1000MW水輪發電機轉子高效冷卻技術研究

鄭小康，張天鵬，劉云平，羅永剛，李冬梅，王 超

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

白鶴灘水輪發電機單機容量高達1000MW，但相對溪洛渡、三峽等700～800MW容量等級的水輪發電機，由于受限于轉子外圓線速度和超長鐵芯壓緊難度，其幾何體積并未隨容量的增加而線性增大（部分參數對比見表1）。這意味著發電機單位體積內的機電能量轉換量大幅增加[1]，定轉子等發熱部件的冷卻難度也隨之大幅增加。如果沿用傳統的冷卻結構，由于其較低的冷卻空氣利用率，需要大幅增加冷卻風量才能滿足白鶴灘發電機的冷卻需要。風量的增加一方面會繼續降低熱交換效率，另一方面會引起通風損耗的大幅增加，限制電機效率的進一步提升[2]。同時，由于發電機結構尺寸的增大，定轉子溫升需要被嚴格控制，以降低內部熱應力，保證機組長期安全穩定可持續運行[3]。隨著技術進步和發電機容量的進一步提升，這樣的矛盾會更加突出。

白鶴灘發電機額定效率保證值為99.01%，為迄今為止水輪發電機的最高水平。為實現這一目標，電機冷卻風量被嚴格限制以降低通風損耗。與此同時，勵磁繞組平均溫升的保證值僅為58K，遠低于國家標準和類似機組設計值。白鶴灘發電機每極容量為常規水輪發電機的最高水平，為20.58MVA。雖然這一標志磁極冷卻難度的參數相對仙游、仙居等發電電動機略低，但白鶴灘發電機勵磁繞組平均溫升的指標卻更為嚴格，而且這一指標還是在低風量的嚴苛條件下需要實現的。因此，白鶴灘發電機需要在當前發電電動機轉子冷卻結構的基礎上做進一步突破。本文從研究機理著手，并結合溫度場計算和模型試驗，對應用于白鶴灘1000MW水輪發電機的轉子高效冷卻技術進行介紹。

表1 部分大型水輪發電機參數對比Table 1 Parameter comparison of some giant hydro generator

1 勵磁繞組冷卻研究機理

電機熱穩定時，勵磁繞組損耗熱主要依靠流經表面的冷卻空氣帶走，損耗的傳遞路徑可近似理解為：損耗在銅排本體產生，經銅排熱傳導至線圈表面，再與冷卻空氣進行對流熱交換[4]。因此勵磁繞組對冷風的溫升可以近似用下式表達：

式中θg——流過轉子的空氣平均溫升，K；

θs——勵磁繞組表面溫升，K；

θt——線圈內部與表面溫差，K；

Pr——勵磁繞組損耗，kW；

cg——空氣體積比熱，kW/m3；

ρg——空氣密度，kg/m3；

Qg——冷卻風量，m3/s；

As——勵磁繞組散熱面積，m2；

αs——勵磁繞組表面對流散熱系數，kW/（m2·℃）；

lt——熱傳遞路徑長度，m；

At——熱傳遞路徑截面積，m2；

λt——熱傳導系數，kW/（m·℃）。

通常，流過轉子的空氣溫升θg并不高，一般在5～15K之間。由于白鶴灘發電機冷卻風量的限制，降低勵磁繞組溫升主要從降低繞組表面溫升θs和線圈內部與表面溫差θt著手考慮。

1.1 降低繞組表面溫升θs

對于勵磁繞組表面，若要增加散熱系數αs，需要提高空氣的流速，減小極間距，同時增加散熱表面的粗糙度[5]。由于白鶴灘相比溪洛渡等類似的大型水輪發電機而言，極間距、轉子外圓額定線速度等參數都比較接近，而且線圈都采用了散熱翅或散熱匝結構以提高散熱表面粗糙度和散熱面積，區別也不大。因此提高白鶴灘發電機磁極線圈表面散熱系數αs的手段有限，作用也有限。降低繞組表面溫升θs主要考慮從增大繞組散熱面積As入手。

