陳景易

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

通風(fēng)損耗是制約空冷發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的瓶頸，傳統(tǒng)的“壓風(fēng)”式通風(fēng)結(jié)構(gòu)易于制造及維護(hù)；但通風(fēng)路徑是經(jīng)空冷器冷卻的空氣再通過(guò)風(fēng)扇壓入機(jī)內(nèi)，風(fēng)扇損耗會(huì)使冷風(fēng)溫度上升，造成冷卻效果大幅度下降。如果將通風(fēng)流向變更為先通過(guò)風(fēng)扇，再經(jīng)空冷器冷卻，則可以消除風(fēng)扇損耗帶來(lái)的溫升影響，充分發(fā)揮冷卻效能，首次采用空冷逆向通風(fēng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是ALSTOM，并采用平滑的定轉(zhuǎn)子氣隙結(jié)構(gòu)、H級(jí)主絕緣結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的定子槽楔軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，完成了500MVA25型（TOP AIR25）空冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱HEC）最新研制的412MVA空冷發(fā)電機(jī)采用了空冷逆向通風(fēng)的新型結(jié)構(gòu)，這在國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)是首次采用的，定轉(zhuǎn)子通風(fēng)實(shí)際風(fēng)量及風(fēng)量分布滿足設(shè)計(jì)預(yù)期是關(guān)系到發(fā)電機(jī)實(shí)際出力能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。為解決此問(wèn)題，初步設(shè)計(jì)提出了用轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)下導(dǎo)流風(fēng)葉替代傳統(tǒng)的“打風(fēng)板”結(jié)構(gòu)以及加裝定子端部擋風(fēng)板的特殊結(jié)構(gòu)方案?？紤]到首次采用此結(jié)構(gòu)，尚未設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，必須事先采用先進(jìn)的數(shù)值仿真技術(shù)，對(duì)相關(guān)流場(chǎng)進(jìn)行仔細(xì)對(duì)比分析后，才能獲得最佳設(shè)計(jì)方案和有用的參考數(shù)據(jù)。因此，本文基于有限體積法建立了該電機(jī)端部區(qū)域的三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型，采用最佳的網(wǎng)格剖分和優(yōu)化的超大規(guī)模稀疏矩陣計(jì)算技術(shù)，對(duì)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的端部冷卻介質(zhì)流動(dòng)形態(tài)、分布等物理規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析，獲得了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1 結(jié)構(gòu)方案

汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)采用軸端風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子本體與風(fēng)扇同步旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)子冷卻通風(fēng)流動(dòng)分布趨于復(fù)雜，由于轉(zhuǎn)子繞組本體采用副槽通風(fēng)，這個(gè)問(wèn)題更加突出，以往設(shè)計(jì)是在護(hù)環(huán)下兩極分界部位設(shè)置軸向安裝的擋風(fēng)板，俗稱“打風(fēng)板”，減小副槽進(jìn)風(fēng)分布差異。這種結(jié)構(gòu)作為第二種結(jié)構(gòu)方案。

由于采用逆向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，從空氣冷卻器進(jìn)入定子端部的冷卻風(fēng)幾乎沒(méi)有旋轉(zhuǎn)分量，轉(zhuǎn)子副槽風(fēng)路風(fēng)量分布不均勻現(xiàn)象更加嚴(yán)重，為此提出在轉(zhuǎn)子中心環(huán)下設(shè)置導(dǎo)流風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)方案。導(dǎo)流風(fēng)扇的葉形及迎角不同于常規(guī)增壓風(fēng)扇，其目的在于使進(jìn)入轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)下的冷卻氣體獲得與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)分量，使之更高效更均勻的進(jìn)入轉(zhuǎn)子副槽及端部繞組進(jìn)風(fēng)孔，避免通風(fēng)分布不合理引起部分繞組溫升過(guò)高。這種結(jié)構(gòu)作為第一種結(jié)構(gòu)方案。

2 相關(guān)數(shù)學(xué)描述

在本412MVA空冷汽輪發(fā)電機(jī)中，空氣是主要冷卻介質(zhì)，其在發(fā)電機(jī)端部的流動(dòng)形態(tài)和分布特點(diǎn)是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。通?？绽浒l(fā)電機(jī)中的冷卻空氣可視為不可壓縮流體，并且雷諾數(shù)比較大（在2300以上），相應(yīng)的流場(chǎng)規(guī)律可采用湍流模型進(jìn)行定量描述。發(fā)電機(jī)端部流場(chǎng)的控制方程為：

式中，u、v、w為分別為x、y和z方向的速度分量；ρ為流體密度；μ為動(dòng)力粘度；p為流體壓力。

3 基本假設(shè)

