史　航，仝世偉，李　勇（. 許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 46000；. 北京北重汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司，北京 00040）

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75MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

史航1，仝世偉1，李勇2
（1. 許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000；2. 北京北重汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司，北京 100040）

[摘要]本文在對(duì)75MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力源、阻力源詳細(xì)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，繪制通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖并應(yīng)用Flowmaster軟件求解發(fā)電機(jī)的總風(fēng)量和各支路風(fēng)量分配情況。在真機(jī)上對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了總風(fēng)量的測量試驗(yàn)。通過對(duì)比分析表明，試驗(yàn)值跟計(jì)算值間計(jì)算誤差為2.9%。還計(jì)算了風(fēng)速工作特性曲線和電機(jī)內(nèi)各部分的流阻情況，得到電機(jī)風(fēng)扇的運(yùn)行工作點(diǎn)，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，提出了電機(jī)運(yùn)行風(fēng)量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。[關(guān)鍵詞]通風(fēng)設(shè)計(jì)；風(fēng)扇；風(fēng)量；試驗(yàn)

0　引言

一些燃燒效率偏低的大型鋼廠和化工廠等高耗能企業(yè)，為了提高燃燒效率，滿足國家減排要求，需要回收余熱，紛紛投建小容量自備電站。由于用戶不同，對(duì)單機(jī)容量要求也不一樣，容量從幾兆瓦到十幾兆瓦不等。本文提及的75MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)就是根據(jù)用戶提出的容量等級(jí)自主開發(fā)設(shè)計(jì)的。由于電機(jī)內(nèi)部所有損耗都需要由空氣帶走，所以空冷電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要，空氣在電機(jī)內(nèi)部各風(fēng)路流量分配情況和總風(fēng)量設(shè)計(jì)是否合理直接影響到電機(jī)的出力，所以在發(fā)電機(jī)的技術(shù)設(shè)計(jì)階段，需要計(jì)算分析電機(jī)的整體通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足電機(jī)出力要求。本文主要對(duì)該發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程及出廠通風(fēng)試驗(yàn)[1, 2]數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

1　電機(jī)內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算

由圖1所示，發(fā)電機(jī)冷卻經(jīng)過風(fēng)扇加壓后分成三路：（1）一路冷卻端部線棒，機(jī)座端板風(fēng)道流入鐵心背部。（2）第二路進(jìn)入轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)下，分成兩路風(fēng)一路流入轉(zhuǎn)子線圈端部，通過端部線圈通風(fēng)孔和轉(zhuǎn)子槽楔流入氣隙中，另一路進(jìn)入轉(zhuǎn)子本體副槽，并通過轉(zhuǎn)子直線段線圈風(fēng)道進(jìn)入槽楔，最后流入氣隙中。（3）第三路風(fēng)經(jīng)過電機(jī)兩側(cè)氣隙軸向流入，與轉(zhuǎn)子風(fēng)在氣隙混合后，通過定子徑向通風(fēng)溝流入定子鐵心背部。最后三路風(fēng)匯合進(jìn)入空冷器熱交換后，重新流入風(fēng)扇完成一次循環(huán)。

電機(jī)內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3-7]可以歸納成兩大方面：一方面為電機(jī)內(nèi)動(dòng)力源的確定，另一方面就是阻力源的確定。

首先電機(jī)內(nèi)部動(dòng)力源就是電機(jī)內(nèi)部風(fēng)扇，由于汽輪發(fā)電機(jī)是有汽輪機(jī)拖動(dòng)的恒轉(zhuǎn)速負(fù)載，轉(zhuǎn)速為3000r/min。電機(jī)內(nèi)部壓力源的工作點(diǎn)是恒定的。電機(jī)風(fēng)扇壓力的確定除了和自身轉(zhuǎn)速有關(guān)還和葉片數(shù)量、風(fēng)扇葉型、安裝角度、風(fēng)扇內(nèi)外徑尺寸有直接關(guān)系。如圖1所示，位于轉(zhuǎn)子上的為電機(jī)的葉片共23只。有了以上設(shè)計(jì)和安裝參數(shù)就可以計(jì)算得到電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的風(fēng)扇特性曲線，可以用一條拋物線表達(dá)式表示：

