空冷電機(jī)設(shè)計(jì)的新方法

李 芳

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

電機(jī)的發(fā)熱與冷卻是一種涉及到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、網(wǎng)絡(luò)理論、測(cè)試技術(shù)、電磁學(xué)、電機(jī)工程等多種學(xué)科領(lǐng)域的綜合學(xué)科。

空冷電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在過(guò)去比較普遍地存在盲目性，常常在成品實(shí)驗(yàn)時(shí)才發(fā)現(xiàn)溫升過(guò)高，即使改進(jìn)也要付出很大代價(jià)，造成浪費(fèi)。以前在真機(jī)上測(cè)量冷卻風(fēng)量、風(fēng)壓、繞組溫升等與電機(jī)輸出功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的關(guān)系，整理出來(lái)以后，再將其外推來(lái)預(yù)測(cè)新機(jī)型性能。由于時(shí)代的發(fā)展，用戶要求尺寸減小、效率提高，就必須進(jìn)一步提高冷卻性能預(yù)測(cè)精度。隨著電機(jī)容量增加，通風(fēng)冷卻難度就增加。因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)的流場(chǎng)處于高紊流狀態(tài)，旋渦流動(dòng)十分復(fù)雜，并存在隨機(jī)性，很難給出精確的邊界條件。通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算，理論上可通過(guò)求解N-S 方程及流體連續(xù)性方程來(lái)確定冷卻介質(zhì)的三維流動(dòng)情況。由于流動(dòng)性非常復(fù)雜，許多流動(dòng)現(xiàn)象和機(jī)理，至今仍不完全清楚，邊界條件難以確定，無(wú)法精確求解此類流程。傳統(tǒng)工程算法包括估算法、圖解法或試探法、網(wǎng)絡(luò)法等，通常采用風(fēng)路圖代替實(shí)際通風(fēng)流道，輔以模擬實(shí)驗(yàn)，歸并風(fēng)路中各風(fēng)阻來(lái)確定流量和風(fēng)速，但難以適用于復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)。圖解法和試探法都要進(jìn)行近似和簡(jiǎn)化，必然影響到求解精度。網(wǎng)絡(luò)法在解決比較復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)有一定優(yōu)越性，但數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，編程計(jì)算困難，還要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

電機(jī)工業(yè)發(fā)展的最大特點(diǎn)是單機(jī)容量和尺寸的不斷增加。容量的增加要求電流密度和磁通密度的增加，就受到材料性能的限制。電機(jī)功率與其有效長(zhǎng)度的4 次方成正比，而電磁損耗卻與該長(zhǎng)度的3 次方成正比，電機(jī)越大，該損耗的增加變緩。所以電機(jī)發(fā)展的大型化能夠獲得更高的效率。電磁損耗轉(zhuǎn)換為焦耳熱量后，由通風(fēng)冷卻介質(zhì)通過(guò)熱交換帶走。電磁損耗與被帶走的熱量之比，與電機(jī)有效長(zhǎng)度成正比，當(dāng)電機(jī)增大，長(zhǎng)度增加后，損耗與帶走的熱量之比增大，這就要求加強(qiáng)通風(fēng)冷卻來(lái)進(jìn)一步增大被帶走的熱量。

大型電機(jī)通風(fēng)冷卻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很難獲得，只能綜合應(yīng)用縮小比例的相似模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并用網(wǎng)絡(luò)法和三維流體動(dòng)態(tài)數(shù)值解析方法，來(lái)改善風(fēng)量分布的均勻性，以便控制溫度，避免溫度過(guò)高而影響電機(jī)壽命。其主要技術(shù)難點(diǎn)是冷卻效果和冷卻均勻性，避免不均勻冷卻導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件熱脹變形或溫升超標(biāo)。

1 風(fēng)量的優(yōu)化

大型凸極同步發(fā)電機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法沿襲前蘇模式，把“每極容量”作為衡量和選擇冷卻方式的指標(biāo)。當(dāng)該比值低于9 000kVA/極時(shí)，采用空冷;超過(guò)該比值時(shí)必須采用水冷。在與國(guó)外合作過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)“每極容量”的界限不能全面反映電機(jī)內(nèi)部熱交換機(jī)理，其概念相對(duì)模糊。不管水冷、空冷，最根本的是要控制機(jī)組溫度。

另一個(gè)傳統(tǒng)舊觀念認(rèn)為通風(fēng)冷卻的“風(fēng)量越大越好”，即使很小的機(jī)組也加有很多風(fēng)扇，用來(lái)降溫。然而這會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)損耗增大、主機(jī)效率降低、風(fēng)量不均等缺點(diǎn)。強(qiáng)化通風(fēng)冷卻并不等于單方面追求增加風(fēng)量，而是有效地改善風(fēng)量分配，使溫度分布均勻，達(dá)到限制最高溫度、延長(zhǎng)絕緣壽命和發(fā)電機(jī)壽命的目標(biāo)。為了增加風(fēng)量而增加風(fēng)扇，不能達(dá)到預(yù)期效果。通過(guò)計(jì)算和電站實(shí)測(cè)證明，即使不采用風(fēng)扇也可以達(dá)到冷卻目的，而且效果更好。通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不應(yīng)片面追求大風(fēng)量，而是合理的適當(dāng)?shù)目傦L(fēng)量，風(fēng)量分配和風(fēng)速都要均勻。這種新的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了由粗放轉(zhuǎn)向更精細(xì)、更合理、更科學(xué)。