為便于計(jì)算，采取以下簡(jiǎn)化假設(shè)：（1）不計(jì)空氣的浮力與重力；（2）空氣按不可壓縮流體處理；（3）因?yàn)榘l(fā)電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)關(guān)于中心線對(duì)稱分布，所以僅計(jì)算1/2模型；（4）只研究發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的流場(chǎng)分布，故控制方程（1）中沒(méi)有時(shí)間項(xiàng)。

4 物理模型

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)建立該電機(jī)1/2模型，1-9號(hào)轉(zhuǎn)子線圈組，端部具有擋風(fēng)板及護(hù)環(huán)，繞組端部均有補(bǔ)風(fēng)孔，在轉(zhuǎn)子端部有月牙出風(fēng)槽，轉(zhuǎn)子槽下端是通風(fēng)副槽，轉(zhuǎn)子繞組徑向上開(kāi)有徑向通風(fēng)孔，通風(fēng)孔尺寸按設(shè)計(jì)圖紙。單獨(dú)對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場(chǎng)研究時(shí)，轉(zhuǎn)子風(fēng)路可以簡(jiǎn)化為：風(fēng)從端部護(hù)環(huán)和轉(zhuǎn)軸之間的空腔進(jìn)入，一路從月牙出風(fēng)槽出風(fēng)，另一路從繞組的徑向通風(fēng)孔出風(fēng)。對(duì)該模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到轉(zhuǎn)子的計(jì)算域，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子的計(jì)算域

5 流體場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

（1）流場(chǎng)靜壓分析。發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻空氣的靜壓分布直接影響冷卻介質(zhì)在通風(fēng)道內(nèi)的流量分布，是發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)流場(chǎng)的重要特性之一。發(fā)電機(jī)冷卻介質(zhì)的靜壓分布規(guī)律可作為轉(zhuǎn)子風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的依據(jù)之一。由導(dǎo)流風(fēng)葉轉(zhuǎn)子整體靜壓分布可知，轉(zhuǎn)子端部壓力為正，隨著軸向長(zhǎng)度的增加，壓力由正變?yōu)樨?fù)。根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，冷卻空氣在通風(fēng)道內(nèi)軸向流動(dòng)時(shí)，靜壓由正值變?yōu)樨?fù)值。通風(fēng)道在軸向上的徑向風(fēng)孔尺寸越大，轉(zhuǎn)子本體高速旋轉(zhuǎn)引發(fā)的科氏力越大，對(duì)冷卻空氣的壓力也越大，從而通風(fēng)道內(nèi)的負(fù)壓區(qū)域也越大。在靜壓為正值的區(qū)域，通風(fēng)道對(duì)流體的阻力由風(fēng)扇壓頭克服掉，例如轉(zhuǎn)子端部。在靜壓為負(fù)值的區(qū)域，通風(fēng)道對(duì)流體的阻力主要由科氏力在通風(fēng)孔內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓平衡掉，從而將冷卻空氣向氣隙中排擠，使得通風(fēng)道內(nèi)的靜壓力沿著徑向方向逐漸增大。另外，空氣在副槽內(nèi)靜壓為負(fù)，流動(dòng)阻力由旋轉(zhuǎn)科氏力克服，且副槽入口截面為正負(fù)壓分界面。

（2）流場(chǎng)速度分析。設(shè)置導(dǎo)流風(fēng)葉流場(chǎng)，轉(zhuǎn)子整體流體分布比較均勻，整體上看徑向通風(fēng)孔內(nèi)流體速度較高，最高流速達(dá)到250.86m/s，月牙出風(fēng)槽出風(fēng)速度較小。隨著軸向長(zhǎng)度的增加，即從轉(zhuǎn)子端部位置到轉(zhuǎn)子本體中間流體速度無(wú)明顯變化，圓周方向，副槽及徑向通風(fēng)孔內(nèi)流體速度分布變化不大。冷卻空氣從轉(zhuǎn)子端部進(jìn)入通風(fēng)道內(nèi)，在單匝線圈的通風(fēng)道內(nèi)，因?yàn)橥L(fēng)道的橫截面積保持不變，冷卻空氣的流速沿著流動(dòng)路徑幾乎不減小，同時(shí)經(jīng)過(guò)補(bǔ)風(fēng)口補(bǔ)充的冷卻空氣使得進(jìn)入轉(zhuǎn)子線圈的總冷卻空氣量增大，故轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)道內(nèi)的冷卻空氣流速突然增大。副槽入口處由于流通截面突然變小，流體流速明顯增加。在副槽內(nèi)，冷卻空氣的體積流量逐漸降低，流速也逐漸減小，在發(fā)電機(jī)軸向的中央位置附近，流體的軸向速度接近零?？拷辈廴肟诘膹较蝻L(fēng)孔，空氣流速高，見(jiàn)圖2。為了清楚顯示隨著軸向長(zhǎng)度變化轉(zhuǎn)子內(nèi)圓周流體分布情況，取不同軸向長(zhǎng)度處橫截面為研究對(duì)象，即轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)孔1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、15號(hào)、23號(hào)、31號(hào)、39號(hào)及41號(hào)處流體流速分布情況，見(jiàn)圖3。

