安志華，秦光宇，宮海龍

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

向家壩水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說明

安志華，秦光宇，宮海龍

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

本文敘述了向家壩水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)、冷卻方式和發(fā)熱參數(shù)的選擇，介紹了該電機(jī)風(fēng)量及各部分溫度分布的計(jì)算方法，探討了通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)冷卻效果的影響。通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果，檢驗(yàn)計(jì)算的準(zhǔn)確性，并對(duì)局部流場提出優(yōu)化措施。

水輪發(fā)電機(jī)；通風(fēng)系統(tǒng)；溫度場；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

0 引言

向家壩水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為888.9MVA，每極容量為11.11MVA，是目前國內(nèi)成功投運(yùn)的最大容量的全空氣冷卻水輪發(fā)電機(jī)。近年來哈電機(jī)率先開發(fā)了全空氣冷卻的三峽右岸、拉西瓦、小灣、龍灘等700MW級(jí)水輪發(fā)電機(jī)，在開發(fā)的過程中，受到很大的啟發(fā)，全空氣冷卻技術(shù)也得到飛速的發(fā)展。

隨著機(jī)組單機(jī)容量的不斷提高，加劇了發(fā)電機(jī)的冷卻難度。因此，各電機(jī)制造廠更加注重對(duì)電壓、支路數(shù)與槽電流的匹配、熱流密度分析計(jì)算及熱負(fù)荷的控制，并從提高計(jì)算精度、不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)入手，對(duì)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)及絕緣系統(tǒng)等進(jìn)行整體優(yōu)化、創(chuàng)新。向家壩水輪發(fā)電機(jī)的槽電流為6415A，熱負(fù)荷為2486.9A2/mm2·cm，在全空氣冷卻經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)。

本文說明了向家壩水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流場特點(diǎn)，通過計(jì)算求出發(fā)電機(jī)的總風(fēng)量及風(fēng)量沿軸向的分配，并依據(jù)風(fēng)速的大小，選擇了散熱系數(shù)等參數(shù)，進(jìn)行了各部分溫度場計(jì)算，分析了定子線圈等沿軸向的分布規(guī)律。

1 通風(fēng)計(jì)算基本方法

根據(jù)物質(zhì)不滅定律，在通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)流入和流出任意流道的冷卻氣體流量應(yīng)該相等，于是對(duì)于通風(fēng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均應(yīng)有：

根據(jù)能量守恒定律及流體伯努力方程，對(duì)于通風(fēng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的任意閉合回路，都應(yīng)有冷卻流體的流動(dòng)壓力變化總和為零。即：

由于通風(fēng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中支路兩端的壓差與支路流量呈非線性，因此要將其線性化。通風(fēng)冷卻的計(jì)算方法可以采用簡化流體流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)為一線性網(wǎng)絡(luò)的分析方法，用一個(gè)收斂的質(zhì)量流量法迭代求解網(wǎng)絡(luò)問題，建立各節(jié)點(diǎn)的多個(gè)支路的線性方程矩陣，進(jìn)行求解，計(jì)算電機(jī)的總風(fēng)量及風(fēng)量分配。

2 定子溫度場計(jì)算原理

應(yīng)用有限元法進(jìn)行向家壩水輪發(fā)電機(jī)各部分溫度場計(jì)算，利用幾何元素和布爾運(yùn)算操作生成基本的幾何形狀，在建立實(shí)體模型同時(shí)劃分網(wǎng)格來生成節(jié)點(diǎn)和單元。

考慮邊值問題，在直角坐標(biāo)下，各向異性介質(zhì)中的三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程是：

式中：λx、λy、λz為x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，Ω1、Ω3為邊界條件。

通過變分問題離散形成有限元方程為:

3 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

向家壩水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為75r/min，轉(zhuǎn)子外緣周速約為76m/s，相對(duì)而言，轉(zhuǎn)子外圓周速不是很高，長徑比較小，通過控制轉(zhuǎn)子的外徑和轉(zhuǎn)子支架入風(fēng)口的位置，可形成需要的離心壓頭，驅(qū)送空氣在通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)，與發(fā)電機(jī)的發(fā)熱部件進(jìn)行熱交換，達(dá)到滿足通風(fēng)散熱的需要。

向家壩水輪發(fā)電機(jī)采用雙路徑向無風(fēng)扇端部回風(fēng)密閉自循環(huán)全空氣冷卻方式。冷卻空氣由轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)扇作用進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架入口，流經(jīng)磁軛風(fēng)道、磁極極間、氣隙、定子徑向風(fēng)溝，冷卻氣體攜帶發(fā)電機(jī)損耗熱經(jīng)定子鐵心背部匯集到冷卻器與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，構(gòu)成密閉自循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

發(fā)電機(jī)的容量、鐵心長度、轉(zhuǎn)速、損耗的產(chǎn)生位置和大小都影響通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要冷卻各發(fā)熱部件，使其溫升低于要求的溫升限值，更要控制溫度的不均勻度，以避免定子鐵心的翹曲、絕緣脫殼等問題。在通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由通風(fēng)系統(tǒng)各部分尺寸的選擇來決定風(fēng)量的大小，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來改善流道的條件以降低流道的壓力損失，對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)局部擋板、密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以避免流體產(chǎn)生風(fēng)堵、死區(qū)、渦流等現(xiàn)象，因此，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是提供高效冷卻條件，較小通風(fēng)損耗的基礎(chǔ)。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)冷卻效果的影響

向家壩水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)采用的是分塊旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，較固定擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)具有更簡捷、易于維護(hù)、檢查及方便各種輔助部件布置的優(yōu)點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)大量的已投運(yùn)水輪發(fā)電機(jī)，在轉(zhuǎn)子外圓周速不是很高的機(jī)組上應(yīng)用該結(jié)構(gòu)，其圓盤效應(yīng)較小，對(duì)于轉(zhuǎn)子線圈端部的冷卻更加有利，是一種比較理想的密封結(jié)構(gòu)。

4.1 定子鐵心通風(fēng)溝

定子鐵心通風(fēng)溝是冷卻氣體的主要過流通道，對(duì)冷卻定子鐵心及定子線圈起著重要的作用。統(tǒng)計(jì)定子鐵心通風(fēng)溝的高度，主要有10mm、8mm、6mm、5mm、4mm幾種，如果選擇較小的通風(fēng)溝高度，會(huì)因通風(fēng)溝數(shù)量增加，使對(duì)流換熱面積相應(yīng)增大，但通風(fēng)溝高度降低又會(huì)使流道的水力直徑減小，流體在流道中的壓力損失上升，風(fēng)量隨之減小。在定子鐵心通風(fēng)溝的設(shè)計(jì)上，結(jié)合定子各部分溫度的計(jì)算結(jié)果和風(fēng)量的分布來確定。經(jīng)計(jì)算分析，定子鐵心通風(fēng)溝數(shù)取為69，高度取為6 mm。

4.2 轉(zhuǎn)子支架

在旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子支架擋風(fēng)板與轉(zhuǎn)子支架能夠產(chǎn)生一定的壓頭，同時(shí)，在入風(fēng)口等位置伴隨著壓力損失。通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)子支架位置和結(jié)構(gòu)尺寸的確定在滿足形成足夠壓力的同時(shí)，以減小支架入口損失，調(diào)節(jié)風(fēng)量為設(shè)計(jì)的目的。轉(zhuǎn)子支架與磁軛之間的間隙采用密封結(jié)構(gòu)可有效減少漏風(fēng)，從而降低通風(fēng)損耗，提高發(fā)電機(jī)的效率。向家壩水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架為斜筋結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子支架擋風(fēng)板內(nèi)徑為Φ8400mm。