圖1　電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　結(jié)構(gòu)示意圖

其次是電機(jī)內(nèi)部阻力源的確定。此參數(shù)的確定是根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了適合電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)下不同位置的風(fēng)阻系數(shù)，需要指出的是我們只計(jì)算電機(jī)內(nèi)部的局部阻力系數(shù)。流體在電機(jī)中流動(dòng)雖然還有沿程阻力系數(shù)，但這部分系數(shù)占局部阻力系數(shù)的很小一部分可以忽略不計(jì)。局部阻力系數(shù)公式可以簡單地歸納為：

式中：P為局部壓力損失；Z為該位置處的流阻，其值與過流面積、形狀等有關(guān)；Q為流經(jīng)該位置處的流量。

根據(jù)此公式我們可以得到電機(jī)內(nèi)部各不同位置處的流阻大小，把各不同位置處流阻進(jìn)行合理的串聯(lián)和并聯(lián)就可以得到電機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)阻力分布關(guān)系。阻力系數(shù)在電機(jī)內(nèi)部的位置如圖3所示。

由圖3可知電機(jī)內(nèi)部阻力系數(shù)的確定，提煉出冷卻空氣在電機(jī)內(nèi)部流通路徑中，阻力最大的位置，即圖3中用數(shù)字標(biāo)識(shí)出的位置。這些位置往往都是流通路徑中有流體流動(dòng)方向改變，或流通路徑變截面的位置。這些位置的存在會(huì)造成流體流動(dòng)阻力的明顯增加。因此，我們只要將電機(jī)內(nèi)部每個(gè)支路關(guān)鍵位置的主要流阻Z計(jì)算出來，將這些流阻根據(jù)實(shí)際流動(dòng)的串并聯(lián)關(guān)系，配合計(jì)算出來的電機(jī)風(fēng)扇特性曲線，就能求解得到電機(jī)內(nèi)的總風(fēng)量和支路風(fēng)量。

圖3　發(fā)電機(jī)內(nèi)部各位置阻力系數(shù)的提取

2　電機(jī)總風(fēng)量的確定

電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算的最終目的是獲得電機(jī)的總風(fēng)量與電機(jī)內(nèi)部的總損耗的匹配。當(dāng)電機(jī)總功率和效率確定后，電機(jī)損耗是確定的。由此可以計(jì)算出電機(jī)內(nèi)部所需要的最小總風(fēng)量，因此，電機(jī)通風(fēng)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)出合理的通風(fēng)結(jié)構(gòu)使電機(jī)內(nèi)總風(fēng)量，能夠充分并均勻帶走電機(jī)內(nèi)部各位置損耗，使總風(fēng)量不至于過大或過小。

根據(jù)第1節(jié)得到的電機(jī)風(fēng)扇特性曲線和公式2，可以確定電機(jī)的動(dòng)力源和阻力源，把這兩部分聯(lián)立起來求解，計(jì)算出電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的總風(fēng)量，如圖4所示。

圖4中Z1～Z10和H1是我們從圖3提取出的電機(jī)內(nèi)部的阻力源，風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子壓頭為電機(jī)內(nèi)部的動(dòng)力源。從圖4中可以看出各阻力源之間既有串聯(lián)又有并聯(lián)還有混聯(lián)關(guān)系，求解比較復(fù)雜。所以我們計(jì)算可引入流體計(jì)算軟件FLOWMASTER進(jìn)行求解分析。主要運(yùn)用軟件中DL元件、Fan風(fēng)扇元件、P壓力給定元件。

DL元件邊界條件給定：DL元件根據(jù)圖3位置一一對(duì)應(yīng)，搭建出電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)的阻力分布網(wǎng)絡(luò)圖，再對(duì)各個(gè)DL元件進(jìn)行賦值，主要賦值數(shù)據(jù)為各位置的通流面積、阻力系數(shù)。其中阻力系數(shù)的給定參照了大型發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)電指計(jì)算公式，這里就不再贅述。通過DL元件邊界條件的賦值我們可以計(jì)算得到式公式2中的Z值，這樣流體在電機(jī)內(nèi)部流動(dòng)時(shí)的壓力降，僅是流量Q的函數(shù)。

