童水光，唐 寧，董成舉，從飛云，趙 威

(浙江大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 前 言

水輪發(fā)電機電機發(fā)熱問題一直是工程中備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。水輪發(fā)電機內(nèi)的溫度場分布是多個物理場相互耦合，相互影響的結(jié)果。電機內(nèi)部的通風(fēng)散熱主要是以對流換熱的方式進行的，其中定子部分的換熱是很重要的一部分，許多專家學(xué)者在這個方面做了大量卓有成效的工作。

霍菲陽等[1]在保持電機總尺寸、損耗和通風(fēng)溝數(shù)量不變的前提下，改變鐵厚度以及在保持電機總尺寸和損耗不變，增加通風(fēng)溝的數(shù)量同時減小通風(fēng)溝尺寸兩種方案下研究通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)尺寸等幾何量變化對電機溫度場的影響。結(jié)果表明兩種方案下電機內(nèi)溫度較高的結(jié)構(gòu)件溫度計算值均有下降。張帆等[2]研究了定子扇形片和封膠厚度為定子溫度場的影響。溫嘉斌等[3- 4]在定子通風(fēng)槽鋼長度不變的基礎(chǔ)上，改變定子通風(fēng)槽鋼近軸端徑向位置來分析定子通風(fēng)溝繞組兩側(cè)的流動特性，結(jié)果表明定子通風(fēng)槽鋼近軸端的徑向位置對定子通風(fēng)溝內(nèi)的冷卻影響較大。本文以某型貫流式水輪發(fā)電機為參考模型，采用有限體積法對發(fā)電機定子部分通風(fēng)溝內(nèi)的流場和溫度場進行了分析，然后在定子通風(fēng)溝內(nèi)靠近線圈壁面高溫區(qū)域設(shè)置縱向渦發(fā)生器改進其通風(fēng)散熱效果，在此基礎(chǔ)上研究了縱向渦發(fā)生器的沖角和高度等幾何因素對散熱效果的影響。

1 通風(fēng)系統(tǒng)分析計算模型及方法

1.1 物理模型

對于軸徑向通風(fēng)冷卻方式的燈泡貫流式水輪發(fā)電機由于其結(jié)構(gòu)具有對稱性，定子通風(fēng)系統(tǒng)溫度場模型在軸向取一層通風(fēng)溝，圓周方向上選取3個齒距以提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖1 所示。其中包括定子鐵心，定子線圈。

圖1 定子通風(fēng)系統(tǒng)物理模型

1.2 基本假設(shè)與邊界條件

基本假設(shè)：①徑向風(fēng)溝內(nèi)的雷諾數(shù)很大，因此采用湍流模型來進行計算；②為計算簡便，使上下層線圈合并在一起作為熱源，同時槽楔也近似為與槽等寬；③本文只研究通風(fēng)溝內(nèi)穩(wěn)定的流動狀態(tài)，故流動屬于定常流動。

定子通風(fēng)系統(tǒng)流場及溫度場計算邊界條件：①線圈與通風(fēng)溝接觸表面和通風(fēng)槽鋼兩側(cè)均為無滑移邊界條件，在這些面上流體的速度為零；②通風(fēng)溝的入口采用速度入口條件，出口采用壓力出口條件壓力設(shè)定為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；③入口流體的溫度為313 K。

本計算采用FLUENT商業(yè)軟件進行，整個計算區(qū)域共有約529 801個有限體單元，94 752個節(jié)點。

本文中控制方程的離散采用有限體積法，對流項的離散采用二階迎風(fēng)格式，擴散項采用中心差分格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法。具體控制方程見文獻(xiàn)[5]，此處不再贅述。

2 流場及溫度場計算結(jié)果與分析

2.1 溫度場計算結(jié)果

通過溫度場計算可得定子通風(fēng)系統(tǒng)溫度分布情況。取模型軸向中面，得到額定工況溫度場分布如圖2所示。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)溫度場分布(單位：K)

由溫度場云圖可以看到，定子通風(fēng)系統(tǒng)溫度分布仍關(guān)于槽鋼對稱分布。線圈部分溫升較高，是整個計算模型的最高溫度區(qū)域。齒部靠近線圈部分溫度較高，主要是因為靠近熱源區(qū)域，另外由于邊界層的存在也阻擾了流體與線圈表面的換熱。軛部高溫區(qū)域主要集中在線圈的后面，此處與流場分析中漩渦存在區(qū)域?qū)?yīng)起來。同時可知圖2中方框所示區(qū)域溫度較低，冷卻氣體的冷卻能力未能充分利用。