2 流態(tài)解析法

網(wǎng)絡(luò)法是通風(fēng)冷卻計(jì)算的分析工具，它采用等效的風(fēng)阻和風(fēng)路;在進(jìn)行熱分析時(shí)，則采用等效熱阻和熱路方法，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將它們結(jié)合起來(lái)。風(fēng)阻和傳熱系數(shù)可從比例相似模型中獲得。通風(fēng)計(jì)算及溫度場(chǎng)分布，必須建立模擬計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，編制計(jì)算程序，給出總風(fēng)量及風(fēng)量分配，并進(jìn)行三維溫度場(chǎng)研究，直觀地分析各點(diǎn)溫度分布云圖，以便優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用網(wǎng)絡(luò)矩陣法計(jì)算可給出總風(fēng)量、風(fēng)量分配、通風(fēng)損耗等參數(shù)。采用整體三維有限元結(jié)合的方法計(jì)算溫度分布，并根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸。經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代，最終給出優(yōu)化方案。采用三維熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)，熱阻則采用有限元和熱路方法計(jì)算。如果熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間有絕緣材料，就不適用熱路法(因其結(jié)果誤差較大)，必須采用有限元法。

等效“風(fēng)路法”是將直流電器回路中的基爾霍夫法則套用于通風(fēng)冷卻的風(fēng)路方法，它是目前最廣泛應(yīng)用的方法，可以掌握風(fēng)路內(nèi)的流態(tài)，提高冷卻性能的精度。然而該法是以真機(jī)或?qū)嶒?yàn)等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其精度不能超出經(jīng)驗(yàn)范圍。要想進(jìn)一步提高精度，只能采用流態(tài)解析法。流體動(dòng)態(tài)數(shù)值解析法以描述質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒的基本方程為基礎(chǔ)，能彌補(bǔ)單憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的不足，是優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效工具，也是網(wǎng)絡(luò)法的補(bǔ)充手段，同時(shí)也可獨(dú)立作為一種工具來(lái)計(jì)算流體、傳熱、溫度甚至通風(fēng)損耗，它的解析精度較高。

3 表面散熱

大型電機(jī)的損耗、熱量，很少沿軸傳出，絕大部分通過(guò)壁面與冷風(fēng)以熱交換方法傳遞給冷卻器散出。這就要求準(zhǔn)確計(jì)算表面散熱系數(shù)。定子徑向通風(fēng)溝氣流和傳熱是非常復(fù)雜的，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝槽，會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生離心力和科里奧力。氣流從轉(zhuǎn)子流到定子是沒(méi)有規(guī)律的，它在定子通風(fēng)溝內(nèi)構(gòu)成復(fù)雜的熱交換條件。要想準(zhǔn)確地給出定子三維溫度場(chǎng)的分布情況，就必須給出其表面散熱系數(shù)的精確計(jì)算公式。溫度場(chǎng)至關(guān)重要，由它可以計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)，決定各部件安全可靠性，它也是機(jī)組壽命考核的重要指標(biāo)。溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，取決于表面散熱系數(shù)的準(zhǔn)確性。電機(jī)發(fā)熱與冷卻技術(shù)中的關(guān)鍵因素就是散熱系數(shù)。特別是定子本體、通風(fēng)槽、定子端部各面、轉(zhuǎn)子本體及端部的散熱系數(shù)，尤為重要。以定子半齒、半槽、半軸向長(zhǎng)度為計(jì)算區(qū)域，采用三維有限元法計(jì)算了定子整體溫度場(chǎng)分布，進(jìn)行了通風(fēng)溝的風(fēng)速和散熱系數(shù)以及端部散熱系數(shù)的測(cè)試，得到了實(shí)用曲線，并編入程序。

4 分離渦流動(dòng)

最重要的設(shè)計(jì)原則是采取優(yōu)良的通風(fēng)冷卻措施，控制電機(jī)各部溫升、定子熱變形和熱老化。必須對(duì)電磁計(jì)算、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)及絕緣系統(tǒng)等進(jìn)行整體協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和優(yōu)化創(chuàng)新。然而在理論研究方面，國(guó)內(nèi)通常只在“單段”鐵心或線圈端部的局部上，進(jìn)行有限元溫度場(chǎng)計(jì)算，而缺少沿著半軸向進(jìn)行的完整分析、研究、計(jì)算，不能反映電機(jī)真實(shí)溫度場(chǎng)分布情況。新開(kāi)發(fā)的計(jì)算程序解決了這些問(wèn)題。它以通風(fēng)槽的實(shí)際風(fēng)速為基礎(chǔ)，進(jìn)行三維溫度場(chǎng)計(jì)算。真機(jī)運(yùn)行結(jié)果證明:計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相符。