4.3 磁軛通風(fēng)道

磁軛通風(fēng)道是冷卻流體過流通道的咽喉，直接影響風(fēng)量的均勻分配及冷卻效果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，通過對(duì)磁軛沖片縫隙對(duì)應(yīng)的入口、出口處進(jìn)行導(dǎo)角等處理，削弱流體與流道的碰撞，降低系統(tǒng)的阻力。磁軛風(fēng)溝的設(shè)計(jì)，一方面要保證需要的尺寸，另一方面導(dǎo)風(fēng)帶的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保持過流通道流暢。

向家壩水輪發(fā)電機(jī)的磁軛通風(fēng)道由磁軛風(fēng)溝和磁軛縫隙組成，分析計(jì)算磁軛風(fēng)溝高取40mm，風(fēng)溝數(shù)取14。磁軛風(fēng)溝入口寬為550mm，磁軛風(fēng)溝出口寬為200mm。磁軛縫隙入口寬為140mm，磁軛縫隙出口寬為140mm，磁軛縫隙高度為12mm。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磁軛疊片方式

4.4 磁極支撐

為了增加磁軛通風(fēng)道出口的過流面積，保證有足夠的冷卻風(fēng)量，磁極采用玻璃管注膠結(jié)構(gòu)支撐，該結(jié)構(gòu)占用空間較小，流體流出磁軛時(shí)的壓力損失相對(duì)也會(huì)有所改善。

4.5 磁極線圈

為了增加磁極線圈的散熱面積，改善磁極線圈的通風(fēng)冷卻效果，向家壩水輪發(fā)電機(jī)磁極線圈采用帶散熱匝的形式。

4.6 冷卻器的選擇

冷卻器是電機(jī)的熱交換部件，冷卻器的傳熱性能和風(fēng)阻性能決定其尺寸的大小，穿片式冷卻器的散熱面積大，在散熱片上設(shè)計(jì)有坡口進(jìn)行擾流，增加流體的紊流程度，提高散熱片與流體的對(duì)流換熱。向家壩水輪發(fā)電機(jī)選擇的是穿片式冷卻器。圖3為穿片式冷卻器模型散熱元件圖。

國家標(biāo)準(zhǔn)及合同一般要求空氣冷卻器冷卻容量的設(shè)計(jì)裕度應(yīng)不小于115%，且應(yīng)保證電機(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)，當(dāng)冷卻水溫不大于專用技術(shù)規(guī)范規(guī)定水溫時(shí)，冷卻器出口空氣溫度不超過40℃等。向家壩水輪發(fā)電機(jī)用冷卻器的設(shè)計(jì)是按非正常工況時(shí)，正常運(yùn)行的冷卻器出風(fēng)與事故冷卻器出風(fēng)（熱風(fēng)）混合后的風(fēng)溫作為電機(jī)的冷風(fēng)溫度來設(shè)計(jì)的，并且該冷風(fēng)溫度不高于40℃，保證規(guī)定數(shù)量的冷卻器故障狀態(tài)下，其余的空氣冷卻器仍能承擔(dān)并完成冷卻任務(wù)。

圖3 穿片式冷卻器模型散熱元件

5 通風(fēng)系統(tǒng)和溫度場的計(jì)算

5.1 通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算

在水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，冷卻流體的壓力損失主要包括局部損失和沿程摩擦損失。流道變形、分流及合流等阻力引起局部損失，流道的水力直徑、流道內(nèi)冷卻流體的雷諾數(shù)及流道的光滑程度等與沿程摩擦損失相關(guān)，一般局部損失遠(yuǎn)大于沿程摩擦損失。本文根據(jù)發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合選用的材料和制造水平確定阻力系數(shù)和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，通過通風(fēng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整盡量降低各部分損失。圖4為向家壩水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，具體風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 向家壩電站機(jī)組的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

