宋厚彬，李偉力，楊逢瑜

(1.哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

對(duì)于燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)是電機(jī)整體設(shè)計(jì)的重要組成部分，關(guān)系到電機(jī)能否正常、安全運(yùn)行［1］.當(dāng)定子鐵心長度大于1.5 m時(shí)，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)以軸－徑向方式通風(fēng)效果最佳.

發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的熱量定量計(jì)算一直是個(gè)難點(diǎn)，除了經(jīng)驗(yàn)公式定性計(jì)算外，國外一些學(xué)者對(duì)所產(chǎn)生的熱量計(jì)算方法進(jìn)行了一定的補(bǔ)充和研究［2－4］，提高了對(duì)熱量計(jì)算的準(zhǔn)確度，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式進(jìn)行了比較［5－6］.文中以柴家峽電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)SFWG24－88/7820為例，在借鑒流體機(jī)械工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)中的支架進(jìn)行改造，應(yīng)用流體力學(xué)原理進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其流場和溫度場來得出合理的通風(fēng)結(jié)構(gòu)以及支架角度對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)散熱的影響，為選擇和優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)提供參考.

1 原理

1.1 理論基礎(chǔ)

評(píng)估風(fēng)機(jī)性能時(shí)，采用無因次性能曲線更為方便.定義［7］流量系數(shù)Φ，揚(yáng)程系數(shù)φ如下:

式中:A為葉輪的特征面積，一般取葉輪出口的環(huán)狀面積2πr2b2.

由葉輪出口速度三角形得

由上式可知，φ－Φ曲線為一條過點(diǎn)(0，2)的直線.βb2愈大，揚(yáng)程越高，但如果過高，隨之葉輪出口處的流體絕對(duì)速度增加，反擊系數(shù)降低，惡化流體機(jī)械的性能.

對(duì)于風(fēng)機(jī)，由于空氣的密度較小，所能產(chǎn)生風(fēng)壓和需要配置功率都不大，為了增加風(fēng)量和揚(yáng)程，一般采用較大葉片出口安放角.因此，將水輪發(fā)電機(jī)的軸－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為前彎式，該形式的結(jié)構(gòu)能夠使得空氣在葉輪中的運(yùn)動(dòng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)和圓周前彎的壓頭大，能夠最大可能地帶走熱量.

1.2 模型描述

為方便描述和研究分析，分別定義轉(zhuǎn)子徑向支架安放角α和軸向支架安放角β.其中，支架面與中心軸線之間的夾角為徑向支架安放角α，支架面的傾斜角為軸向支架安放角β，將通過改變徑向支架安放角α和軸向支架安放角β來探究結(jié)構(gòu)變化對(duì)散熱效果的影響.其中，軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)和支架安放角示意圖詳見圖1.

圖1 軸－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)及徑向、軸向支架安放角示意圖

2 數(shù)值求解方法

2.1 模型的建立

選用SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)建立軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)模型.由幾何及通風(fēng)的對(duì)稱性，可將溫度場的求解區(qū)域定為周向一個(gè)磁極和一個(gè)極距的磁扼、軸向從轉(zhuǎn)子磁極端部到轉(zhuǎn)子中心面［8－9］，其中，α =0°，β =0°時(shí)的支架安放角的軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 軸－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)計(jì)算域

其中，對(duì)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算區(qū)域劃分為非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，整個(gè)流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為632294個(gè)，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性檢查.

2.2 邊界條件

2.2.1 進(jìn)出口邊界條件

每臺(tái)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量是已知的，遂計(jì)算域進(jìn)口采用速度進(jìn)口，由質(zhì)量守恒和進(jìn)口無旋設(shè)定進(jìn)口速度vin為垂直進(jìn)口面進(jìn)入，切向速度及徑向速度為0.其進(jìn)口湍動(dòng)能為［10］

湍動(dòng)能耗散率ε為

出口速度和壓力都是未知的，設(shè)定為自然出流邊界.

2.2.2 壁面條件

壁面定義為剛性壁面，采用無滑移邊界條件［11－12］.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流體特性分析

SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)建立軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的軸徑向安放角分別為α=15°，β=10°.為了分析通風(fēng)結(jié)構(gòu)支架安放角對(duì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響，且實(shí)際運(yùn)行中的SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的軸徑向支架安放角分別為α=15°，β=20°，為便于進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，分別選取軸徑向支架安放角為α=0°，β=0°和 α =15°，β =0°以及 α =15°，β =20°等 3 種情況為第1，2，3方案，進(jìn)行數(shù)值模擬得到流體流動(dòng)特性云圖如圖3－5所示.

