王 宇

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

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燈泡式水輪發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與計算

王 宇

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

重點介紹該水輪發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及計算分析。通過單路徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)與鼓風(fēng)機相結(jié)合強迫發(fā)電機內(nèi)部構(gòu)成密閉循環(huán)的通風(fēng)系統(tǒng)，再利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

燈泡式水輪發(fā)電機；通風(fēng)系統(tǒng)；通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

馬里費魯水電站項目是馬里、塞內(nèi)加爾、毛里塔尼亞、幾內(nèi)亞四國政府聯(lián)合開發(fā)的一個水電項目，位于馬里境內(nèi)塞內(nèi)加爾河上，距卡伊城15公里。馬里費魯燈泡式水輪發(fā)電機額定容量為23.5MVA，額定功率為21.15MW，額定轉(zhuǎn)速142.8rpm，是我公司自主設(shè)計制造的貫流水輪發(fā)電機組。其設(shè)計特點采用單路徑向通風(fēng)和鼓風(fēng)機相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。

1 單路徑向通風(fēng)和鼓風(fēng)機相結(jié)合結(jié)構(gòu)

燈泡式水輪發(fā)電機組的直徑小，轉(zhuǎn)速低，由轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇等元件所產(chǎn)生的風(fēng)壓較常規(guī)水輪發(fā)電機的低很多，所以不宜采用常規(guī)的自通風(fēng)冷卻方式，而需要采用具有鼓風(fēng)強迫循環(huán)軸向通風(fēng)的冷卻方式。單路徑向通風(fēng)和鼓風(fēng)機相結(jié)合結(jié)構(gòu)是目前我公司燈泡式水輪發(fā)電機廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)，包括炳靈、蜀河的設(shè)計都采用了此種結(jié)構(gòu)。冷卻空氣主要由轉(zhuǎn)子支架、 磁軛、 磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)扇作用進入轉(zhuǎn)子支架進風(fēng)口， 流經(jīng)磁軛通風(fēng)孔、磁極極間、氣隙、定子徑向風(fēng)溝，冷卻氣體攜帶發(fā)電機損耗熱匯集到定子鐵心背部，經(jīng)機壁環(huán)板通風(fēng)孔，到冷卻器與冷卻水進行熱交換，散去熱量后，經(jīng)鼓風(fēng)機壓入轉(zhuǎn)子支架，構(gòu)成密閉強迫通風(fēng)系統(tǒng)，另外，匯集到鐵心背部的熱風(fēng)還會通過機座壁與河水進行熱交換散去部分熱量(見圖1)。

轉(zhuǎn)子支架進風(fēng)口是冷卻風(fēng)量的主要過流通道，其結(jié)構(gòu)尺寸的選取一方面應(yīng)考慮滿足冷卻氣體順利流過及安裝檢修維護需要；另一方面還要考慮轉(zhuǎn)子支架的剛強度要求，對轉(zhuǎn)子支架整體和通風(fēng)口作有限元分析，對正常運行工況(見圖2)，和飛逸工況分別進行了受力分析(見圖3)。

經(jīng)過計算通風(fēng)孔處在正常工況下，綜合應(yīng)力為88.342MPa，安全系數(shù)達到5.09；在飛逸工況下，綜合應(yīng)力為200.687MPa，安全系數(shù)達到2.25，滿足合同要求的1.5倍安全系數(shù)。轉(zhuǎn)子上下圓盤各有10個轉(zhuǎn)子支架進風(fēng)口，上游側(cè)入口有兩個面積為0.214m2、八個面積為0.188m2,最小內(nèi)徑為R=1113mm，最大內(nèi)徑為R=1520mm。下游側(cè)入口有兩個面積為0.187m2、八個面積為 0.138m2,入口最小內(nèi)徑為R=1113mm，最大內(nèi)徑為R=1482mm。磁軛通風(fēng)孔是冷卻風(fēng)量過流通道的咽喉，磁軛通風(fēng)口的位置和大小的選擇直接影響風(fēng)量的均勻分配及冷卻效果，分析計算磁軛圈通風(fēng)孔設(shè)計為7段。定子徑向風(fēng)溝數(shù)取44, 定子徑向風(fēng)溝高取6mm。機壁環(huán)板通風(fēng)孔是控制發(fā)電機風(fēng)量分配的關(guān)鍵部位之一，通過與定子風(fēng)溝數(shù)的合理分配，可以較好地分配發(fā)電機的風(fēng)量，由于采用通風(fēng)孔貼壁結(jié)構(gòu)，更有利冷卻氣體與河水之間的熱交換，減輕了冷卻器的負(fù)擔(dān)。經(jīng)分析計算機壁環(huán)板通風(fēng)孔沿圓周每個環(huán)板均勻開設(shè)42個。擋風(fēng)板位置，由于本臺電機采用單路徑向通風(fēng)方式，在限制端部風(fēng)量的同時為了保證冷卻氣體盡量從線圈端部流過，必須加固定擋風(fēng)板，上游側(cè)將線圈端部與擋風(fēng)板間隙用橡膠擋死。對于鼓風(fēng)機的選擇，在選擇風(fēng)機前，需計算通風(fēng)系統(tǒng)的阻力特性，然后根據(jù)工作點的壓力及流量去確定風(fēng)機的外特性，選擇合適的風(fēng)機，本臺電機采用6臺鼓風(fēng)機。