圖4　電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

Fan風(fēng)扇元件邊界條件給定：風(fēng)扇元件為發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源，除了賦值式（1）電機(jī)的風(fēng)量與壓力的關(guān)系外，還要對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇的內(nèi)外徑尺寸進(jìn)行賦值。

P壓力元件邊界條件給定：壓力元件主要設(shè)定流體的工作壓力為1bar，流體的物理特性給定為50℃的空氣。

這樣風(fēng)扇Fan的壓力升函數(shù)（式1），和DL元件中壓力降的函數(shù)的自變量都是流量Q。軟件就可以通過迭代的方式求解出電機(jī)的總風(fēng)量和各支路風(fēng)量。計(jì)算結(jié)果如下：

圖5　電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)FLOWMASTER求解圖

由于電機(jī)軸向結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，兩側(cè)都有軸流式風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)。為了簡化計(jì)算，我們僅計(jì)算電機(jī)一側(cè)的風(fēng)路，得到了電機(jī)的總流量和支路流量。

從圖中我們可以看到電機(jī)經(jīng)過左側(cè)風(fēng)扇后，分成

表1　電機(jī)內(nèi)部的總流量和支路流量　　　　　　　　　　　　　m3/s

3　電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)實(shí)驗(yàn)

三個(gè)支路進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，風(fēng)別為定子端部、定子通風(fēng)溝,和轉(zhuǎn)子中。由圖5我們可以得到如下結(jié)果：

（1）總風(fēng)量Q＝13.71×2＝27.42m3/s；

（2）各風(fēng)區(qū)的風(fēng)量見表1。（按半個(gè)電機(jī)計(jì)算）。

為了驗(yàn)證我們開發(fā)的機(jī)型是否滿足設(shè)計(jì)要求，我們出廠的機(jī)型除了進(jìn)行必要的出廠型式試驗(yàn)外，還要進(jìn)行通風(fēng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證通風(fēng)設(shè)計(jì)是否滿足電磁損耗設(shè)計(jì)要求。

電機(jī)總風(fēng)量的測定主要，選擇三個(gè)工況運(yùn)行：

第一工況為轉(zhuǎn)速在750r/min時(shí)測量，此工況為純機(jī)械運(yùn)行，電機(jī)不加任何勵(lì)磁，沒有電流輸出。主要是對(duì)電機(jī)軸承振動(dòng)情況和密封瓦密封性進(jìn)行檢查，確保電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下能夠安全運(yùn)行。此工況下可測量一組電機(jī)的總風(fēng)量。

第二工況為轉(zhuǎn)速在1500r/min時(shí)測量，此工況為純機(jī)械運(yùn)行，電機(jī)不加任何勵(lì)磁，沒有電流輸出。主要是對(duì)電機(jī)軸承振動(dòng)情況和密封瓦密封性進(jìn)行檢查，確保電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下能夠安全運(yùn)行。此工況下可測量一組電機(jī)的總風(fēng)量。

第三工況為汽輪發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速3000r/min下測量總風(fēng)量，此工況發(fā)電機(jī)為短路運(yùn)行狀態(tài)，將發(fā)電機(jī)輸出電流調(diào)整為額定電流。此時(shí)，整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)帶走電機(jī)內(nèi)部損耗。冷卻空氣會(huì)被加熱，這也是上述計(jì)算中給定空氣溫度為50℃的原因。

實(shí)驗(yàn)測量電機(jī)總風(fēng)量時(shí)主要選用了熱球風(fēng)速儀為測量儀表。主要對(duì)發(fā)電機(jī)的總出風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行測量。由于測量儀器需要正對(duì)空氣來流方向進(jìn)行測量。故需要通過地坑引流將電機(jī)的出風(fēng)引致同一速度方向進(jìn)行測量，底坑中風(fēng)道的引風(fēng)長度大約是電機(jī)出風(fēng)口長度的4 到5倍。