圖3 壓力云圖

圖4 速度矢量

由圖3可以看出，在3種方案下，前2種方案下的通風(fēng)結(jié)構(gòu)的壓力梯度不明顯，整體上壓力均勻，在邊緣位置處出現(xiàn)壓力極值，最后一種方案中，壓力分布極不均勻，從支架處中間處向外壓力逐漸升高，不利于支架在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì).而在燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)中冷卻氣體一般是空氣，密度相對(duì)于液體的密度較小，產(chǎn)生的壓力并不大，因此，下面主要從速度的角度來分析.

圖4中首先從速度矢量的大小上可以看出，從第1種方案結(jié)構(gòu)中到第3種方案的通風(fēng)結(jié)構(gòu)中速度從同一位置來看，數(shù)值是增加的.通過對(duì)比說明，第3種方案中的通風(fēng)結(jié)構(gòu)速度在同一位置數(shù)值大于其他2種方案，速度矢量大說明該結(jié)構(gòu)更有利于冷卻氣體的流通，速度大的相當(dāng)于增加了通風(fēng)量，能夠帶走更多的熱量;其次，從速度分布上來看，第1種方案中速度數(shù)值較小且分布均勻，從第2種方案到第3種方案中的速度梯度分布更加明顯，尤其第3種方案中，從軸心向外速度值增加增大，在繞組和線圈主要產(chǎn)生熱量處，速度值最大，也就是說，這種結(jié)構(gòu)更合理，冷卻氣體能最大效率的帶走熱量.

圖5 溫度云圖

由圖5可以看出，繞組和線圈處溫度最高，最大值出現(xiàn)在第一方案的通風(fēng)結(jié)構(gòu)中，為78℃，這是因?yàn)樗啺l(fā)電機(jī)在產(chǎn)生電流后由于電阻時(shí)產(chǎn)生熱量，成為水輪發(fā)電機(jī)主要的熱源;從第1種方案到第3種方案中可以定性的判斷，在同一種工況下，水輪發(fā)電機(jī)的溫度是逐漸降低的，且通風(fēng)結(jié)構(gòu)的支架從軸心向外緣溫度梯度明顯，溫度值由小到大.這也由此說明了保持一定的軸徑向支架安放角能夠更好地改善水輪發(fā)電機(jī)的散熱情況，這是由前彎式葉輪的工作原理決定的，一定的軸徑向支架安放角時(shí)支架處的阻升比要比軸徑向支架安放角α=0°，β=0°時(shí)更接近該支架的最小阻升比，減小了該處的升力角，使得支架所受的升力增大，阻力減小，效率升高［4］.因此，從溫度云圖上來分析，可以看出，第3種方案設(shè)計(jì)中更為合理.

3.2 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估及可靠性分析

3.2.1 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估

由圖5可以看出，發(fā)電機(jī)的熱源主要是繞組及線圈，根據(jù)分析，繞組發(fā)熱占主要部分.通過對(duì)上面3種方案的模擬，得出繞組溫度隨流量的變化曲線圖如圖6所示.

圖6 繞組溫度隨流量的變化曲線

在SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中共設(shè)有6臺(tái)風(fēng)機(jī)，以供應(yīng)足夠的冷卻空氣，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的流量為300 m3·min－1，圖6中是分別在風(fēng)機(jī)由1臺(tái)逐漸增加到6臺(tái)時(shí)的繞組變化.可以看出，隨著風(fēng)機(jī)的增加，即增加了單位時(shí)間內(nèi)流過風(fēng)機(jī)的氣體量，繞組的溫度明顯有了下降，當(dāng)風(fēng)機(jī)越多，繞組溫度越低，這也符合實(shí)際情況;在3種方案中，當(dāng)軸徑向支架安放角分別為 α=0°，β=0°、α =15°，β =0°、α =15°，β =20°時(shí)，第 3 種方案繞組的溫度最低，隨著送風(fēng)量的增加，繞組溫度下降最快.這是因?yàn)榈?種方案中的支架結(jié)構(gòu)更符合冷卻空氣在通風(fēng)結(jié)構(gòu)中的流通，帶走了更多的熱量，發(fā)揮了流體機(jī)械中前彎式葉輪的優(yōu)勢(shì).

3.2.2 試驗(yàn)可靠性驗(yàn)證

實(shí)際運(yùn)行中的SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)軸徑向安放角接近α=15°，β=20°，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬所得溫度場數(shù)值的準(zhǔn)確性，遂將軸徑向安放角α=15°，β=20°的通風(fēng)結(jié)構(gòu)各個(gè)部件的溫度計(jì)算值和實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行了誤差分析，見表1.

