軸徑向支架安放角對(duì)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響

宋厚彬，李偉力，楊逢瑜

(1.哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

對(duì)于燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)是電機(jī)整體設(shè)計(jì)的重要組成部分，關(guān)系到電機(jī)能否正常、安全運(yùn)行［1］.當(dāng)定子鐵心長(zhǎng)度大于1.5 m時(shí)，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)以軸－徑向方式通風(fēng)效果最佳.

發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的熱量定量計(jì)算一直是個(gè)難點(diǎn)，除了經(jīng)驗(yàn)公式定性計(jì)算外，國(guó)外一些學(xué)者對(duì)所產(chǎn)生的熱量計(jì)算方法進(jìn)行了一定的補(bǔ)充和研究［2－4］，提高了對(duì)熱量計(jì)算的準(zhǔn)確度，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式進(jìn)行了比較［5－6］.文中以柴家峽電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)SFWG24－88/7820為例，在借鑒流體機(jī)械工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)中的支架進(jìn)行改造，應(yīng)用流體力學(xué)原理進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其流場(chǎng)和溫度場(chǎng)來(lái)得出合理的通風(fēng)結(jié)構(gòu)以及支架角度對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)散熱的影響，為選擇和優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)提供參考.

1 原理

1.1 理論基礎(chǔ)

評(píng)估風(fēng)機(jī)性能時(shí)，采用無(wú)因次性能曲線更為方便.定義［7］流量系數(shù)Φ，揚(yáng)程系數(shù)φ如下:

式中:A為葉輪的特征面積，一般取葉輪出口的環(huán)狀面積2πr2b2.

由葉輪出口速度三角形得

由上式可知，φ－Φ曲線為一條過(guò)點(diǎn)(0，2)的直線.βb2愈大，揚(yáng)程越高，但如果過(guò)高，隨之葉輪出口處的流體絕對(duì)速度增加，反擊系數(shù)降低，惡化流體機(jī)械的性能.

對(duì)于風(fēng)機(jī)，由于空氣的密度較小，所能產(chǎn)生風(fēng)壓和需要配置功率都不大，為了增加風(fēng)量和揚(yáng)程，一般采用較大葉片出口安放角.因此，將水輪發(fā)電機(jī)的軸－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為前彎式，該形式的結(jié)構(gòu)能夠使得空氣在葉輪中的運(yùn)動(dòng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)和圓周前彎的壓頭大，能夠最大可能地帶走熱量.

1.2 模型描述

為方便描述和研究分析，分別定義轉(zhuǎn)子徑向支架安放角α和軸向支架安放角β.其中，支架面與中心軸線之間的夾角為徑向支架安放角α，支架面的傾斜角為軸向支架安放角β，將通過(guò)改變徑向支架安放角α和軸向支架安放角β來(lái)探究結(jié)構(gòu)變化對(duì)散熱效果的影響.其中，軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)和支架安放角示意圖詳見(jiàn)圖1.

圖1 軸－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)及徑向、軸向支架安放角示意圖

2 數(shù)值求解方法

2.1 模型的建立

選用SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)建立軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)模型.由幾何及通風(fēng)的對(duì)稱性，可將溫度場(chǎng)的求解區(qū)域定為周向一個(gè)磁極和一個(gè)極距的磁扼、軸向從轉(zhuǎn)子磁極端部到轉(zhuǎn)子中心面［8－9］，其中，α =0°，β =0°時(shí)的支架安放角的軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 軸－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)計(jì)算域

其中，對(duì)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算區(qū)域劃分為非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，整個(gè)流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為632294個(gè)，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查.

2.2 邊界條件

2.2.1 進(jìn)出口邊界條件

每臺(tái)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量是已知的，遂計(jì)算域進(jìn)口采用速度進(jìn)口，由質(zhì)量守恒和進(jìn)口無(wú)旋設(shè)定進(jìn)口速度vin為垂直進(jìn)口面進(jìn)入，切向速度及徑向速度為0.其進(jìn)口湍動(dòng)能為［10］

湍動(dòng)能耗散率ε為

出口速度和壓力都是未知的，設(shè)定為自然出流邊界.

2.2.2 壁面條件

壁面定義為剛性壁面，采用無(wú)滑移邊界條件［11－12］.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流體特性分析

SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)建立軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的軸徑向安放角分別為α=15°，β=10°.為了分析通風(fēng)結(jié)構(gòu)支架安放角對(duì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響，且實(shí)際運(yùn)行中的SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的軸徑向支架安放角分別為α=15°，β=20°，為便于進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，分別選取軸徑向支架安放角為α=0°，β=0°和 α =15°，β =0°以及 α =15°，β =20°等 3 種情況為第1，2，3方案，進(jìn)行數(shù)值模擬得到流體流動(dòng)特性云圖如圖3－5所示.