圖2 空氣流速分布圖

圖3 轉(zhuǎn)子靜壓通風(fēng)孔分布圖

（3）流場(chǎng)流量分析。冷卻空氣在轉(zhuǎn)子中的流動(dòng)路徑主要分為3個(gè)，第一個(gè)路徑是由通風(fēng)入口進(jìn)入轉(zhuǎn)子本體通風(fēng)道，第二個(gè)路徑是由月牙槽進(jìn)入氣隙，第三部分是由轉(zhuǎn)子線圈徑向通風(fēng)孔進(jìn)入氣隙。為了研究副槽內(nèi)流體流量分布情況，取整個(gè)圓周為研究對(duì)象，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針。為了便于分析將圓周副槽分為兩個(gè)部分，即A與B部分，每一部分分別有18個(gè)副槽，副槽編號(hào)如圖4所示。

圖4 副槽編號(hào)分布圖

6 分析數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比

（1）分析結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7，對(duì)比可知，方案二總流量為21.69m3/s，方案一的總流量22.29m3/s，說(shuō)明轉(zhuǎn)子導(dǎo)流風(fēng)扇能夠使護(hù)環(huán)下進(jìn)入冷風(fēng)整體流量有所增加。

（2）兩個(gè)方案分析結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖5，可見(jiàn)，方案二的副槽進(jìn)風(fēng)量分布差距過(guò)大，最大進(jìn)風(fēng)量與最小進(jìn)風(fēng)量差距接近40%，接近背風(fēng)面的副槽進(jìn)風(fēng)量最小，逐步增大到迎風(fēng)面的最大值，最大進(jìn)風(fēng)值與方案一的平均值接近，這說(shuō)明“打風(fēng)板”不能有效帶動(dòng)冷風(fēng)與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，在慣性動(dòng)壓的影響下，使進(jìn)入不同副槽的風(fēng)量產(chǎn)生明顯不同；而方案一的副槽進(jìn)風(fēng)量分布差距非常小，最大進(jìn)風(fēng)量與最小進(jìn)風(fēng)量差距小于3%，這說(shuō)明轉(zhuǎn)子導(dǎo)流風(fēng)扇能夠使護(hù)環(huán)下進(jìn)入冷風(fēng)能夠接近轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)速，消除慣性動(dòng)壓的影響，使冷卻風(fēng)能夠高效進(jìn)入全部副槽。

（3）方案二總流量低于方案一的總流量的原因在于慣性動(dòng)壓影響了部分副槽的進(jìn)風(fēng)量，而受到慣性動(dòng)壓增壓的部分副槽由于串聯(lián)路徑風(fēng)阻限制及紊流影響并未增加進(jìn)風(fēng)量，從而使整體風(fēng)量下降，從溫升分布比較也可以得出方案二紊流損耗相對(duì)較高。

圖5 兩種方案通風(fēng)流量對(duì)比圖

綜上所述，綜合衡量風(fēng)量大小、風(fēng)路分配及溫升分布后，方案一為最為理想的方案。為全面檢驗(yàn)412MVA空冷汽輪發(fā)電機(jī)的技術(shù)性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)、工藝正確性，在工廠內(nèi)進(jìn)行了型式試驗(yàn)和科研試驗(yàn)。為驗(yàn)證轉(zhuǎn)子導(dǎo)流風(fēng)扇的作用，科研試驗(yàn)進(jìn)行了安裝轉(zhuǎn)子導(dǎo)流風(fēng)扇和不安裝轉(zhuǎn)子導(dǎo)流風(fēng)扇兩種情形下的轉(zhuǎn)子反接試驗(yàn)，由于結(jié)構(gòu)限制無(wú)法在處于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上設(shè)置風(fēng)量分布傳感器，繞組溫度傳感器數(shù)量也不足以反映溫度分布變化需求，所以僅用兩種狀態(tài)下轉(zhuǎn)子繞組平均溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，方案二的轉(zhuǎn)子繞組平均溫升高于方案一約2.3K，與分析計(jì)算結(jié)果方案二的轉(zhuǎn)子繞組總通風(fēng)風(fēng)量低于方案一相吻合，由此證明了分析計(jì)算結(jié)果正確。

7 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)的“打風(fēng)板”結(jié)構(gòu)，能夠使護(hù)環(huán)下進(jìn)入冷風(fēng)能夠接近轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)速，消除慣性動(dòng)壓的影響，使冷卻風(fēng)能夠高效進(jìn)入全部副槽，使轉(zhuǎn)子繞組冷卻風(fēng)量明顯提升，溫升下降，溫升分布也更均勻合理。