表1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過表1中對(duì)冷卻系統(tǒng)各個(gè)部件的實(shí)測溫度和計(jì)算溫度對(duì)比可以看出，平均誤差為1.81%，說明了數(shù)值模擬結(jié)果是可信的.而計(jì)算值偏低，這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)發(fā)熱有以下幾部分:定轉(zhuǎn)子繞組有電流才發(fā)熱，也就是銅損，是可變的;在旋轉(zhuǎn)磁場和交變磁場的相互作用下的定轉(zhuǎn)子鐵心，鐵磁材料連接固定件還有機(jī)殼都會(huì)發(fā)熱，那是鐵損，固定不變的;再就是軸承也會(huì)發(fā)熱.而在數(shù)值模擬計(jì)算中，比如軸承等發(fā)熱量是難以通過數(shù)值模擬表現(xiàn)出來.

3.3 軸向支架安放角對(duì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響

3.3.1 軸向支架安放角對(duì)發(fā)電機(jī)溫度的影響

支架安放角如果過大，理論上所獲得能量越高，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致反擊系數(shù)降低，反而使得通風(fēng)效率下降或性能不穩(wěn)定，因此，風(fēng)機(jī)葉片安放角一般取20°～50°.綜合結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)特性以及試驗(yàn)可知，徑向支架安放角α為15°時(shí)更為合理.鑒于此，選取徑向支架安放角α為15°，軸向支架安放角分別β為0°，20°和40°來進(jìn)行數(shù)值模擬，分析隨流量的變化軸向支架安放角β對(duì)水輪發(fā)電機(jī)溫度的影響，如圖7所示.

圖7 繞組溫度隨通風(fēng)量的變化曲線

由圖7可看出，隨著流量的增加，在3種不同的軸向支架安放角下繞組的溫度顯著降低，當(dāng)風(fēng)機(jī)數(shù)量為1～3臺(tái)(通風(fēng)量為300 ～1200 m3·min－1)時(shí)，三者下降幾乎同步，軸向支架安放角為20°時(shí)繞組的溫度更低.軸徑向安放角 α=0°，β=0°;α =15°，β=0°和 α =15°，β =20°的繞組最高溫度分別為58，56和59℃.在增加風(fēng)機(jī)數(shù)量后，軸向支架安放角為20°時(shí)的散熱優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步體現(xiàn)了出來.

3.3.2 軸向支架安放角對(duì)發(fā)電機(jī)效率的影響

利用CFD軟件對(duì)額定風(fēng)速下通風(fēng)結(jié)構(gòu)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬.轉(zhuǎn)子的效率可以按下式計(jì)算:

式中:可以利用Fluent軟件中的Report功能來讀相關(guān)參數(shù)，求得轉(zhuǎn)輪繞軸的合力矩M以及水力透平機(jī)轉(zhuǎn)輪的流量Q.由此，便可得出徑向支架安放角α為15°，軸向支架安放角分別為 0°，20°和 40°時(shí)的轉(zhuǎn)子效率隨進(jìn)風(fēng)量的變化曲線如圖8所示.

圖8 水輪發(fā)電機(jī)軸向支架安放角與轉(zhuǎn)子效率關(guān)系曲線

由圖8可以看出，20°的效率最大值比0°和40°的效率最大值要高，在進(jìn)風(fēng)量為1200 m3·min－1左右達(dá)到效率的極值，其中，20°軸向支架安放角時(shí)的轉(zhuǎn)子效率最大值更靠后.這是因?yàn)?°時(shí)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生離心力較小，而支架安放角分別為20°和40°沿轉(zhuǎn)子的葉片分為軸向速度和徑向速度，因此效率高于0°支架安放角的軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu).

結(jié)合圖3c壓力云圖來看，隨著支架安放角的增大，壓力分布越不均勻，因此，綜合以上考慮，針對(duì)SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，選用軸徑向支架安放角分別為α=15°，β=20°通風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為合理.

4 結(jié)論

1)前彎式通風(fēng)支架結(jié)構(gòu)更有利于冷卻空氣的流動(dòng)，能夠帶走盡可能多的熱量，在保證水輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行情況下能減少風(fēng)機(jī)的使用量.

2)試驗(yàn)表明，單面進(jìn)風(fēng)(即軸徑向支架安放角α =0°，β =0°時(shí))的徑向進(jìn)風(fēng)，徑向安放角為 15°時(shí)比徑向安放角為0°時(shí)繞組的最高溫度低3.4%;在徑向安放角為15°時(shí)，軸向安放角為20°時(shí)比軸向安放角為40°時(shí)繞組的最高溫度低5.0%.

3)通風(fēng)結(jié)構(gòu)支架安放角過小，則散熱效果不明顯，必須增加風(fēng)機(jī)數(shù)量或轉(zhuǎn)速來提高送風(fēng)量;支架安放角過大，對(duì)支架的剛度和強(qiáng)度都有了更高的要求，因此，徑向安放角15°，軸向安放角20°時(shí)在滿足支架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上散熱效果最佳.

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