劉傳杰

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上?！?00240)

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50 MW空冷發(fā)電機(jī)通風(fēng)溫升計(jì)算及風(fēng)路優(yōu)化

劉傳杰

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海200240)

對(duì)50 MW小型空冷發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)該通風(fēng)型式下定子線圈RTD溫度、定子線圈熱點(diǎn)溫度、定子鐵心熱點(diǎn)溫度、轉(zhuǎn)子平均溫度、轉(zhuǎn)子熱點(diǎn)溫度進(jìn)行了計(jì)算分析。在原方案基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)定、轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方案的比較計(jì)算，從中得出了溫升較低且分布較為均勻的優(yōu)化方案。

定子線圈RTD溫度；定子線圈熱點(diǎn)溫度；定子鐵心熱點(diǎn)溫度；轉(zhuǎn)子平均溫度；轉(zhuǎn)子熱點(diǎn)溫度

0　引言

目前，小容量空冷發(fā)電機(jī)越來(lái)越多的被用于生物質(zhì)發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、自備電廠等項(xiàng)目。之前，市場(chǎng)對(duì)小型發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的考量較為注重產(chǎn)品性能，現(xiàn)在的市場(chǎng)不僅對(duì)發(fā)電機(jī)性能有要求，而且對(duì)產(chǎn)品的價(jià)格給予更多關(guān)注。只有成本低、體積小、性能優(yōu)良的產(chǎn)品才能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

為了進(jìn)一步降低發(fā)電機(jī)成本，需要對(duì)現(xiàn)有發(fā)電機(jī)進(jìn)行整體方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求進(jìn)一步縮小體積，減輕質(zhì)量，提升產(chǎn)品性能。由于產(chǎn)品體積的縮小，電負(fù)荷和磁負(fù)荷往往選取的比較高，此時(shí)，需要對(duì)電機(jī)通風(fēng)和溫升進(jìn)行仔細(xì)的分析計(jì)算，以期選擇更為合理的風(fēng)路結(jié)構(gòu)及電磁負(fù)荷，既能滿(mǎn)足產(chǎn)品散熱要求，又方便加工制造，省工、省時(shí)。

本文針對(duì)50 MW發(fā)電機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行通風(fēng)溫升計(jì)算、分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1通風(fēng)系統(tǒng)概述

對(duì)于用空氣作為一次介質(zhì)進(jìn)行冷卻的小型發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其冷卻方式主要有兩種，一種為定、轉(zhuǎn)子均為表面冷卻，另一種為定子采用表面冷卻，轉(zhuǎn)子采用空內(nèi)冷結(jié)構(gòu)。就冷卻效果而言，由于增加了散熱面積，轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)較表冷結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，冷卻效果大大增強(qiáng)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)發(fā)電機(jī)容量、加工成本、制造能力等因素選擇較為合適的冷卻方式，可以達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

本文所研究50 MW空冷發(fā)電機(jī)為了縮小電機(jī)體積，采用了定子表冷，轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷的冷卻方式，其通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路示意圖如圖1所示。定子鐵心采用徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，沿軸向，出風(fēng)區(qū)和進(jìn)風(fēng)區(qū)依次排布。轉(zhuǎn)子加工有副槽，轉(zhuǎn)子線圈上開(kāi)有徑向通風(fēng)孔。

圖1　發(fā)電機(jī)風(fēng)路示意圖

1.1.1定子風(fēng)路設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及經(jīng)驗(yàn)， 50 MW發(fā)電機(jī)定子內(nèi)風(fēng)路采用一進(jìn)兩出風(fēng)路，定子風(fēng)區(qū)分為3個(gè)風(fēng)區(qū)，中間為進(jìn)風(fēng)區(qū)，兩側(cè)為出風(fēng)區(qū)，機(jī)座上焊接有通風(fēng)管道。冷風(fēng)從端部經(jīng)鐵心背部通風(fēng)管流入中間進(jìn)風(fēng)區(qū)。定子徑向風(fēng)道共有48個(gè)，沿軸向排布。定子結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2　發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)圖