按氣體溫升28K考慮，向家壩水輪發(fā)電機(jī)所需風(fēng)量約為309m3/s，設(shè)計(jì)風(fēng)量為340.2m3/s。上風(fēng)道風(fēng)量約占總風(fēng)量的57%，下風(fēng)道風(fēng)量約占總風(fēng)量的43%，銅環(huán)等發(fā)熱部件集中在上風(fēng)道中，上風(fēng)道的風(fēng)量比下風(fēng)道略高是比較合理的。

圖5 通風(fēng)計(jì)算結(jié)果

5.2 定子溫度場計(jì)算

這里以向家壩水輪發(fā)電機(jī)半齒半槽沿軸向?yàn)橛?jì)算區(qū)域，根據(jù)絕緣規(guī)范和相關(guān)結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，在通風(fēng)溝內(nèi)流體與固定面選用第三類邊界條件，即流體的溫度和流體與邊界面的對(duì)流換熱系數(shù)。另外，由于鐵心疊片、線圈股線絕緣等因素的影響，計(jì)算中考慮了材料的三維各向異性。圖6為定子計(jì)算區(qū)域溫度分布云圖。

表1為發(fā)電機(jī)額定容量下定子線圈沿軸向的最熱點(diǎn)溫度值（對(duì)應(yīng)于每個(gè)鐵心段中間位置），根據(jù)表1數(shù)據(jù)在圖7中示出了線圈溫度分布情況，圖中1-4節(jié)點(diǎn)為非傳動(dòng)端端部線圈溫度，5節(jié)點(diǎn)為非傳動(dòng)端端部直線段線圈溫度，6-75節(jié)點(diǎn)為與各鐵心段位置對(duì)應(yīng)的線圈溫度值，76節(jié)點(diǎn)為傳動(dòng)端端部直線段線圈溫度，77-80節(jié)點(diǎn)為傳動(dòng)端端部線圈溫度。

圖6 定子溫度分布云圖

基于冷風(fēng)40℃進(jìn)行各部分溫度計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以看出，定子線圈銅排最高點(diǎn)溫度為119.7℃，最熱點(diǎn)溫度處在中間位置的上層線圈上。鐵心溫度分布見圖8，計(jì)算結(jié)果說明，定子鐵心軛背部及齒頂處溫度較低，定子鐵心的最熱點(diǎn)溫度為80.9℃。根據(jù)額定容量下，定子鐵心沿軸向的熱點(diǎn)溫度值（從非傳動(dòng)端至傳動(dòng)端各鐵心段對(duì)應(yīng)的溫度值）繪制了定子鐵心沿軸向的溫度分布，如圖9所示。

圖7 發(fā)電機(jī)定子線圈沿軸向的溫度分布曲線

圖8 定子鐵心溫度分布云圖

圖9 發(fā)電機(jī)定子鐵心沿軸向的溫度分布

溫度分布曲線說明無論定子線圈還是定子鐵心，沿軸向的溫度分布都是比較均勻的，通風(fēng)系統(tǒng)冷卻效果良好。

5.3 轉(zhuǎn)子溫度場計(jì)算

轉(zhuǎn)子溫度場計(jì)算以轉(zhuǎn)子半軸向?yàn)橛?jì)算區(qū)域，磁極底部采用第一類邊界條件，磁極線圈兩側(cè)施加第三類邊界條件。由于磁極兩側(cè)存在迎風(fēng)面和背風(fēng)面的差別，迎風(fēng)面的散熱系數(shù)要高于背風(fēng)面的散熱系數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)子外圓周邊速度及物性參數(shù)計(jì)算散熱系數(shù)，對(duì)極靴表面、線圈托板等施加第三類邊界條件。根據(jù)電磁計(jì)算得到的損耗值，對(duì)磁極線圈、極靴表面、阻尼條等施加熱源。圖10為轉(zhuǎn)子剖分網(wǎng)格圖，圖11為轉(zhuǎn)子溫度分布云圖。表2 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在額定工況下迎風(fēng)面、背風(fēng)面磁極線圈溫度分布，根據(jù)表2數(shù)據(jù)在圖12中示出了磁極線圈溫度分布曲線。

