丁大鵬，李　原，王鐵成

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

高水頭高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)研究

丁大鵬，李原，王鐵成

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：以“A”電站水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)為例，通過理論分析和真機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了高水頭高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)，并通過真機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。該文的研究成果對今后高水頭高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考意義，在工程應(yīng)用中具有實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；全空冷；高水頭；高轉(zhuǎn)速；通風(fēng)系統(tǒng)；通風(fēng)試驗(yàn)

0引言

“A”水電站是穆陽溪梯級的核心電站，電站裝機(jī)2臺125 MW水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)水頭400 m，最高水頭437 m，額定轉(zhuǎn)速428.5 r/min，采用的是全空冷無風(fēng)扇端部回風(fēng)的冷卻方式，是我國目前在運(yùn)行水電站中極具代表性的高水頭高轉(zhuǎn)速全空冷水輪發(fā)電機(jī)組[1]。

高水頭高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)為了適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行要求，定子鐵心通常設(shè)計(jì)成細(xì)而長的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對通風(fēng)冷卻系統(tǒng)要求很高[2]。為了保證發(fā)電機(jī)足夠的冷卻風(fēng)量及風(fēng)量沿軸向的合理分布，這類機(jī)組的冷卻系統(tǒng)多采用安裝軸流式或離心式風(fēng)扇，但加裝風(fēng)扇在滿足風(fēng)壓的同時也增加了整個通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)損耗，勢必影響整個機(jī)組的效率?！癆”電站的水輪發(fā)電機(jī)組采用了無風(fēng)扇端部回風(fēng)的冷卻方式，在保證總風(fēng)量的前提下，盡量降低通風(fēng)損耗[3]。近10年的運(yùn)行實(shí)踐充分證明了發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，定子鐵心及線圈溫度正常穩(wěn)定。研究分析該機(jī)組的通風(fēng)系統(tǒng)對今后這類機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要的參考意義。

1通風(fēng)系統(tǒng)及技術(shù)參數(shù)

“A”電站的水輪發(fā)電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)對機(jī)組旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)壓、風(fēng)路的風(fēng)阻及各關(guān)鍵部件的風(fēng)流面積都有極高的設(shè)計(jì)要求。整個冷卻系統(tǒng)的風(fēng)壓主要由轉(zhuǎn)子支架、磁軛及磁極自身旋轉(zhuǎn)的離心力產(chǎn)生。在風(fēng)壓的驅(qū)動下，冷卻空氣依次流經(jīng)轉(zhuǎn)子支架入口、磁軛間隙、磁極間隙、氣隙、定子徑向風(fēng)溝，在定子背部匯集后，將發(fā)電機(jī)損耗熱傳遞給空氣冷卻器，與空氣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，從而完成一次自循環(huán)過程。風(fēng)路圖如圖1所示[4]。

圖1　機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路示意圖

在發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)分析過程中，主要應(yīng)用到的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算

根據(jù)該水輪發(fā)電機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用流場模擬軟件FLOWMASTER確定計(jì)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，空氣冷卻器風(fēng)阻元件等。

在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點(diǎn)上有若干個元件的網(wǎng)絡(luò)支路，可給出每個節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量流量之和，建立線性方程用于建立矩陣，進(jìn)行求解。求解結(jié)果見圖2所示[5]。

圖2　通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)圖

從計(jì)算網(wǎng)絡(luò)圖中可以看出通風(fēng)系統(tǒng)的總風(fēng)量Q=60.38 m3/s，上端進(jìn)風(fēng)量Q=35.1 m3/s，下端進(jìn)風(fēng)量Q=34.4 m3/s，軸向風(fēng)量分布比較均勻。但在氣隙兩端由于存在機(jī)械間隙，造成了一定的風(fēng)量損失，氣隙兩端共損失風(fēng)量約9 m3/s，占通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量的15%。這15%的風(fēng)量損失對整個通風(fēng)系統(tǒng)沒有益處，相反地會增加通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)損耗，應(yīng)設(shè)法避免或減低。在工程實(shí)踐中，為了解決這個問題，通常在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上裝設(shè)旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板，以擋住磁極軸向和部分氣隙，同時在定子線圈端部裝設(shè)橡膠圈，保證此處的機(jī)械間隙小于8 mm，達(dá)到漏風(fēng)量極小的良好密封效果，提高電機(jī)的有效風(fēng)量[6]。

