劉平超，安志華，宮海龍，于濤，王海

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新型通風槽鋼作用下定子穩(wěn)態(tài)溫度場分布研究

劉平超，安志華，宮海龍，于濤，王海

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

本文以一臺空冷水輪發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)（鐵心長度為）為基礎(chǔ)，對其周期簡化模型進行了共軛傳熱計算，并對一種新型通風槽鋼作用下定子風溝流場及定子穩(wěn)態(tài)溫度場變化進行了研究。研究結(jié)果表明，新型槽鋼作用下，迎風側(cè)流道的回流情況消失，上層線棒得到了更好的冷卻，其最高溫度下降了2.2%，平均溫度下降了1.6%。鐵心溫度分布更加均勻、對稱，齒部最高溫度及平均溫度分別下降了約1.1%和1.5%，軛部最高溫度下降了約0.3%，軛部平均溫度升高了約0.8%。綜合來看，新型槽鋼作用下定子冷卻效果得到改善。

共軛傳熱；通風槽鋼；風溝流場；穩(wěn)態(tài)溫度場；定子冷卻

0 前言

冷卻系統(tǒng)設(shè)計是解決發(fā)電機發(fā)熱的必要手段，是 發(fā)電機開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)手段之一，目前的冷卻方式主 要有空冷[1-2]、氫冷[3-4]、水冷[5-6]、蒸發(fā)冷卻[7-8]?？绽浞绞接捎谶\行可靠，操作簡單，維護方便，已經(jīng)被廣泛認可和肯定，對于它的研究也比較多，如空冷發(fā)電機通風模型試驗[9-10]、三維流場計算[11]、多物理場耦合計算[12]等。除整體性研究外，局部風路結(jié)構(gòu)對冷卻系統(tǒng)性能的影響研究同樣至關(guān)重要。作為風路的主要組成部分，定子徑向風溝會直接影響定子線圈、定子鐵心等關(guān)鍵部件的冷卻狀況。定子徑向風溝由通風槽片和槽鋼構(gòu)成，槽鋼結(jié)構(gòu)形態(tài)會決定風溝內(nèi)空氣流動狀態(tài)而進一步影響到定子溫度分布。雖然在工程中可以看到較多的槽鋼形式，但對其如何改變定子風溝內(nèi)空氣流動及定子溫度分布的研究還比較少，僅吳銀龍、溫嘉斌、鄢鴻羽等人[13-15]針對槽鋼近軸端的徑向位置變化如何影響風溝內(nèi)流場及定子溫度場進行過數(shù)值研究。

針對目前的研究現(xiàn)狀，進一步研究十分有必要。本文以某水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對周期簡化后的定子模型進行了共軛傳熱計算，并對一種新型通風槽鋼作用下風溝內(nèi)流場變化及定子溫度場分布變化進行了探索性研究。

1 模型、網(wǎng)格及計算方法

計算模型主體尺寸與真機結(jié)構(gòu)尺寸相同，但出于計算資源及計算效率兩方面的考慮對其進行了軸、徑向周期簡化，槽鋼形式改變前后的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型主體主要包含五個部分：上層線棒、絕緣、下層線棒、通風槽鋼、鐵心。為了簡化導熱材料，將槽楔、主絕緣、楔下墊條、層間墊條等均歸于絕緣中。齒軛中的通風槽鋼將定子通風溝分為1、2、3三個流道。相對于原結(jié)構(gòu)槽鋼形式，新結(jié)構(gòu)迎風側(cè)第一根槽鋼在距離其端部/4處彎折角，=176o，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 計算模型

網(wǎng)格質(zhì)量和邊界條件的設(shè)置對于計算精度起著決定性的作用，本文中網(wǎng)格的劃分及邊界條件的設(shè)定如圖2所示。為保證計算精度，對模型進行網(wǎng)格劃分時均采用六面體全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約500萬，其分布如圖2(a)所示。主要邊界條件如圖2(b)所示：定子風溝入口為速度入口邊界，速度與定子內(nèi)徑側(cè)圓周切線夾角為17.5o（如圖1所示）；定子風溝出口為壓力出口邊界；鐵心內(nèi)徑側(cè)、絕緣內(nèi)徑側(cè)、定子外徑側(cè)均為對流換熱邊界；軛部槽鋼與絕緣間過流口為平移周期邊界；由于周期簡化，其余面均為絕熱邊界。此外，各導熱材料接觸面均設(shè)置為Coupled耦合邊界。邊界條件及損耗密度值見表1。