2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

我們根據(jù)機組的結(jié)構(gòu)，使用流體計算軟件進行水輪發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)計算。流體包括可壓縮和不可壓縮兩種，可進行流體的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析及流體動力計算。應(yīng)用從ABB引進的Flowmaster軟件進行計算分析，軟件可以模擬發(fā)電機風(fēng)路，其中包括鼓風(fēng)機、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極極間的壓力元件及阻力元件；氣隙、定子風(fēng)溝、冷卻器等阻力元件，這些元件都用網(wǎng)絡(luò)元件來模擬。我們應(yīng)用該軟件已在炳靈、蜀河等電站的水輪發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)進行了分析計算，機組運行時冷卻效果良好。

計算軟件的后處理可在網(wǎng)絡(luò)上顯示流量、流速、壓力等變量，還可繪出各種類型的圖，顯示方便、清晰，易于理解和分析。

根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可分析得出：設(shè)計總風(fēng)量為18.94m3/s，1#～6#鼓風(fēng)機徑向通風(fēng)量為3.1m3/s、2.968m3/s、2.872m3/s、2.838m3/s、2.835m3/s、2.867m3/s，當(dāng)風(fēng)量通過阻力元件時風(fēng)量有所損耗，1#～6#鼓風(fēng)機徑向通風(fēng)量降為2.574m3/s、2.63m3/s、2.195m3/s、2.207m3/s、1.999m3/s、1.991m3/s通風(fēng)損耗38KW，通風(fēng)系統(tǒng)通過補氣系統(tǒng)補進2.094m3/s。通過網(wǎng)絡(luò)計算分析得出此結(jié)構(gòu)可滿足機組的通風(fēng)要求，詳細(xì)的計算結(jié)果可詳見圖4。

3 結(jié)語

馬里費魯電站燈泡式水輪發(fā)電機的通風(fēng)設(shè)計充分考慮了機組直徑小，轉(zhuǎn)速低等特點，在保證機組安全可靠性的同時，多次對通風(fēng)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，最終采用單路徑向通風(fēng)和鼓風(fēng)機相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。在通風(fēng)元件中特別考慮了轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)子支架的受力情況，經(jīng)過有限元受力分析，使轉(zhuǎn)子支架在最安全穩(wěn)定的受力區(qū)域內(nèi)保證通風(fēng)效果。并且運用了先進的流體計算軟件搭建了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，精確的計算出機組運行時的各個風(fēng)路的風(fēng)量情況，使發(fā)電機各項通風(fēng)冷卻性能指標(biāo)優(yōu)良，滿足了機組長期安全可靠運行的需要。

馬里費魯電站燈泡式水輪發(fā)電機是我公司獨立自主設(shè)計的機組，該項目采用單路徑向通風(fēng)和鼓風(fēng)機相結(jié)合的結(jié)構(gòu)為今后設(shè)計制造燈泡式水輪發(fā)電機提供了重要的實踐經(jīng)驗。

[1] 白延年.水輪發(fā)電機設(shè)計與計算.北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2] 李永峰.燈泡貫流式機組發(fā)電機通風(fēng)冷卻方式.廣東水利水電，2002.

[3] 鄭發(fā)平，宋文武，李建秀.燈泡貫流式水輪發(fā)電機通風(fēng)冷卻的計算研究.西昌學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)報，2009.

Structure and Calculation on Ventilating System of Lamp Irradiating-Type Hydro-Generator

WangYu

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

This paper chiefly introduces structure and calculation analysis for ventilating system of this hydro-generator. Closed-loop ventilating system inside the generator is forcedly composed by combination of single-path radial ventilating structure and air blower, and then optimized structure is further calculated by ventilating net.

Lamp irradiating-type hydro-generator；ventilating system；ventilating net

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.06

TM301.4+1

B

1008-7281(2016)05-0021-003

王宇 男 1982年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機的設(shè)計工作.

2016-05-13