圖3 壓力云圖

圖4 速度矢量

由圖3可以看出，在3種方案下，前2種方案下的通風(fēng)結(jié)構(gòu)的壓力梯度不明顯，整體上壓力均勻，在邊緣位置處出現(xiàn)壓力極值，最后一種方案中，壓力分布極不均勻，從支架處中間處向外壓力逐漸升高，不利于支架在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì).而在燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)中冷卻氣體一般是空氣，密度相對(duì)于液體的密度較小，產(chǎn)生的壓力并不大，因此，下面主要從速度的角度來(lái)分析.

圖4中首先從速度矢量的大小上可以看出，從第1種方案結(jié)構(gòu)中到第3種方案的通風(fēng)結(jié)構(gòu)中速度從同一位置來(lái)看，數(shù)值是增加的.通過(guò)對(duì)比說(shuō)明，第3種方案中的通風(fēng)結(jié)構(gòu)速度在同一位置數(shù)值大于其他2種方案，速度矢量大說(shuō)明該結(jié)構(gòu)更有利于冷卻氣體的流通，速度大的相當(dāng)于增加了通風(fēng)量，能夠帶走更多的熱量;其次，從速度分布上來(lái)看，第1種方案中速度數(shù)值較小且分布均勻，從第2種方案到第3種方案中的速度梯度分布更加明顯，尤其第3種方案中，從軸心向外速度值增加增大，在繞組和線圈主要產(chǎn)生熱量處，速度值最大，也就是說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)更合理，冷卻氣體能最大效率的帶走熱量.

圖5 溫度云圖

由圖5可以看出，繞組和線圈處溫度最高，最大值出現(xiàn)在第一方案的通風(fēng)結(jié)構(gòu)中，為78℃，這是因?yàn)樗啺l(fā)電機(jī)在產(chǎn)生電流后由于電阻時(shí)產(chǎn)生熱量，成為水輪發(fā)電機(jī)主要的熱源;從第1種方案到第3種方案中可以定性的判斷，在同一種工況下，水輪發(fā)電機(jī)的溫度是逐漸降低的，且通風(fēng)結(jié)構(gòu)的支架從軸心向外緣溫度梯度明顯，溫度值由小到大.這也由此說(shuō)明了保持一定的軸徑向支架安放角能夠更好地改善水輪發(fā)電機(jī)的散熱情況，這是由前彎式葉輪的工作原理決定的，一定的軸徑向支架安放角時(shí)支架處的阻升比要比軸徑向支架安放角α=0°，β=0°時(shí)更接近該支架的最小阻升比，減小了該處的升力角，使得支架所受的升力增大，阻力減小，效率升高［4］.因此，從溫度云圖上來(lái)分析，可以看出，第3種方案設(shè)計(jì)中更為合理.

3.2 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估及可靠性分析

3.2.1 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估

由圖5可以看出，發(fā)電機(jī)的熱源主要是繞組及線圈，根據(jù)分析，繞組發(fā)熱占主要部分.通過(guò)對(duì)上面3種方案的模擬，得出繞組溫度隨流量的變化曲線圖如圖6所示.

圖6 繞組溫度隨流量的變化曲線

在SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中共設(shè)有6臺(tái)風(fēng)機(jī)，以供應(yīng)足夠的冷卻空氣，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的流量為300 m3·min－1，圖6中是分別在風(fēng)機(jī)由1臺(tái)逐漸增加到6臺(tái)時(shí)的繞組變化.可以看出，隨著風(fēng)機(jī)的增加，即增加了單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)風(fēng)機(jī)的氣體量，繞組的溫度明顯有了下降，當(dāng)風(fēng)機(jī)越多，繞組溫度越低，這也符合實(shí)際情況;在3種方案中，當(dāng)軸徑向支架安放角分別為 α=0°，β=0°、α =15°，β =0°、α =15°，β =20°時(shí)，第 3 種方案繞組的溫度最低，隨著送風(fēng)量的增加，繞組溫度下降最快.這是因?yàn)榈?種方案中的支架結(jié)構(gòu)更符合冷卻空氣在通風(fēng)結(jié)構(gòu)中的流通，帶走了更多的熱量，發(fā)揮了流體機(jī)械中前彎式葉輪的優(yōu)勢(shì).

3.2.2 試驗(yàn)可靠性驗(yàn)證

實(shí)際運(yùn)行中的SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)軸徑向安放角接近α=15°，β=20°，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬所得溫度場(chǎng)數(shù)值的準(zhǔn)確性，遂將軸徑向安放角α=15°，β=20°的通風(fēng)結(jié)構(gòu)各個(gè)部件的溫度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行了誤差分析，見(jiàn)表1.