表1 發(fā)電機(jī)定子線圈沿軸向的溫度分布

圖10 轉(zhuǎn)子剖分網(wǎng)格圖

圖11 轉(zhuǎn)子溫度分布云圖

表2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈溫度

轉(zhuǎn)子最熱點(diǎn)溫度為107.8℃，轉(zhuǎn)子迎風(fēng)面溫度較背風(fēng)面溫度略低。

以上分析說明定、轉(zhuǎn)子溫升均在合理范圍內(nèi)。滿足向家壩水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)規(guī)范中設(shè)備特性和性能保證要求。

圖12 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈沿軸向的溫度分布曲線

6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與試算結(jié)果對(duì)比

向家壩水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行后，哈電機(jī)進(jìn)行了通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量、下風(fēng)道風(fēng)量測量和流場觀測。用“中速風(fēng)表”測量冷卻器處的平均出風(fēng)速度，此風(fēng)速值與冷卻器面積及個(gè)數(shù)相乘即得到了總風(fēng)量的測量值。下風(fēng)道風(fēng)量采用相同的方法進(jìn)行了測量。另外，試驗(yàn)時(shí)還進(jìn)行了流場觀察，掌握了空氣的流動(dòng)方向和狀態(tài)。表3為冷卻器處的風(fēng)速測量值，表4為下風(fēng)道風(fēng)速和風(fēng)溫的測量值。

表3 冷卻器處的風(fēng)速測量值

通過以上測得的風(fēng)速可以求得總風(fēng)量約為358.7m3/s，下風(fēng)道風(fēng)量約為91.24 m3/s。風(fēng)道風(fēng)溫30.4～35.8℃，下風(fēng)道風(fēng)量約占總風(fēng)量的25%，與計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。實(shí)測風(fēng)量與計(jì)算的總風(fēng)量340.2m3/s對(duì)比，誤差在5.4%左右。盡管通風(fēng)系統(tǒng)冷卻效果良好，滿足冷卻要求，但若對(duì)上下風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)面積進(jìn)行控制，可使風(fēng)量分配更加合理。

表4 下風(fēng)道風(fēng)速測量和風(fēng)溫

7 結(jié)論

向家壩水輪發(fā)電機(jī)的槽電流、熱負(fù)荷等均在全空氣冷卻可靠經(jīng)驗(yàn)取值范圍內(nèi)，采用全空氣冷卻方式是非常合適的。

向家壩水輪發(fā)電機(jī)的計(jì)算風(fēng)量為340.2m3/s，實(shí)測風(fēng)量約為358.7m3/s，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小。

定、轉(zhuǎn)子各部分溫度分布的計(jì)算結(jié)果及機(jī)組運(yùn)行實(shí)際說明，定、轉(zhuǎn)子溫升均在合理范圍內(nèi)，滿足并優(yōu)于技術(shù)規(guī)范中設(shè)備特性和性能保證要求。

Designof Ventilation Cooling System and Structure Features of Xiangjiaba Hydro Generator

AN Zhihua, QIN Guangyu, GONG Hailong
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The text talks about the features of ventilation system, cooling method and the choice of fever parameters of the Xiangjiaba Hydro Generator. It also introduces the calculation method of air flow and temperature distribution in each part and discusses the influence of ventilation system structure on the ventilation cooling effect .By comparing the test data and the calculation results, we check out the accuracy of the calculation and put forward the optimization measures on the local flow field.

hydro generator; ventilation system; temperature field; structure features

TM312

A

1000-3983(2016)02-0007-05

2015-04 -30

安志華（1968-），1989年畢業(yè)于華中理工大學(xué)電力工程專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)的通風(fēng)冷卻研究工作，工程師。

審稿人：李廣德

黑龍江省博士后基金(LBH-Z12270)