扇雙路端部回風系統。該系統又可細分為固定擋風板和旋轉擋風板兩種結構，它們的區別主要是在上下兩端空氣密封方式所采用的擋風板固定方式有所不同。固定擋風板是采用了安裝在定子鐵心端部和懸掛在上機架上的擋風板相互配合引導氣流；下面的是固定在下機架制動器上的，典型設計結構見圖1。而旋轉擋風板則是安裝固定在轉子的磁極和磁軛的上下兩端上，隨轉子一起旋轉，定子端部也裝有與旋轉擋風板對應的橡膠或聚四氟乙烯密封板。典型設計結構見圖2。固定擋風板結構的發電機總風量略大于旋轉擋風板結構的風量，但旋轉擋風板結構更加簡潔，便于機組安裝和檢修。

2 全空氣冷卻系統通風計算

2.1 網絡法通風計算

2.1.1 基本要求

圖1 典型固定擋風板空冷水輪發電機通風系統

圖2 典型旋轉擋風板空冷水輪發電機通風系統

①實際產生的風量能滿足水輪發電機冷卻的需要，并有適當的裕量。②根據其損耗的大小合理分配空氣流量。③風路簡單，減少氣流的渦流、 摩擦等降低通風損耗。④有良好的加工工藝性，維護、檢修方便。⑤噪聲低。

2.1.2 通風計算的目的

一是已知水輪發電機冷卻需要的風量和主要尺寸，通過計算選擇合理的通風結構及確定風路的主要尺寸；二是根據以往經驗預先設計好水輪發電機通風結構，通過計算對其進行驗證。

通過計算驗算水輪發電機所采用的通風結構能否滿足帶走所有內部損耗的要求，即能否達到電磁計算要求的風量Qo，可以根據水輪發電機內需要空氣帶走的總損耗來計算：

式中：∑P為帶走的總損耗kW；Co為空氣定容比熱容，單位J/（m3·K）；△t為空氣流過發電機后的溫升，主要取決于空氣冷卻器的換熱性能，過去一般取20～25℃，目的對于優質冷卻器可以取到28～30℃。由于通風計算的偏差，計算風量通常要留一定裕量，通常取10%～15%，不宜取太大。風量太大會造成通風損耗的迅速增加，同時通風噪聲和機組振動也會相應惡化。

適當選取風路結構如壓力元件、阻力元件，或確定特定部位的形狀、過流面積等，通過控制這些部件的參數來影響發電機的總風量和風量分配。比如改變轉子進風口的大小和位置可以調控發電機的總風量，從而控制機座出風孔尺寸的大小可以調配端部風量的大小。

2.1.3 風路計算

在工程計算中，通常把水輪發電機通風系統用風路圖來表達，根據水輪發電機實際通風結構畫出等效風路。其中阻力元件代表水輪發電機不同部位的流休阻力，再通過風阻的串、并聯結合形成一個合成的風阻。在知道轉子（或風機）風扇特性的情況下，可以求出風路的流量、流速。風路計算方法主要有三種，即分析法、試探法和圖解法。

2.1.4 通風系統網絡矩陣算法

前述的三種方法來求解風路難度較大，會耗費大量的時間。目前大多采用網絡分析法來進行通風系統計算。

通風網絡與電路相似，但由于通風網絡特性呈非線性，需要預先進行假定：①水輪發電機在穩定狀態下工作，空氣處于連續、穩定的循環流動狀態。②不考慮溫度變化時空氣密度的影響。③空氣為不可壓縮的理想氣體。

基本關系式：根據質量守恒定律，同一風路流入和流出任意一個橫截面的冷卻空氣的質量流量應相等。對于網絡的每個節點都應滿足： ∑Qi=0 式中Qi為流入、流出節點的流體流量。

同樣，根據能量守恒定律和伯努利方程，每個閉合網絡回路，空氣流動壓力變化的總和為零，即∑△Hi=0 ， 式中：△Hi為沿回路的流體壓力降。上述兩式說明通風系統的流量、壓力與電路一樣遵循基爾霍夫定律。

通風網絡中，通過網絡阻力元件代表不同流道結構（如彎道、突然擴大或縮小段）、壓力源、流量源、傳熱單元等。對于不同特征的流阻，其流阻系數有不同的取值方法：一是根據實驗所得的經驗數據，二是通過流體力學公式計算得到。

2.2 通風系統CFD仿真計算

2.2.1 通風冷卻的數值分析

因網絡法無法對發電機的溫度場進行計算和分析，且在計算過程中忽略了流體的許多特性，而這些特性對于傳熱的影響很大。商用CFD軟件包具有豐富的物理模型、先進的數值計算方法和強大的后處理功能，在很大程度上彌補了網絡法計算中簡化過多的缺點。