表1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過(guò)表1中對(duì)冷卻系統(tǒng)各個(gè)部件的實(shí)測(cè)溫度和計(jì)算溫度對(duì)比可以看出，平均誤差為1.81%，說(shuō)明了數(shù)值模擬結(jié)果是可信的.而計(jì)算值偏低，這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)發(fā)熱有以下幾部分:定轉(zhuǎn)子繞組有電流才發(fā)熱，也就是銅損，是可變的;在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的相互作用下的定轉(zhuǎn)子鐵心，鐵磁材料連接固定件還有機(jī)殼都會(huì)發(fā)熱，那是鐵損，固定不變的;再就是軸承也會(huì)發(fā)熱.而在數(shù)值模擬計(jì)算中，比如軸承等發(fā)熱量是難以通過(guò)數(shù)值模擬表現(xiàn)出來(lái).

3.3 軸向支架安放角對(duì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響

3.3.1 軸向支架安放角對(duì)發(fā)電機(jī)溫度的影響

支架安放角如果過(guò)大，理論上所獲得能量越高，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致反擊系數(shù)降低，反而使得通風(fēng)效率下降或性能不穩(wěn)定，因此，風(fēng)機(jī)葉片安放角一般取20°～50°.綜合結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)特性以及試驗(yàn)可知，徑向支架安放角α為15°時(shí)更為合理.鑒于此，選取徑向支架安放角α為15°，軸向支架安放角分別β為0°，20°和40°來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析隨流量的變化軸向支架安放角β對(duì)水輪發(fā)電機(jī)溫度的影響，如圖7所示.

圖7 繞組溫度隨通風(fēng)量的變化曲線

由圖7可看出，隨著流量的增加，在3種不同的軸向支架安放角下繞組的溫度顯著降低，當(dāng)風(fēng)機(jī)數(shù)量為1～3臺(tái)(通風(fēng)量為300 ～1200 m3·min－1)時(shí)，三者下降幾乎同步，軸向支架安放角為20°時(shí)繞組的溫度更低.軸徑向安放角 α=0°，β=0°;α =15°，β=0°和 α =15°，β =20°的繞組最高溫度分別為58，56和59℃.在增加風(fēng)機(jī)數(shù)量后，軸向支架安放角為20°時(shí)的散熱優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步體現(xiàn)了出來(lái).

3.3.2 軸向支架安放角對(duì)發(fā)電機(jī)效率的影響

利用CFD軟件對(duì)額定風(fēng)速下通風(fēng)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.轉(zhuǎn)子的效率可以按下式計(jì)算:

式中:可以利用Fluent軟件中的Report功能來(lái)讀相關(guān)參數(shù)，求得轉(zhuǎn)輪繞軸的合力矩M以及水力透平機(jī)轉(zhuǎn)輪的流量Q.由此，便可得出徑向支架安放角α為15°，軸向支架安放角分別為 0°，20°和 40°時(shí)的轉(zhuǎn)子效率隨進(jìn)風(fēng)量的變化曲線如圖8所示.

圖8 水輪發(fā)電機(jī)軸向支架安放角與轉(zhuǎn)子效率關(guān)系曲線

由圖8可以看出，20°的效率最大值比0°和40°的效率最大值要高，在進(jìn)風(fēng)量為1200 m3·min－1左右達(dá)到效率的極值，其中，20°軸向支架安放角時(shí)的轉(zhuǎn)子效率最大值更靠后.這是因?yàn)?°時(shí)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生離心力較小，而支架安放角分別為20°和40°沿轉(zhuǎn)子的葉片分為軸向速度和徑向速度，因此效率高于0°支架安放角的軸向－徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu).

結(jié)合圖3c壓力云圖來(lái)看，隨著支架安放角的增大，壓力分布越不均勻，因此，綜合以上考慮，針對(duì)SFWG24－88/7820型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，選用軸徑向支架安放角分別為α=15°，β=20°通風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為合理.

4 結(jié)論

1)前彎式通風(fēng)支架結(jié)構(gòu)更有利于冷卻空氣的流動(dòng)，能夠帶走盡可能多的熱量，在保證水輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行情況下能減少風(fēng)機(jī)的使用量.

2)試驗(yàn)表明，單面進(jìn)風(fēng)(即軸徑向支架安放角α =0°，β =0°時(shí))的徑向進(jìn)風(fēng)，徑向安放角為 15°時(shí)比徑向安放角為0°時(shí)繞組的最高溫度低3.4%;在徑向安放角為15°時(shí)，軸向安放角為20°時(shí)比軸向安放角為40°時(shí)繞組的最高溫度低5.0%.

3)通風(fēng)結(jié)構(gòu)支架安放角過(guò)小，則散熱效果不明顯，必須增加風(fēng)機(jī)數(shù)量或轉(zhuǎn)速來(lái)提高送風(fēng)量;支架安放角過(guò)大，對(duì)支架的剛度和強(qiáng)度都有了更高的要求，因此，徑向安放角15°，軸向安放角20°時(shí)在滿足支架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上散熱效果最佳.

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