MW級鼠籠發電機匹配冷卻器和試驗

李倩倩

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

電機溫升與其匹配的冷卻器有著不可分離的緊密關系。匹配良好的冷卻器不僅可以帶走電機內部發熱、降低溫升，提高電機使用壽命，同時還可以降低電機整體成本。因此冷卻器對于解決電機溫升問題至關重要[1]。

隨著電機效率的提高，提升了電機的單機容量，其電負荷和磁負荷也會隨之增加，導致電機的各項損耗隨之增大。這一系列參數變化會直接導致電機產生嚴重發熱，將電機內部熱量及時有效地傳遞到電機外部顯得至關重要[2]，對提高電機通風冷卻系統的散熱效率，提出新的挑戰。

近年來，國內外許多學者在電機冷卻介質溫升計算、電機冷卻器優化設計、內外風路流場分析等方面做了大量的研究和實驗工作。文獻[3]中采用CFD方法對電機通風冷卻系統進行分析。吳徳義學者對135 MW空冷汽輪發電機進行流場分析，方法采用電機得定子和轉子整體仿真，計算電機本體的介質流速，并通過實驗驗證了整體建模的必要性以及可靠性[4]。文獻[5]通過給定冷卻氣體不同初始溫度并結合仿真實驗，分析了電機內部流體流動方式的不同而產生的變化。

上述國內外學者的研究大都針對電機本體的參數進行研究，而未考慮電機與冷卻器的匹配問題，并未達到真正意義上的整體仿真。由于電機和冷卻器整體仿真難度較大，對電腦以及網格劃分有較高要求，所以一般電機和冷卻器分開進行三維仿真。本文針對鼠籠發電機對電機與冷卻器的匹配問題進行整體仿真和試驗，同時驗證電機和冷卻器分開計算的可靠性。

1 流體流動特性分析方法

本文采用有限元法仿真計算電機內部通風冷卻系統的氣流速度和壓力分布。軟件版本號：Star-CCM+12.06。

電機通風系統有雙重冷卻系統，使得其內部冷卻通風管道結構復雜，其內部冷卻流體的流動特性多變難控。因此，對電機流體場的理論分析和數學物理模型建模提出必要的假設和邊界條件[6]。

1.1 邊界條件

電機入口風速計算如下：

(1)

(2)

式中：Q為電機流量；S為入口面積；P為電機損耗；CV為流體比熱容；ΔT為流體溫度變化。

1.2 控制方程

結合電機內部介質的特點，可總結出流體流動的控制方程，分析如下：

(1) 質量守恒方程[7]

即流體運動的連續性方程，任何介質的流動都遵循質量守恒定律。質量守恒方程為：

(3)

式中：ρ為流體的密度；t為時間；u、v和w分別為速度矢量在x、y和z方向上的分量。

由于電機內冷卻流體作定常流動，且流體為不可壓縮，流體的密度ρ是常數。因而電機內部流體場三維模型下的不可壓縮流體穩態質量守恒方程為：

(4)

(2) 動量守恒方程[8]

動量守恒方程為：

(5)

式中：ρ為流體的密度；p為流體微元體上的壓力；u、v和w分別為速度矢量在x、y和z方向上的分量；μ為動力黏度；Su、Sv、Sw為動量守恒方程的廣義源項。

(3) 能量守恒方程

對于轉子本體及通風道內流，可寫出通用形式的能量守恒方程：

▽(ρuT)=▽(ΓgradT)+ST

(6)

式中：u為絕對速度；T為溫度；Γ為擴散系數；ST為單位體積內熱源產生的熱量與cp的比值。

1.3 湍流模型[9]

將質量力或在重力場中壓力項代表流體動壓力忽略不計時，即流體可視為不可壓縮流體，可采用包含湍流方程的瞬時N-S方程、雷諾方程和時均連續方程建立整體的控制方程組，通過推導得到如下的兩方程湍流k-ε控制方程組，數學表達如下：

(7)

2 計算流體域及網格剖分

為便于對電機通風冷卻系統進行分析，根據電機為單風路的初步設計方案，確認出風口為單側大離心風扇。

電機內部冷卻空氣的良好循環是確保電機滿足溫升考核標準的前提。簡化起見，三維模型如圖1所示，只計算冷卻空氣對應的流體域，忽略電機定轉子及壓圈對應的固體域及其對流體域的熱影響，故得到如圖2所示的計算流體域。

圖1 三維電機本體和冷卻器模型及網絡

圖2 電機本體流體域

進口邊界條件：

對于本計算涉及的電動機，表1給出了計算時空氣的物性參數。

表1 空氣物性參數

3 計算結果與分析

電機在額定轉速1 450 r/min工況下的模擬仿真。為了計算電機的P-Q曲線，計算時其進口流量設置分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 kg/s。

圖3給出電機本體的壓力云圖和速度云圖。

圖3 電機本體速度云圖

從圖3壓力云圖可以看出，出口處的離心風扇可以產生很高的壓頭帶動電機內部氣體流動，從而帶走電機本體產生的熱源。從速度云圖可以看出，機座壁開孔有利于電機內部氣體流通，從而減小風阻增大帶走的熱量。

電機本體計算風阻的結果如表2所示。

表2 電機本體風阻計算結果

上表為電機本體風阻計算結果，上圖數字中正值為風阻，負值為風壓。為了方便看出其變化趨勢將其轉化為圖的形式，如圖4所示。

分析電機配套的冷卻器風阻情況。由圖4計算結果可知，冷卻器風阻在130 Pa附近時，電機流量為2.8 kg/s。由于冷卻器網格量較大，并且冷卻器風路結構是圓周對稱的，因此采用冷卻器的四分之一進行計算，進口流量給0.7 kg/s。

圖4 電機本體風阻曲線

(1) 采用三維計算軟件Starccm+計算冷卻器內風路風阻，四分之一流量輸入為0.7 kg/s，冷卻器風阻計算結果為150 Pa。由此得出，一定誤差范圍內，冷卻器內風路計算結果可靠。

(2) 冷卻器外風路試驗

試驗測量點如圖5所示。

圖5 冷卻器試驗測點

圖5中，所標位置為試驗測點。采用三種探頭進行數據記錄。記錄后的數據以及計算后的數據如表3所示。

表3 試驗測量結果

上述試驗結果為冷卻器外風路結果。測量結果為外風路流量大于內風路流量，符合外風路流量大于內風路流量的空-空冷卻器規律。

4 結論

(1) 在額定轉速下，根據電機本體計算出的P-Q曲線及實際經驗，可推測出匹配冷卻器的風阻范圍值。冷卻器風阻在130 Pa附近時，電機流量為2.8 kg/s。

(2) 采用CFD方法仿真匹配的冷卻器，計算結果表明，冷卻器風阻計算結果為150 Pa。由此得出，一定誤差范圍內，冷卻器內風路計算結果可靠。

(3) 根據冷卻器試驗結果得出，外風路流量大于內風路流量。符合外風路流量大于內風路流量的空-空冷卻器規律。