3通風(fēng)試驗(yàn)

3.1總風(fēng)量測量

發(fā)電機(jī)總風(fēng)量測量的目的是判斷發(fā)電機(jī)實(shí)際風(fēng)量是否與設(shè)計(jì)值相符。風(fēng)量測量根據(jù)不同位置有多種測量方法，本試驗(yàn)采用高精度風(fēng)速儀測量每個空氣冷卻器平均風(fēng)速(Vi)。依次測量每個冷卻器的有效出風(fēng)面積(Si)，由下式可計(jì)算出發(fā)電機(jī)的總風(fēng)量：

式中：Si為單個空氣冷卻器有效出風(fēng)面積(m2)；Vi為空氣冷卻器的平均出風(fēng)風(fēng)速(m/s)。

該水輪發(fā)電機(jī)組共裝備了6個相同尺寸的空氣冷卻器，單個空氣冷卻器高度2.06 m，寬度1.46 m，面積約為3.0 m2。本試驗(yàn)對測量每個冷卻器的平均風(fēng)速的精度要求很高，測量誤差會直接影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。為了提高冷卻器風(fēng)速的測量精度，本試驗(yàn)采用手持式風(fēng)速儀按照一定規(guī)則的路徑平行掃過冷卻器的全部出風(fēng)面，最大化地保證測量到冷卻器各點(diǎn)的風(fēng)速情況，再求風(fēng)速平均值。

在進(jìn)行總風(fēng)量測量試驗(yàn)時，發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速，空氣冷卻器正常通水，運(yùn)行2 h以上，待整個通風(fēng)系統(tǒng)的流場穩(wěn)定后，試驗(yàn)人員進(jìn)入發(fā)電機(jī)風(fēng)洞中，手持風(fēng)速儀測取每個空氣冷卻器的出風(fēng)速度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　風(fēng)量測量數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)電機(jī)實(shí)際總風(fēng)量約為10.31×6=61.86 m3/s，與設(shè)計(jì)值60.38 m3/s僅存在2.5%的偏差，這說明采用上述計(jì)算方法對水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量的計(jì)算精度很高，能夠滿足發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及科研精度要求。

3.2風(fēng)溝風(fēng)速測量

發(fā)電機(jī)定子風(fēng)溝風(fēng)速測量是為了驗(yàn)證風(fēng)量沿發(fā)電機(jī)定子鐵心軸向的分布是否均勻。風(fēng)溝風(fēng)速測量需要拆掉一臺空氣冷卻器，待發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，用智能風(fēng)速儀逐一測量定子風(fēng)溝的風(fēng)速[7]，測量數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3　定子風(fēng)溝風(fēng)速分布圖

4結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)電機(jī)定子風(fēng)溝風(fēng)速沿軸向呈現(xiàn)中間高于兩端的趨勢，這與發(fā)電機(jī)定子兩端的風(fēng)溝出口受機(jī)座阻擋有一定的關(guān)系。定子風(fēng)溝風(fēng)速總體分布均勻，主要集中在25～30 m/s之間,這也說明了發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)完全滿足了發(fā)電機(jī)軸向風(fēng)量均勻分配的技術(shù)要求。

根據(jù)“A”電站的高水頭高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)細(xì)長的定子鐵心結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)，為其設(shè)計(jì)了無風(fēng)扇端部回風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)，并用理論計(jì)算及仿真模擬的方法得出發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的總風(fēng)量為60.38 m3/s。對真機(jī)進(jìn)行的通風(fēng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。通風(fēng)試驗(yàn)還通過測量定子風(fēng)溝的風(fēng)速分布情況，驗(yàn)證了通風(fēng)系統(tǒng)沿定子鐵心軸向風(fēng)量均勻分布的事實(shí)。

應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算軟件與成熟的試驗(yàn)測試技術(shù)相結(jié)合的方法，對于解決高水頭高速水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻方面問題具有極大的幫助。這種方法對優(yōu)化發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及預(yù)期發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行后的風(fēng)量分布及各元件的冷卻效果也具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

丁大鵬，1980年生，男，工程碩士，工程師，從事大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)研究、定轉(zhuǎn)子溫度場分析等技術(shù)研發(fā)工作。