丁大鵬，李廣德，朱 磊

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040)

目前研究全空冷水輪發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)的手段主要有場路建模計算、真機通風(fēng)試驗及通風(fēng)模型模擬試驗［1－3］。越南斯雷博克Ⅲ水輪發(fā)電機組是中國對外出口機組，單機容量為129 MVA，本文以這臺機組為例，通過理論計算與真機試驗相結(jié)合的方式，對機組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，并用試驗結(jié)果驗證理論計算的準(zhǔn)確性。

1 通風(fēng)系統(tǒng)簡介

越南斯雷博克Ⅲ水輪發(fā)電機組采用雙路徑向無風(fēng)扇端部回風(fēng)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風(fēng)壓，驅(qū)動冷卻空氣依次流經(jīng)轉(zhuǎn)子支架入口、磁軛間隙、磁極間、氣隙和定子徑向風(fēng)溝，在定子背部匯集，將發(fā)電機損耗熱傳遞給空氣冷卻器，與冷卻器中的冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經(jīng)定子線圈端部進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，從而完成一次密閉自循環(huán)過程。

針對這類通風(fēng)系統(tǒng)特點，設(shè)計中需綜合考慮產(chǎn)生風(fēng)壓頭、沿程風(fēng)阻及過流面積3個方面。轉(zhuǎn)子支架尺寸直接影響壓頭的高低，其尺寸選取應(yīng)在滿足通風(fēng)系統(tǒng)所需風(fēng)壓的前提下，以減小壓頭損失為主，避免不必要的風(fēng)摩損耗。轉(zhuǎn)子磁軛風(fēng)溝、風(fēng)隙尺寸是影響風(fēng)阻和過流面積的主要因素，在轉(zhuǎn)子強度允許范圍內(nèi)，應(yīng)保證轉(zhuǎn)子極間有足夠的過流面積。在工程實踐中，可通過調(diào)整疊片間隙的寬度來控制極間過流面積，對于較大容量機組還可在轉(zhuǎn)子磁軛上開徑向風(fēng)溝來增加過流面積，改變每層疊片片數(shù)、疊片串整極還是串半極等手段均能有效改變極間過流面積的大小。

本例中轉(zhuǎn)子支架重心半徑2.1 m，轉(zhuǎn)子磁軛采用無徑向風(fēng)溝，疊片間隙0.14 m，每兩片一疊，串一個整極的疊片方式。

2 通風(fēng)系統(tǒng)計算

根據(jù)斯雷博克Ⅲ水輪發(fā)電機組通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用流場模擬軟件FLOWMASTER確定計算網(wǎng)絡(luò)，其中包括轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極的壓力元件及風(fēng)阻元件，定子入口、出口風(fēng)阻元件，冷卻器風(fēng)阻元件等。賦值計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

從圖1中可以看出，總風(fēng)量Q=63.48 m3/s，上端進(jìn)風(fēng)量Q=31.6 m3/s，下端進(jìn)風(fēng)量Q=31.9 m3/s，軸向風(fēng)量分布比較均勻。但在氣隙兩端、極間軸向一些風(fēng)隙處，漏風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重(氣隙兩端漏風(fēng)約16 m3/s，占總風(fēng)量25%)。為了提高有效風(fēng)量，需對各漏風(fēng)處采取有效措施，如安裝旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板擋住部分氣隙及磁極軸向，同時在定子上加擋板，保證此處氣隙小于8 mm。另外，為了提高電機效率，可將擋風(fēng)板伸至支架處擋住磁軛與支架間的縫隙，以使通風(fēng)損耗有所降低。

通過電磁計算得出機組需冷卻器帶走損耗為1 863.8 kW，按照國家電機設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(溫升按28 K計算)計算公式如下:

式中:Q為總風(fēng)量，m3/s;P為損耗，kW;C為比熱，J/(kg·K);ρ為密度，kg/m3;ΔT 為溫升，K。

計算電機所需風(fēng)量60.51 m3/s，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量為63.48 m3/s，設(shè)計風(fēng)量留有5%裕量，因此通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足機組通風(fēng)冷卻要求。

3 通風(fēng)損耗計算

通風(fēng)損耗是發(fā)電機運行中由于機組內(nèi)部流動空氣與定轉(zhuǎn)子表面摩擦產(chǎn)生的損耗，也叫風(fēng)摩損耗。通過大量真機試驗數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出通風(fēng)損耗經(jīng)驗公式為

式中:nN為額定轉(zhuǎn)速，m/s;DR為轉(zhuǎn)子外徑，m;Q為總風(fēng)量，m3/s;C 為常數(shù)，C=4.1 ×10－6。

按照式(2)計算，Pv=441.8 kW;nN=125 m/s;DR=10.423 m;Q=63.48 m3/s。

通風(fēng)損耗約占總損耗23.7%，符合水輪發(fā)電機設(shè)計要求。

4 真機試驗

4.1 總風(fēng)量測量

風(fēng)量測量的目的是判斷電機風(fēng)量是否與計算值相符。風(fēng)量測量有多種測量方法，本試驗用“中速風(fēng)表”測量冷卻器的平均出風(fēng)速度，此風(fēng)速值與冷卻器面積及冷卻器個數(shù)相乘，即得總風(fēng)量為Q=v·s·n 。

