空冷水輪發(fā)電機定子冷卻結構設計與分析

孫威

松花江水力發(fā)電有限公司吉林白山發(fā)電廠 吉林樺甸 132400

水能轉化為電能需要使用一種核心設備：水輪發(fā)電機，這類發(fā)電機在水力發(fā)電廠中得到了廣泛的應用。隨著人們對電力的需求量越來越大，水輪發(fā)電機的發(fā)電能力也變得越來越強，其中進步最大的是空冷水輪發(fā)電機。設備容量增大的同時，也就代表著電機在工作中升溫會很嚴重。設備溫度的升高會影響到電機的安全運行，電機工作時的穩(wěn)定性以及設備整體的使用壽命。而對于空冷水輪發(fā)電機來說，定子溫度最高的區(qū)域位于軸向中心[1]。但是定子升溫的規(guī)律不是恒定的，如果依然均勻分配冷卻空氣的流量于定子通風溝內，會導致生產(chǎn)的安全性受到影響。所以筆者將在下文探討如何解決電機溫升問題以及對以相應的冷卻方法進行了研究。事實上，電機溫升不只是定子繞組的因素，而是多個因素綜合作用的反映。電機主要產(chǎn)生熱源的地方是電機定子，電機定子在工作中還會出現(xiàn)繞組溫升不均勻的情況，而一個區(qū)域溫度明顯過高會導致電機結構有被擊穿的危險。所以在實際的工程中，就會將繞組的位置進行更改，以減少環(huán)流損耗。在進行電機定子溫度的分析時，要綜合考慮以下因素：繞組換位路徑，槽鋼、槽楔形狀，只有結合以上幾個因素，并同時將定子通風溝內的冷卻空氣合理的分配，才能很好的解決目前存在的問題。但是就目前國內對于定子冷卻結構設計的研究而言，對其本身的結構設計研究很少，遠遠不能解決目前空冷水輪發(fā)電機的溫升問題。因此，對以上因素進行分析，能對空冷水輪發(fā)電機的結構與冷卻設計產(chǎn)生不小的啟示。

1 模型設計

1.1 定子流體傳熱基本假設

定子在空冷水輪發(fā)電機中的結構是相當復雜的，在進行分析時，應該對研究模型給予以相應的簡化措施，現(xiàn)進行以下4點假設：①氣孔入口處的冷卻空氣分布均勻，且氣流路徑沿直徑直線方向通過此口；②由于聲速可以壓縮，而定子風速卻不能壓縮，可將不可壓縮流體類比于定子流體；③將主絕緣的熱性能等同于排間絕緣、股線絕緣、層間絕緣；④運用紊流模型分析整個問題，不考慮重力因素與流體浮力因素對定子通風溝流體場造成的影響。

1.2 設定數(shù)值條件

設定風路入口與出口處的分界面為通風溝，這是基于水輪發(fā)電機自身的導熱特性與通風結構確定的。可以如下條件：①速度入口由氣隙入口充當，對入口處施加沿直徑直線方向1．7m/s的風速，設定風的穩(wěn)定恒定為40℃。②壓力出口處的大氣壓要恒定為1標準大氣壓。③絕熱面的范圍設定為鐵心兩側截面，且截面兩側要垂直于軸向鐵心。

2 研究定子熱源時需要考慮的問題

可將槽鋼損耗忽略，因為槽鋼渦流損耗很小，不影響最后計算結果的準確性。將繞組換位路徑納入到計算需要考慮的因素中，能夠求解出定子旋轉一周全換位繞組的損耗，以及渦流損耗、歐姆損耗、環(huán)流損耗，求得出以上數(shù)據(jù)后，就可得出損耗密度。最后每股線的熱源可由繞組電密代入求得。注意以上的計算結果均應在電機額定功率下運行得出。

3 定子溫度場與流體場分析

通風溝內的溫度和冷卻空氣進入的速度與熱傳導，熱對流有著不可分割的關系，研究結論如下：

對于通風溝內的溫度與冷卻空氣的速度來說，在軸向長度分布均勻的通風溝內和定子鐵心段相差并不大。

以通風溝內的溫度與冷卻空氣的速度作為研究對象，定子結構對其影響較大。

在最根部的換位繞組處易出現(xiàn)來自于通風溝內冷卻空氣的渦流，在定子齒部出現(xiàn)了最大速度，在通風溝出口與繞組根部出現(xiàn)了最高溫度[2]。

以槽中心線為基準，來自于通風溝內冷卻空氣自身溫度與速度的變化都正態(tài)分布于槽中心線兩側。

結論：

（1）設定子個數(shù)與定子鐵心段軸向長度恒定，且通風溝軸向長度只在規(guī)定范圍內變化時，為獲得更高的通風溝內冷卻空氣溫度和速度，需控制越短的通風溝軸向長度。

（2）設通風溝個數(shù)與定子通風溝軸向長度恒定，且鐵心段軸向長度只在規(guī)定范圍內變化時，為獲得更高的通風溝內冷卻空氣溫度和速度，需控制越長的鐵心段軸向長度。

4 結語

在進行空冷水輪發(fā)電機定子冷卻結構分析時，需要綜合考慮繞組換位路徑，槽鋼、槽楔形狀等因素，才可以完成定子流體傳熱模型的設計。設計的這3種定子結構利用流固耦合法代入溫度場與流體場的計算式，將各自計算出的結果進行對比分析，可推出以下研究結果：①控制通風溝個數(shù)和軸向長度保持恒定，且限定在定子軸向中心部位的一段鐵心段軸向長度保持在一定范圍，當鐵心段軸向長度越小時，就會獲得越均勻的槽內繞組溫升，與此同時可小幅度降低定子的最高溫度[3]。②減小通風溝軸向長度，增加通風溝個數(shù)，并盡量保持各鐵心段軸向距離相同，能有效的保證通風溝內冷卻空氣的含量均勻分布，此種方案能獲得最低的定子溫度，是一種最佳的設計方案，最值得推廣應用。