常規水輪發電機的勵磁繞組僅依靠外表面進行散熱，盡管采用銅排散熱翅結構可以增大散熱面積，但增幅有限。發電電動機普遍應用線圈與鐵芯間部分架空的通風結構，也即通常所說的內外表面散熱方式。這種通風結構由于增加了線圈內側和極身之間的狹窄風道，相比單一的外表面散熱，能夠增加10%～20%的散熱面積，結構原理如圖1所示。而從表2中的數據可以看出，白鶴灘發電機即使采用發電電動機的現有冷卻方案，將磁極線圈的散熱面積增加11%，冷卻條件相比溪洛渡也并無優勢。

為此，在白鶴灘發電機上創新地開發了轉子空內冷技術——即在磁極銅排本體直接開設通風孔，在原結構內外表面冷卻技術的基礎上增加了內部冷卻風道。該技術可以大幅增加磁極線圈的散熱面積，增幅達33%，保證白鶴灘發電機磁極線圈冷卻條件優于溪洛渡發電機。

圖1 常規發電機（左上）、發電電動機（左下）、白鶴灘發電機（右）磁極線圈冷卻示意Figure 1 Schematic for winding cooling of normal generator （U.L.），generator-motor（L.L.），and BHT generator（R）

表2 白鶴灘與溪洛渡發電機勵磁繞組散熱條件對比Table 2 Cooling condition comparison between BHT & XLD generator

1.2 降低線圈內部與表面溫差θt

由于勵磁繞組內部的熱傳導方式基本是確定的，繞組和絕緣材料也都是一樣的，因此其熱傳遞路徑截面積At和熱傳導系數λt也都不會有太大變化。由式（1）可知，降低θt的主要手段應當著眼于縮短熱傳導路徑長度lt。

常規發電機采用的傳統冷卻結構，線圈熱量僅能傳遞至外表面進行熱交換，熱傳導路徑較長。而發電電動機通過在局部區域增加內表面散熱，將此區域內的熱量傳導路徑長度縮短了一半，提高了傳熱效率。所以即使散熱面積僅增加了10%～20%，發電電動機在每極容量大幅提高的情況下，依然能保證勵磁繞組溫升滿足要求。

而白鶴灘發電機通過采用轉子空內冷技術，換熱區域直接設置在了銅排內部即熱源本體，進一步大幅縮短了傳熱路徑，傳熱效率可以獲得進一步的大幅提升。

因此，白鶴灘發電機采用轉子空內冷高效冷卻技術，一方面大幅增加了磁極線圈的散熱面積，同時另一方面又大幅縮短了傳熱路徑。勵磁繞組的冷卻條件相比常規發電機和發電電動機都有了大幅改善，有條件實現嚴苛不利條件下的高效冷卻。

2 模型試驗驗證

在轉子空內冷技術研究的初步階段，為了驗證該技術的實際應用效果和溫度場計算方法的計算精度，依據初步的結構設計方案，建立了轉子空內冷靜態模型試驗裝置，開展了技術的熱模型試驗驗證。試驗裝置的原理圖和實物如圖2所示。

靜態熱模型試驗數據及對相應結構的有限元溫度場仿真計算結果對比見表3。

表3 靜態熱模型試驗數據Table 3 Data of the static experiment

從表中數據可以得出以下結論：

（1）試驗數據中，內冷孔風速為0時即對應傳統冷卻結構，此時磁極繞組平均溫升高達124K。根據計算，通風孔內風速為15～20m/s，此時的磁極線圈平均溫升僅為54～57K，相對傳統結構下降近70K，充分證明了空內冷技術的高效性。

（2）模型試驗結果與計算結果吻合度很高，說明有限元溫度場仿真計算的精度滿足工程設計和應用要求，能夠對技術應用效果進行準確預判。

圖2 轉子空內冷技術靜態熱模型試驗裝置Figure 2 Schematic and device for Static experiment

3 勵磁繞組溫度場計算

轉子空內冷技術在1000MW水輪發電機應用的工程設計方案，相對初步研究階段的方案，在內冷孔布置、尺寸、分布等方面進行了優化和調整。為預估勵磁繞組在低風量下的散熱效果，結合研究階段經過驗證的仿真計算方法，對工程設計方案進行了CFD溫度場分析計算[6-9]。計算模型取轉子一個磁極軸向一半，包括極身、極靴、繞組、端部擋風板、磁軛、支架及周圍冷卻氣體。圖3為轉子計算模型。