1.1.2轉(zhuǎn)子風(fēng)路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子的通風(fēng)冷卻方式為：轉(zhuǎn)子本體線圈采用副槽通風(fēng)徑向冷卻系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子端部線圈采用間接冷卻。這種通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是槽楔加工方便，銅線的沖制、定位較簡(jiǎn)單；轉(zhuǎn)子表面風(fēng)摩損耗??；不需要高壓風(fēng)扇；轉(zhuǎn)子的冷卻氣體直接來(lái)自風(fēng)扇而不經(jīng)過(guò)定子加熱，冷卻效果好；轉(zhuǎn)子線圈溫升均勻。

轉(zhuǎn)子線圈本體部分及端部通風(fēng)冷卻系統(tǒng)分別如圖1和圖3所示。

圖3　轉(zhuǎn)子端部通風(fēng)示意圖

冷卻空氣經(jīng)風(fēng)扇進(jìn)入護(hù)環(huán)下和副槽內(nèi)。進(jìn)入護(hù)環(huán)下的冷風(fēng)，流經(jīng)端部線圈表面，將端部線圈的熱量帶走，熱風(fēng)從大、小齒上出風(fēng)口流出，進(jìn)入氣隙。進(jìn)入本體的冷風(fēng)從線圈上的通風(fēng)孔沿徑向進(jìn)入氣隙，直接冷卻轉(zhuǎn)子繞組。

2　原方案定轉(zhuǎn)子通風(fēng)和溫升計(jì)算

以定子軸向中心線為界，在原方案中，定子半個(gè)中部進(jìn)風(fēng)區(qū)風(fēng)道數(shù)設(shè)為7，則一側(cè)出風(fēng)區(qū)風(fēng)道數(shù)為17。按照定子通風(fēng)計(jì)算程序，將一側(cè)出風(fēng)區(qū)又分為端部出風(fēng)區(qū)和中間出風(fēng)區(qū)(進(jìn)風(fēng)區(qū)的風(fēng)進(jìn)入氣隙后由中間出風(fēng)區(qū)流出)，端部出風(fēng)區(qū)風(fēng)道數(shù)為11，中間出風(fēng)區(qū)風(fēng)道數(shù)為6。

轉(zhuǎn)子線圈槽內(nèi)部分沿徑向開(kāi)通風(fēng)孔，中心孔的排布軸向?qū)ΨQ(chēng)，整個(gè)軸向共有2×23個(gè)通風(fēng)孔，詳見(jiàn)圖4。轉(zhuǎn)子副槽采用斜副槽，端部副槽高度為36，軸向中心部位副槽高度為16。

圖4　沿軸向半個(gè)轉(zhuǎn)子線圈徑向通風(fēng)孔的布置(等節(jié)距)

利用定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溫升計(jì)算程序，對(duì)原方案定轉(zhuǎn)子溫升進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1。

表1　原方案定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溫升計(jì)算結(jié)果　℃

3　定子鐵心各進(jìn)、出風(fēng)區(qū)風(fēng)道數(shù)的優(yōu)化

為了降低定子線圈的熱點(diǎn)溫度，并進(jìn)一步改善各出風(fēng)區(qū)溫度分布的均勻性，對(duì)風(fēng)道的布置進(jìn)行了多方案的優(yōu)化計(jì)算。定子風(fēng)道優(yōu)化布置及通風(fēng)溫升計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　定子風(fēng)道優(yōu)化及溫升統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合上表來(lái)看，綜合考慮出風(fēng)區(qū)溫度的均勻性和定子線圈的溫升，定子鐵心風(fēng)道的分布推薦采用優(yōu)化方案aa-3，即：出風(fēng)區(qū)共19個(gè)風(fēng)道，半個(gè)進(jìn)風(fēng)區(qū)5個(gè)風(fēng)道。此時(shí)定子線圈RTD溫度為107.6 ℃(比原方案降低2.1 K)，定子線圈熱點(diǎn)溫度為120.3 ℃(比原方案降低2.6 K)，定子鐵心熱點(diǎn)溫度為100 ℃(比原方案降低1.9 K)，該方案的定子線圈RTD溫度和定子鐵心熱點(diǎn)溫度都最低，是最優(yōu)的選擇。