通過以上分析可知，若能充分利用冷卻氣體的冷卻能力，降低定子鐵心齒部接近線圈的壁面以及線圈后面的軛部部分的溫升，可最終降低線圈部分的最高溫升。因此如何充分利用這部分氣體的冷卻能力是定子通風(fēng)系統(tǒng)散熱優(yōu)化的一個關(guān)鍵問題。

2.2 試驗結(jié)果對比

為了比較水輪發(fā)電機定子線圈溫升情況，采用埋置檢溫計法測定定子線圈的溫度。根據(jù)規(guī)定電阻埋置在定子槽內(nèi)上下層線圈之間位置。把額定工況下在定子線圈測得的溫度與數(shù)值計算結(jié)果進行對比。由于測點較多，因此取12個測點溫度平均值與相應(yīng)位置計算得到的溫度平均值進行對比，實測值為368.7 K，計算值為362.9 K。計算結(jié)果誤差在一定的范圍內(nèi)比較可靠，說明采用所給定的基本假設(shè)和邊界條件計算定子通風(fēng)系統(tǒng)溫度場的有效性。

3 基于渦發(fā)生器的散熱優(yōu)化方法

定子鐵心齒部貼近線圈的壁面以及線圈后面的軛部由于靠近線圈，表面具有一層熱邊界層，熱邊界層的存在降低系統(tǒng)的散熱效果。同時通過分析可知定子通風(fēng)槽內(nèi)冷卻氣體冷卻能力未能充分發(fā)揮。因此減薄線圈壁面的熱邊界層并充分利用冷卻氣體冷卻能力可增強系統(tǒng)的散熱效果。在定子通風(fēng)溝內(nèi)設(shè)置縱向渦發(fā)生器是一種增強散熱改進方案。

3.1 縱向渦發(fā)生器研究

縱向渦發(fā)生器相當(dāng)于傳熱表面的一種特殊延伸方法，流體經(jīng)過縱向渦發(fā)生器后能產(chǎn)生縱向漩渦，這是一種旋轉(zhuǎn)方向與流體流動方向一致的二次流，它能破壞流體的流動邊界層和熱邊界層，擾亂流體的流動，增強冷熱流體之間的混合[6- 9]。

過增元教授[10]從速度場和溫度場的協(xié)同性角度分析流動換熱過程，提出了場協(xié)同理論，并得到傳熱過程中的無量綱關(guān)系式

(1)

(2)

3.2 增加縱向渦發(fā)生器后的溫度場計算結(jié)果

本文考慮通過在定子通風(fēng)溝內(nèi)設(shè)置縱向渦發(fā)生器增強散熱，并改變縱向渦發(fā)生器的幾何因素以觀察其最佳增強散熱設(shè)置方案。

模型中最高的溫度區(qū)域是線圈部分，所以把縱向渦發(fā)生器設(shè)置在齒部通風(fēng)溝內(nèi)貼近線圈處。本文中設(shè)置縱向渦發(fā)生器與來流的的夾角為45°，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，通風(fēng)溝的層間高度為8 mm，此處設(shè)置渦發(fā)生器的高度為5 mm。

圖3 帶渦發(fā)生器的定子通風(fēng)系統(tǒng)

經(jīng)分析在定子通風(fēng)溝齒部設(shè)置了縱向渦發(fā)生器之后，縱向渦發(fā)生器后方形成了明顯的縱向渦，縱向渦將高能量的流體引向齒部線圈表面，整個通風(fēng)系統(tǒng)中最大風(fēng)速也由未設(shè)置縱向渦發(fā)生器時的19.3 m/s增大至23.7 m/s。由于縱向渦的存在，齒部通風(fēng)溝內(nèi)的湍流程度明顯增強，這都有利于減小邊界層流的高度，增強散熱效果。線圈的最高溫度為354 K，比著原來的模型降低了9 K，說明縱向渦發(fā)生器對于散熱效果的增強有一定的作用。

3.3 渦發(fā)生器沖角對散熱效果的影響分析

沖角是縱向渦發(fā)生器的長度方向與來流氣體流動方向的夾角。為研究沖角大小對縱向渦發(fā)生器增強散熱效果的影響，本文在縱向渦發(fā)生器的位置，尺寸等因素不變的情況下設(shè)置若干組不同沖角(15°、30°、45°、60°、75°、90°)的縱向渦發(fā)生器結(jié)構(gòu)，分別研究相應(yīng)情況下流場及溫度場的分布情況，通過計算得到最高溫度結(jié)果如圖4所示。