圖3 溫度場計算模型Figure 3 Calculation model of temperature field

溫度場計算時，邊界條件給定如下：

（1）冷卻空氣入口設為轉子支架入口，出口設為定子風溝及擋風板間隙；

（2）發電機有效總風量設為300m3/s，冷風溫度設為40℃；

（3）發熱源按電磁設計給定。

對繞組溫升進行了三種工況下的計算：

（1）僅考慮外表面冷卻工況，即對應常規機組的傳統冷卻技術；

（2）考慮內外表面冷卻工況，即對應發電電動機的內外表面冷卻技術；

（3）白鶴灘發電機應用的轉子空內冷技術。

計算結果如表4和圖5所示。從表4中數據可以看出，應用空內冷技術之后，白鶴灘發電機勵磁繞組評價溫升僅55K，滿足要求；如果考慮內冷孔失效，溫升會增加8K，至63K；而只考慮外表面冷卻時，溫升會增加21K，至76K。空內冷技術的高效性體現無余。

表4 白鶴灘勵磁繞組平均溫升計算結果Table 4 Calculation result of average temperature rise of excitation winding for BHT K

而對勵磁繞組的溫度場和流場分析結果（見圖5）表明：內冷風孔背風面平均風速12.3m/s，迎風面10.7m/s，差別不大。因此應用空內冷技術后，勵磁繞組迎風側和背風側的溫差得到了明顯改善。

為進一步準確論證轉子空內冷技術對降低冷卻風量以提高電機效率的意義，對白鶴灘勵磁繞組在內部冷卻區完全失效即采用傳統冷卻方案，勵磁繞組平均溫升滿足58K要求的同等條件下，對需求的電機冷卻風量進行了反向計算。計算表明，此時需要總風量約為385m3/s，計算結果如圖6所示。也就是說，應用轉子空內冷技術，白鶴灘發電機所需冷卻風量減少了85m3/s（約22%），初步計算可以降低通風損耗約1000kW，可以提高電機效率0.1個百分點。

另一項計算結果也可以對空內冷技術的高效性做出注解：計算分析表明，流經內表面和內冷孔的內部冷卻區總風量為35m3/s，僅為總風量的11.7%，但經其帶走的繞組損耗為690kW，高達繞組總損耗的37%。即內部冷卻區以一成的風量帶走了將近四成的損耗，對轉子空內冷技術的高效性進行了進一步的驗證。

圖4 不同冷卻條件下勵磁繞組溫度場分布Figure 4 Temperature field of different cooling conditions

圖5 迎、背風側內冷孔風速和繞組溫升分布Figure 5 Wind velocity and temperature distribution of windward and leeward

圖6 相同溫升下不同冷卻結構需求風量計算結果（a）空內冷技術，風量300m3/s；（b）傳統冷卻技術，風量385m3/sFigure 6 Air volume requirement for different cooling tech. at the same temperature achievement

4 結束語

轉子高效冷卻技術的研究機理是通過在熱源本體即銅排上開設內冷孔，大幅增加線圈的散熱面積，同時大幅縮短了熱傳遞路徑，從而大幅改善勵磁繞組的冷卻條件。

白鶴灘1000MW水輪發電機應用轉子空內冷技術，可以實現低風量嚴苛條件下勵磁繞組的高效冷卻，而且迎背風側的溫差也得到了明細改善。

計算表明，轉子空內冷技術可以大幅減少電機對冷卻風量的需求，進而大幅降低通風損耗以提高電機效率。而對內部冷卻區散熱能力的計算也對該技術的高效性進行了充分驗證。

通過增加空內冷區域，該技術還具備進一步的發揮空間，可以進一步壓縮總風量，進一步提高電機效率。反之，通過增加冷卻風量同時增加空內冷區域，該技術可以應用于更大容量和更高勵磁繞組損耗的水輪發電機。