采用密閉雙路無(wú)風(fēng)扇端部回風(fēng)冷卻系統(tǒng)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁軛、磁極就是主要壓力元件，無(wú)需設(shè)置風(fēng)扇。由于軸向風(fēng)量、溫度的分布上下對(duì)稱，所以只取半軸向區(qū)域即可。這種算法更能反映真實(shí)溫度分布情況，而且計(jì)算精度很高。它以各部位風(fēng)速為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算散熱系數(shù)，能真正反映通風(fēng)系統(tǒng)形式對(duì)溫升的影響，只需一次計(jì)算即可得到定子沿軸向、徑向、周向真實(shí)的溫度分布規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論確定的約束條件下的核心技術(shù):(1)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算風(fēng)速、風(fēng)量、通風(fēng)損耗;(2)采用流場(chǎng)計(jì)算、模型實(shí)驗(yàn)及多年經(jīng)驗(yàn)來(lái)綜合確定散熱系數(shù);(3)采用整體三維熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算溫度分布;(4)采用三維溫度場(chǎng)有限元方法計(jì)算局部溫度;(5)根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果確定結(jié)構(gòu)尺寸;(6)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)最終確定散熱系數(shù)

全空冷技術(shù)，除了定子以外，還包括轉(zhuǎn)子。大型凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子通常采用成型散熱線匝拉制銅排，其散熱系數(shù)國(guó)外也只是估算。理論上，通過(guò)放熱微分方程、導(dǎo)熱微分方程、運(yùn)動(dòng)微分方程、連續(xù)性微分方程、初始條件、邊界條件等可聯(lián)立求解出散熱系數(shù)，但由于對(duì)流換熱過(guò)程的復(fù)雜性，往往難于求解出具體的函數(shù)式，即使是數(shù)值解也難以做到。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈截面為“七邊型”散熱結(jié)構(gòu)，其形狀、尺寸對(duì)表面散熱系數(shù)影響很大。為得到準(zhǔn)確的散熱系數(shù)值，就要探討通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)，尤其是分離渦流動(dòng)機(jī)理。采用人工壓縮性方法、隱式近似因子分解格式及代數(shù)湍流模型，對(duì)轉(zhuǎn)子極間三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了以分離渦流動(dòng)為主的流場(chǎng)特性。通過(guò)拍攝的云圖可直觀地反映出散熱匝的速度分布，并將它與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該算法具有很高的精確性、實(shí)用性。

5 相似學(xué)理論

由于掌握了大型電機(jī)通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)的“相似推算法”，便實(shí)現(xiàn)了更加精確的逼近到位。按照相似學(xué)理論，采用縮小比例(1:5)相似模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)量、通風(fēng)損耗和溫度進(jìn)行測(cè)試分析，就可以達(dá)到上述目標(biāo)，獲得結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用相似模型可以驗(yàn)證數(shù)學(xué)建模方法的正確性、通風(fēng)設(shè)計(jì)的可行性、改進(jìn)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的合理性。相似模型設(shè)計(jì)的核心理論就是相似原理;應(yīng)用的原則就是相似法則的放寬，保證模型與真機(jī)的通風(fēng)特征和狀態(tài)的相似。采用量綱分析方法可以確定相似準(zhǔn)則，其目的就是找出各物理量組合成無(wú)量綱數(shù)的方法。模型實(shí)驗(yàn)的目的是近似地給出真機(jī)的物理規(guī)律。在轉(zhuǎn)速為100 ～350r/min 各種工況下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。通風(fēng)損耗與空氣密度有關(guān)，測(cè)試值與計(jì)算值都應(yīng)考慮到海拔對(duì)空氣密度的影響。相似模型的建模有兩種風(fēng)路結(jié)構(gòu)，即封閉式和開(kāi)啟式。將數(shù)值解析法用于紊流時(shí)，需將模型進(jìn)行離散，并劃分為有限網(wǎng)格，形成封閉式模型，這就可以用于變化的幾何結(jié)構(gòu)，并使其優(yōu)化。這種解析技術(shù)可將損耗、流場(chǎng)和溫度等的計(jì)算緊密結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)共軛傳熱，不需要在熱交換表面固定一個(gè)邊界條件，而設(shè)定邊界條件就要求給出表面溫度及其熱流量。

6 結(jié)語(yǔ)

采用上述通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)新技術(shù)的龍灘、三峽等發(fā)電站的700 MW 全空冷電機(jī)已經(jīng)投運(yùn)成功、并網(wǎng)發(fā)電。它們都實(shí)現(xiàn)了總風(fēng)量適宜、風(fēng)量分配合理、風(fēng)速均勻、冷卻效果良好的總體目標(biāo)，而且機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、振動(dòng)、擺渡、溫升等性能指標(biāo)均達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

“大型電機(jī)三維溫度場(chǎng)計(jì)算程序”和基于相似學(xué)理論的“真機(jī)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)法”的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用，以及世界最大全空冷電機(jī)的投運(yùn)成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，打破了國(guó)外的高價(jià)壟斷，具有突出的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這種新技術(shù)應(yīng)用于1 000MW 發(fā)電機(jī)項(xiàng)目上前景廣闊。