求解過程由Fluent完成，并假設(shè)空氣為不可壓縮流體，湍流模型選擇Realizable k-ε，由于此模型僅能完成對湍流充分發(fā)展區(qū)域的求解，在黏性底層和過渡層等低雷諾數(shù)區(qū)域選用Enhanced Wall Treatment方法，這種壁面處理方法要求y+≈1才可確保第一層網(wǎng)格節(jié)點布置在黏性底層區(qū)域，為保證此值，將第一層節(jié)點布置在距離壁面0.025mm處。計算過程中考慮了黏性熱的求解及溫度對空氣黏性的影響，并用薩特蘭黏性公式對動力黏度與溫度的關(guān)系進行了修正。此外，由于匝間絕緣及鐵心疊片表面絕緣較薄，不利于建模和劃分網(wǎng)格，在計算時考慮了線棒導熱系數(shù)、鐵心導熱系數(shù)的各向異性。

圖2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

表1 邊界條件及損耗密度值

2 計算結(jié)果

2.1 不同形式槽鋼作用下流場分布

由于定子與空氣間的換熱狀況主要取決于空氣在風溝內(nèi)的流動狀態(tài)，因此需要對槽鋼形式改變前后流動狀態(tài)的變化進行分析。圖3給出了原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)在=/2截面上的流線分布（云圖背景為溫度），其中圖3(a)為原結(jié)構(gòu)流線分布，圖3(b)為新結(jié)構(gòu)流線分布。為更清楚地顯示流場，云圖處理時隱藏了絕緣、線棒及槽鋼等模塊。對比圖3(a)、3(b)可以發(fā)現(xiàn)：由于來流切向角較小致使原結(jié)構(gòu)在第1流道內(nèi)出現(xiàn)了回流，并導致靠近入口側(cè)空氣溫度升高，這對冷卻靠近此處的上層線棒很不利，但在新結(jié)構(gòu)槽鋼作用下，第1流道內(nèi)回流消失，靠近入口側(cè)空氣溫度有所下降，高溫區(qū)移向下游的軛部位置。除有無回流特征外，流場內(nèi)渦結(jié)構(gòu)也發(fā)生了新的變化，原結(jié)構(gòu)第2流道近入口側(cè)、第3流道絕緣背風側(cè)均存在渦結(jié)構(gòu)，相比之下，新結(jié)構(gòu)在第1流道入口側(cè)及絕緣背風側(cè)多產(chǎn)生了3處渦結(jié)構(gòu)。相比原結(jié)鉤，槽鋼形式改變后消除了定子風溝第1流道的回流，改善了對靠近此流道側(cè)上層線棒的冷卻作用，且在第1流道入口側(cè)及絕緣背風側(cè)多產(chǎn)生了3處渦結(jié)構(gòu)。

2.2 定子溫度場分布

由上述分析可知通風槽鋼形式改變前后流場發(fā)生了明顯變化，這勢必會影響上、下層線棒及齒、軛部溫度場的分布。

圖4為上下層線棒在=/2截面上的溫度云圖分布，其中圖4(a)為原結(jié)構(gòu)、圖4(b)為新結(jié)構(gòu)。從溫度分布來看可以發(fā)現(xiàn)，槽鋼結(jié)構(gòu)形式改變后上、下層線棒高溫區(qū)域有所縮小，尤其在靠近第1流道側(cè)更為明顯，這主要是因為回流消失后，空氣高溫區(qū)向下游轉(zhuǎn)移，入口側(cè)冷卻空氣變?yōu)榈蜏貐^(qū)，從而改善了對線棒的冷卻作用。

表2中列出了上、下層線棒在槽鋼形式改變前后最高溫度及體積加權(quán)平均溫度的變化。從表中數(shù)據(jù)可以看出變結(jié)構(gòu)后最高溫度最多下降了約2.2%，平均溫度最多下降了約1.6%，均發(fā)生在上層線棒，這就定量地說明了改變槽鋼形式后對上層線棒冷卻更為有益。

圖4 Y=H/2截面上、下層線棒溫度云圖分布

表2 上、下層線棒在槽鋼形式改變前后最高溫度及平均溫度

除線棒溫度發(fā)生明顯變化外，定子鐵心溫度場在改變槽鋼形式后也有改變，圖5給出了槽鋼變結(jié)構(gòu)前后鐵心沿Z軸各截面的溫度云圖分布。對比圖5(a)、(b)可發(fā)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)后齒部溫度有所下降，尤其在靠近第1流道側(cè)更為明顯。此外，回流消失后齒部高溫區(qū)域溫度分布也更加均勻、對稱，從而可以削弱鐵心的翹曲變形情況。