2.2.2 CFD分析的前處理

模擬仿真是用模型模擬來代替真實系統進行數值實驗與研究的一種計算方法。首先按1：1尺寸以三維模式參照模擬對象的計算區域建立仿真實體模型。由于水輪發電機在圓周方向流場具有對稱的特點，可以取圓周上的一部分進行建模分析。如可以按1：2、1：4、1：8等比例建模，這些模型內的分析結構在發電機圓周上各部分具有代表性，數據也可以按比例推算到整機。建模軟件多種多樣，CFD軟件的前處理通常具有多種格式的輸入接口，可以接受不同格式的摸型圖形文件。

高質量的流場計算網絡對于提高流場仿真計算的效率和精度具有十分重要的意義。流場仿真網格類型有兩種：結構網格和非結構網格。結構網格特點：網格有規律，具有結構簡單、構造方便、容易計算、占內存小等優點。缺點也因此非常明顯：對復雜幾何形狀的適應能力差，對具有不規則復雜外形的實體很難滿足貼體性等要求。非結構網格舍去了網格節點的結構性限制，易于控制網格單元的大小、形狀及節點位置，靈活性好，對復雜外形的適應能力強，但其無規則性也導致了在模擬計算中存儲空間增大、尋址時間增長、計算效率低于結構化網格和計算時間長等缺點。

非結構網格大都采用最簡的幾何外形，如三角形（二維）與四面體（三維）單元，易于剖分不規則計算域，對于發電機的分析模型剖分，見圖3。可以采用結構化與非結構化網格相結合的方法。對于幾何形狀較規則的部件應盡量設法采用六面體（即結構化網格）；而對復雜結構，特別是幾何尺寸變化大的部件或空間，則只能采用四面體（即非結構化網格）。曲率較大的地方，網格定義密一些；曲率變化小的地方，網格定義疏一些，這種疏密還可以通過人為干預來調節。總之，網格的生成，一方面要盡可能減少計算單元數量，另一方有要保證網格的質量，同時，在流體流動狀態變化大的區域還要適當加密網輅，以真實模擬流場的微觀流態。網格生成后為進一步提高網格質量，可以對生成的網格進行優化，最常用的方法是用Laplacian迭代法。這種方法將內部節點移到該節點周圍三角元所組成的多邊形形心處，可對網格起光順作用。

網格檢驗通過后，分別對計算區域進行定義，同時將需特殊定義邊界的面和體單獨定義出來，整個前處理的工作完成。

表1

圖3 某水輪發電機CFD計算模型

2.2.3 CFD分析的邊界條件設置和仿真求解

對流動區域而言，邊界條件的內容通常為入口壓力、出口壓力、工作環境絕對壓力、流體入口溫度、流體介質的物理參數、流體內部發熱源等。對于固體計算區域，則通常需定義材料特性、表面粗糙度、是否旋轉、內部發熱源等。

描述發電機內流動和傳熱的控制方程包括：①連續方程。②動量方程。③動能方程。④紊亂動能耗散率ε方程。⑤對于可壓縮流體，密度可以由理想氣體定律確定。描述流體運動的方程屬于非線性守恒方程組，不能用解析的辦法求解，因此要由數值的方法求解。求解時，并不去求空間任意點和任意時刻的解，只對空間一定數目有限的離散點的解感興趣，這些離散點定義在事先構造好的網格節點上。

求解過程視計算對象規模的大小和物理模型的復雜程度不同，一般無需人工干預。通過對計算精度殘值的監視，計算者可以判定流場計算的收斂情況。設置合適的計算精度可以縮短計算周期。計算過程中，可以通過監視求解器的收斂曲線了解求解過程的收斂狀態。

2.2.4 CFD分析的后處理

計算結果對溫度、壓力、流速、傳熱系數等可用圖形、等值線或云圖、矢量圖甚至動畫的形式進行生動地演示，可直觀地看懂計算結果，舉例見圖4所示。

圖4 某水輪發電機空氣流線及速度分布

3 全空氣冷卻系統應用

國內外典型的全空冷水輪發電機統計數據見表1。

4 結語

全空氣冷卻系統在巨型水輪發電機組上得到普遍應用，空冷機組單機最大容量1000MW。從造價及維護安全可靠性的角度而言，能采用空冷的機組就不要用內冷。

水輪發電機中的流動與傳熱問題，一般都可以通過網絡法和CFD模擬計算軟件進行計算分析和研究，計算結果滿足工程實際需要。