機組裝備12個冷卻器，單個冷卻器面積約為1.84 m2。發(fā)電機空載運行至額定轉(zhuǎn)速，流場穩(wěn)定后采用中速風(fēng)車測取其中6個冷卻器風(fēng)速，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1的試驗數(shù)據(jù)可以看出，機組總風(fēng)量約為Q'=62.95 m3/s，與設(shè)計值 63.48 m3/s僅存在0.83%的偏差，這說明采用上述計算方法對水輪發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量的計算精度很高，能夠滿足電機設(shè)計要求。

表1 風(fēng)量測試數(shù)據(jù)

4.2 通風(fēng)損耗測量

通風(fēng)損耗測量的原理是在發(fā)電機空轉(zhuǎn)運行至額定轉(zhuǎn)速，達(dá)到熱穩(wěn)定后，測得冷卻器帶走的損耗即為通風(fēng)損耗?；谑?1)，冷卻器帶走損耗的測量方法有兩種:一種是測得冷卻器過流總風(fēng)量和冷卻器前后風(fēng)溫差;另一種是測量流經(jīng)冷卻器的冷卻水流量和進(jìn)出水溫差。因為本試驗已經(jīng)測得總風(fēng)量，所以在通風(fēng)損耗測量試驗中采用了第一種測量方法［4］。

利用電阻法可以方便準(zhǔn)確地測量出冷卻器前后的氣體溫度。電阻法是一種利用金屬的電導(dǎo)率隨溫度變化而變化的物理性質(zhì)測量電機內(nèi)溫度的一種方法，其阻值與溫度之間的關(guān)系為

式中:R1、R2為當(dāng)溫度分別為 t1、t2時的直流電阻值。

用細(xì)銅線繞制尺寸略小于冷卻器的7個電阻網(wǎng)，其中6個作為熱風(fēng)網(wǎng)，1個作為冷風(fēng)網(wǎng)，并在相對穩(wěn)定的環(huán)境中測得電阻網(wǎng)初始電阻值，如表2所示。

表2 電阻網(wǎng)初始電阻值溫度值

選取6臺冷卻器作為測量目標(biāo)，在這6臺冷卻器熱風(fēng)面安裝6個熱風(fēng)網(wǎng)，測量熱風(fēng)面風(fēng)溫，冷卻器冷風(fēng)面風(fēng)溫由冷風(fēng)網(wǎng)逐一測量。啟動電機空轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速達(dá)到熱穩(wěn)定后，對電阻網(wǎng)電阻值進(jìn)行測量，并由式(3)計算出6個電阻網(wǎng)溫度值，如表3所示。

表3 電阻網(wǎng)測量值及溫度計算值

由式(1)計算求得通風(fēng)損耗為

其中:Q=62.95 m3/s;C=1 020 J/(kg·K);ρ=1.12 kg/m3;ΔT=(36.41－30.36)=6.05 K。

試驗測得通風(fēng)損耗Pv與計算所得通風(fēng)損耗Pv'僅存在0.77%的偏差，這說明采用上述計算方法對水輪發(fā)電機通風(fēng)損耗的計算精度很高，能夠滿足電機設(shè)計要求。

5 結(jié)論

1)通過建立風(fēng)路網(wǎng)絡(luò)，模擬真機通風(fēng)系統(tǒng)的方法得出機組總風(fēng)量為Q=63.48 m3/s，并基于此總風(fēng)量計算得出通風(fēng)損耗Pv=441.8 kW。

2)通過對真機通風(fēng)系統(tǒng)實驗，測得機組總風(fēng)量Q'=62.95 m3/s，通風(fēng)損耗Pv'=438.4 kW。

3)兩種方式得出的總風(fēng)量和通風(fēng)損耗相差10%以內(nèi)，充分說明了這兩種分析方法的正確性。

［1］DRIESEN J，BELMANS R J M，HAMEYER K.Finite－Element Modeling of Thermal Contact Resistances and Insulation Layers in ElectricalMachines［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(1):15 －20.

［2］王海鵬，丁樹業(yè)，張曉利.大型發(fā)電機定子徑向通風(fēng)溝流體流動特性研究［J］.黑龍江電力，2009，31(6):421 －425.

［3］丁樹業(yè)，李偉力，靳慧勇.發(fā)電機內(nèi)部冷卻氣流狀態(tài)對定子溫度場的影響［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，26(3):131 －135.

［4］丁大鵬，李廣德，安志華.抽水蓄能機組溫升與通風(fēng)系統(tǒng)分析［J］，黑龍江電力，2011，33(3):225 －227.