圖5 鐵心各截面溫度云圖分布

以上定性分析了鐵心各截面的溫度變化，圖6定量展示了圖5(a)、(b)中各截面溫度，將改變通風槽鋼形式前后各截面平均溫度、最高溫度進行了對比。如圖所示溫度曲線約在=-3.5/7位置處出現(xiàn)了分界：當>-3.5/7，新結(jié)構(gòu)鐵心各截面平均溫度、最高溫度均有所降低，其中在=-/7處平均溫度及最高溫度降低最多，分別約為2.2%和1.9%；在<-3.5/7位置處，新結(jié)構(gòu)平均溫度、最高溫度均有所升高，其中在=-處平均溫度及最高溫度升高最多，分別約為1.6%和1.5%。之所以出現(xiàn)分界有兩個原因：變槽鋼形式后第1流道上游位置多出2處渦結(jié)構(gòu)，在其作用下下游流動狀態(tài)變差而降低了換熱能力；變槽鋼形式后回流消失，空氣高溫區(qū)移向下游以致鐵心后半段溫度升高。原結(jié)構(gòu)、新結(jié)構(gòu)中齒部、軛部體積加權(quán)平均溫度及最高溫度見表3，新結(jié)構(gòu)槽鋼作用下，齒部最高溫度及平均溫度分別下降了約1.1%和1.5%，軛部最高溫度下降了約0.3%，軛部平均溫度升高了約0.8%。綜合對比來看，新結(jié)構(gòu)對鐵心溫度控制的優(yōu)勢大于劣勢。

圖6 原結(jié)構(gòu)、新結(jié)構(gòu)鐵心各截面平均溫度、最高溫度對比

表3 原結(jié)構(gòu)、新結(jié)構(gòu)中齒部、軛部平均溫度及最高溫度

結(jié)構(gòu)形式溫度原結(jié)構(gòu)槽鋼新結(jié)構(gòu)槽鋼 最高溫度/℃平均溫度/℃最高溫度/℃平均溫度/℃ 齒部80.675.579.774.4 軛部76.771.876.572.4

綜上對線棒、鐵心的溫度變化分析來看：改變槽鋼形式后線棒溫度和鐵心溫度均朝著下降趨勢發(fā)展，尤其是在上層線棒以及>-3.5/7的鐵心齒部位置尤為明顯。

3 結(jié)論

通風槽鋼作為定子風溝的關(guān)鍵部件不僅用來支撐鐵心段，同時也有導流的作用，對定子溫升有重要的影響，本文設(shè)計了一種新型槽鋼：迎風側(cè)第一根槽鋼在距離其端部/4處彎折至176o，并通過Fluent對新槽鋼和原槽鋼作用下定子風溝流場及定子溫度場的變化進行了對比分析，結(jié)論如下：

（1）相比原槽鋼，新型槽鋼作用下消除了定子風溝迎風側(cè)第1流道的回流，改善了對靠近此流道側(cè)上層線棒的冷卻作用；

（2）新型槽鋼作用下，線棒得到了更好的冷卻，尤其對上層線棒而言，使其最高溫度下降了約2.2%，平均溫度下降了約1.6%；

（3）新結(jié)構(gòu)槽鋼作用下，鐵心溫度分布更加均勻、對稱，齒部最高溫度及平均溫度分別下降了約1.1%和1.5%，軛部最高溫度下降了約0.3%，軛部平均溫度升高了約0.8%。

4 展望

針對不同形態(tài)、不同焊接位置通風槽鋼作用下定子溫升變化情況進行進一步研究，并對其中的控制機理做出分析。

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Study of Steady-state Temperature Field Distribution with a New Type of Ventilation Channel Steel

LIU Pingchao, AN Zhihua, GONG Hailong, YU Tao, WANG Hai

(Harbin Research Institute of Large Electric Machinery, Harbin 150040, China)

In this paper, a conjugate heat transfer is calculated for the periodic simplification model based on an air-cooled hydro-generator stator whose iron core length is. And the study of steady-state temperature field and stator duct flow field changes with a new type of ventilation channel steel is finished. The results show that the backflow of the upwind side channel is eliminated, and the upper coil is cooled better that the maximum and average temperatures decrease by about 2.2% and 1.6%, respectively. The temperature distribution of iron core becomes more uniform and symmetrical. The maximum and average temperature of iron core tooth decreases by about 1.1% and 1.5%. The maximum temperature of iron core yoke decreases by about 0.3%, and the average temperature of iron core yoke increases by about 0.8%. Taken together, the cooling effect of the stator is improved with the new type of ventilation channel steel.

conjugate heat transfer; ventilation channel steel; stator duct flow field; steady-state temperature field; stator cooling

TM312

A

1000-3983(2018)05-0011-05

2018-06-15

劉平超(1989-)，2016年畢業(yè)于北京理工大學，碩士，在哈爾濱電機廠有限責任公司從事電機冷卻工作，助理工程師。

國家重點研發(fā)計劃（2017YFB0203601）