4　轉(zhuǎn)子副槽的優(yōu)化

從通風(fēng)設(shè)計(jì)角度，選取直副槽、不同斜率的斜副槽等幾種副槽類(lèi)型，進(jìn)行分析比較。為了保持轉(zhuǎn)子銅耗不變，轉(zhuǎn)子嵌線槽高度不變，副槽平均高度不變，僅僅改變副槽的斜率，比較分析副槽斜率大小對(duì)轉(zhuǎn)子本體線圈軸向溫度分布的影響。計(jì)算方案說(shuō)明詳見(jiàn)表3，線圈軸向溫度分布如圖5所示。

表3　各計(jì)算方案的副槽尺寸　mm

圖5　轉(zhuǎn)子本體軸向溫度分布

由分析計(jì)算結(jié)果可知：

1) 斜副槽結(jié)構(gòu)與直副槽結(jié)構(gòu)相比，一方面可降低副槽入口處的氣流速度，另一方面可降低壓力損失，平衡副槽內(nèi)氣體靜壓分布，均衡各徑向風(fēng)孔的流量分布，使得轉(zhuǎn)子線圈沿軸向的溫度分布更加均勻。

2) 隨著副槽斜率的降低，轉(zhuǎn)子線圈徑向風(fēng)道的流量不斷降低，轉(zhuǎn)子線圈的溫度不斷升高。方案a-1轉(zhuǎn)子線圈平均溫度最低，為99.6 ℃；方案a-2轉(zhuǎn)子線圈平均溫度為100.7 ℃；采用直副槽時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈平均溫度增加至105.7 ℃。

綜合來(lái)看，轉(zhuǎn)子副槽宜采用斜副槽結(jié)構(gòu)。在4種斜副槽方案中，a-1方案由于轉(zhuǎn)子平均溫度最低，所以為優(yōu)選方案。

5　轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)孔排布分析

為了進(jìn)一步均衡轉(zhuǎn)子線圈各徑向風(fēng)孔的流量分布，對(duì)徑向風(fēng)孔的尺寸、節(jié)距進(jìn)行多種方案的計(jì)算比較分析。

轉(zhuǎn)子線圈徑向風(fēng)孔的布置可以從以下兩個(gè)方面來(lái)考慮：

1) 在保證轉(zhuǎn)子線圈滿(mǎn)足溫升限值的前提下，盡可能的使得轉(zhuǎn)子線圈沿軸向的溫度分布均勻；

2) 盡可能的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，便于加工、制造。

圖6給出的徑向風(fēng)孔采用疏密布置，轉(zhuǎn)子線圈槽內(nèi)部分每槽27個(gè)雙排風(fēng)孔，轉(zhuǎn)子中心線有孔。兩種方案轉(zhuǎn)子線圈溫度分布如圖7所示。

圖6　沿軸向半個(gè)轉(zhuǎn)子線圈徑向通風(fēng)孔的布置(變節(jié)距)

由分析計(jì)算結(jié)果可知：

由于轉(zhuǎn)子采用斜副槽，徑向風(fēng)孔采用等節(jié)距布置時(shí)，線圈溫度較為均勻，轉(zhuǎn)子平均溫度為(100.7 ℃)，最熱點(diǎn)溫度124.4 ℃，余量比較大。

轉(zhuǎn)子線圈徑向風(fēng)孔采用變節(jié)距疏密布置時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈平均溫度為98.3 ℃，最熱點(diǎn)溫度為122.7 ℃，與等節(jié)距布置差別不大。但通風(fēng)損耗增加、加工成本增加。

綜合來(lái)看，轉(zhuǎn)子線圈徑向風(fēng)孔推薦采用等節(jié)距布置，即原方案為最優(yōu)方案。

6　結(jié)語(yǔ)

電機(jī)的風(fēng)路結(jié)構(gòu)是否合理決定了電機(jī)散熱效果的好壞，風(fēng)路設(shè)計(jì)合理，則電機(jī)散熱效果良好，溫升分布均勻，電機(jī)體積在滿(mǎn)足電、磁及機(jī)械要求的前提下，能夠做的盡量小。

針對(duì)50 MW小型空冷汽輪發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行了通風(fēng)溫升計(jì)算，在多方案對(duì)比的基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化方案。通過(guò)多方案的比較，對(duì)該結(jié)構(gòu)類(lèi)型發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻優(yōu)化方向有了初步的預(yù)判，為后期空冷發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了參考。