圖4 最高溫度隨縱向渦發(fā)生器沖角的變化

在沖角為45°時散熱效果最為明顯，縱向渦發(fā)生器后產(chǎn)生的渦主要為縱向渦，而沖角大于45°后其后產(chǎn)生的渦橫向渦的成分越來越多，沖角為90°時其后產(chǎn)生的全部為橫向渦[11]。

為了研究縱向渦發(fā)生器高度對散熱效果的影響，設(shè)置了多組對比模型，定子通風(fēng)溝的垂直高度為8 mm，故縱向渦發(fā)生器的高度設(shè)置為1～7 mm。同時由于入口風(fēng)速的變化對通風(fēng)系統(tǒng)的溫度場較大的影響，故本文在改變縱向渦發(fā)生器高度的基礎(chǔ)上設(shè)置了9組不同的入口風(fēng)速(2～18 m/s)進行比較分析。

圖5為最高溫度的下降量隨縱向渦發(fā)生器高度的變化，橫坐標(biāo)為縱向渦發(fā)生器的高度，縱坐標(biāo)是相比未設(shè)置縱向渦發(fā)生器通風(fēng)系統(tǒng)最大溫降的絕對值。圖6顯示的是同一高度的縱向渦發(fā)生器在不通風(fēng)速下對散熱效果的影響，縱坐標(biāo)為通風(fēng)系統(tǒng)入口處的風(fēng)速，縱坐標(biāo)為在相應(yīng)的風(fēng)速及縱向渦發(fā)生器高度下通風(fēng)系統(tǒng)的最高溫度值。

圖5 最高溫度隨渦發(fā)生器高度降低量

圖6 最高溫度隨入口風(fēng)速變化量

由圖5可知，在控制風(fēng)速不變的情況下，隨著縱向渦發(fā)生器的高度增加通風(fēng)系統(tǒng)最高溫度一直在下降，且變化值越來越大。由于縱向渦發(fā)生器高度的增加，其擾流的能力逐漸增強，通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)流體的湍流度增大，故可以帶走更多的熱量。隨著高度的增加，這種影響逐漸變小，雖然仍然可以帶走更多的熱量但是對流體流動的阻力也變得更大。從圖中可以看出，在高度為1～5 mm時隨著高度的增加溫度的變化較明顯，5 mm之后溫度的變化相對較緩慢，因此在本文中5 mm是最合適的縱向渦發(fā)生器高度值。

從圖5及圖6中還可得到，風(fēng)速對縱向渦發(fā)生器的散熱作用也有很大的影響。風(fēng)速范圍在2～12 m/s范圍時，縱向渦發(fā)生器對散熱效果的影響非常明顯，圖中可知在風(fēng)速為2 m/s時最大溫降甚至可達(dá)34 K。風(fēng)速較大時，縱向渦發(fā)生器對通風(fēng)系統(tǒng)的散熱仍具有一定的影響，但是影響相對低風(fēng)速時較小，在風(fēng)速為18 m/s時最大溫降僅為7 K。隨著風(fēng)速的增大，通道內(nèi)的流體雷諾數(shù)增大，流體的湍流程度增加。縱向渦發(fā)生器本身是通過增強擾流，減小邊界層厚度，增大湍流來增強散熱效果的，故隨著風(fēng)速的增加湍流度已經(jīng)增加到很大的程度，縱向渦發(fā)生器的影響相對也就減弱。

4 結(jié) 論

(1)定子通風(fēng)溝內(nèi)設(shè)置縱向渦發(fā)生器可以改變定子風(fēng)道內(nèi)空氣的流動狀態(tài)，增加擾流，帶走更多熱量，實現(xiàn)增強通風(fēng)系統(tǒng)散熱效果的作用。

(2)定子風(fēng)道內(nèi)縱向渦發(fā)生器的沖角和高度可以影響其增強散熱的效果。在同樣的適當(dāng)風(fēng)速及縱向渦發(fā)生器高度條件下，沖角在45°時散熱效果最為明顯。高度的增加由于能夠帶來更大的擾流效果，也可增強散熱，但高度增加對散熱效果的影響會隨著風(fēng)速的增加而逐漸變小。在適當(dāng)風(fēng)速及沖角情況下考慮加工以及阻力等因素，其高度在5 mm時散熱效果最佳。

(3)目前在定子通風(fēng)溝內(nèi)進行類似的結(jié)構(gòu)改進較少，對于渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu)尺寸和分布形式對散熱的影響仍有很多可以研究的內(nèi)容。另外在計算過程中一些地方考慮到計算機水平給予一定的簡化，這在以后計算機水平的發(fā)展中可以逐漸完善。