圖6　電機(jī)總風(fēng)量測量

電機(jī)總風(fēng)量測量如圖6所示。實(shí)驗(yàn)在每種測量工況下，測量風(fēng)筒出風(fēng)口處三組流速值，然后再求取平均值，然后將速度平均值乘以出風(fēng)口面積可得到不同工況下的電機(jī)的總風(fēng)量測量值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min的情況下，計(jì)算值滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)測量總風(fēng)量為26.6m3/s。計(jì)算總風(fēng)量為27.42m3/s。計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合，計(jì)算誤差為2.9%。分析計(jì)算誤差原因主要有兩個(gè)方面：（1）忽略了電機(jī)內(nèi)部的沿程阻力產(chǎn)生的壓力損耗。（2）在計(jì)算電機(jī)內(nèi)部局部阻力產(chǎn)生的壓力損耗時(shí)，忽略了其中較小的局部阻力損耗。

另外，根據(jù)表2內(nèi)容還可以看到電機(jī)內(nèi)的總風(fēng)量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。在今后的總風(fēng)量測量中可以用測量750r/min和1500r/min轉(zhuǎn)速下的數(shù)值，反算工作轉(zhuǎn)速3000r/min下的總流量，用反算值和實(shí)際測量值可以判斷整個(gè)機(jī)組在3000r/min轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機(jī)下方風(fēng)斗及地坑下風(fēng)道內(nèi)是否存在漏風(fēng)現(xiàn)象，而造成額定轉(zhuǎn)速下實(shí)際測量值不準(zhǔn)確的情況。

表2　實(shí)測數(shù)據(jù)

4　結(jié)語

本文應(yīng)用Flowmaster軟件求解發(fā)電機(jī)的總風(fēng)量和各支路風(fēng)量分配情況，并在真機(jī)上對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了總風(fēng)量的測量試驗(yàn)，通過對(duì)比分析表明試驗(yàn)值跟計(jì)算值間計(jì)算誤差較小。同時(shí)計(jì)算了風(fēng)速工作特性曲線和電機(jī)內(nèi)各部分的流阻情況，得到了電機(jī)風(fēng)扇的運(yùn)行工作點(diǎn)，計(jì)算得到了額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速下電機(jī)的總風(fēng)量，并用試驗(yàn)的方法進(jìn)行測量，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，總結(jié)出電機(jī)內(nèi)的總風(fēng)量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]XiongY.F., Lequoc,S.. Adaptive Control of a Synchronizing Servo-System [J]. SAE Technical Paper Series, 1992: 1-5.

[2]駱涵秀. 試驗(yàn)機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1991: 36-37.

[3]丁舜年. 大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M]. 北京: 科學(xué)技術(shù)出版社, 1992: 4-5, 211-213, 108-230.

[4]廖毅剛. 150MW級(jí)空冷汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算和模型試驗(yàn). 東方電氣評(píng)論[J]. 2007: 9, 7-12.

[5]李偉力, 李勇, 楊雪峰, 顧德寶. 大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子端部溫度場與流體場的計(jì)算與分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(36): 80-87．

[6]朱自強(qiáng), 等. 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1998: 2-5.

[7]王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京: 北京清華大學(xué)出版社, 2004: 1-12, 119-123, 31-78.

史航（1978-），2001年7月畢業(yè)于吉林大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研發(fā)、工藝技術(shù)，工程師。

審稿人：安志華

75MW Air Cooled Turbo Generator Ventilation System Design and Test

SHI Hang1, TONG Shiwei1, LI Yong2
（1. Xuchang XJ Wind Power Technology Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. Beijing Beizhong Steam Turbine Generator Co., Ltd., Beijing 100040, China）

Abstract:On the base of detailed computation and analysis of the power source and resistance source of 75MW air cooled turbo generator ventilation system, this paper draws ventilation system network graph and applies Flowmaster software to calculate the total air rate and each branch’s air flow distribution. Besides, it carries out measurement test of generator’s total air volume on a real machine. Through the contrastive analysis, the deviation between the calculated value and the test value is 2.9%.Moreover, the paper also gets the operating point of generator’s fan by calculating the wind performance curve and the flow resistance of generator’s each part inside, thus proving the calculation’s accuracy and making the relation between the generator’s operating wind volume and rotation speed clear.

Key words:ventilation design; fan; air volume; test

[作者簡介]

[收稿日期]2015-06-30

[中圖分類號(hào)]TM311

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-3983(2016)01-0031-04