CFD在空內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻中的應(yīng)用

荊中金，畢景良，翁祥玲，周 平，焦 明

(1.山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東濟(jì)南 250100;2.北京清華大學(xué)熱能工程系，北京 100084)

0 引言

空冷發(fā)電機(jī)有性能穩(wěn)定、使用成本低、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著空冷發(fā)電機(jī)單機(jī)容量越來越大，轉(zhuǎn)子表面冷卻的間接轉(zhuǎn)子冷卻方式已經(jīng)不能滿足大容量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的通風(fēng)冷卻要求。因此廣泛采用轉(zhuǎn)子導(dǎo)線直接冷卻方式。空內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的通風(fēng)計(jì)算是計(jì)算空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)冷卻的重點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)分析軟件的不斷發(fā)展，我們對(duì)復(fù)雜的流體流動(dòng)過程可以借助FLUENT對(duì)轉(zhuǎn)子線圈里的空氣流動(dòng)進(jìn)行仿真。特別是在發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，通過FLUENT計(jì)算，可以對(duì)發(fā)電機(jī)線圈的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算［1］，追求良好的效果，大大提高了設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確度。

1 計(jì)算模型

對(duì)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈或者轉(zhuǎn)子線圈槽的模型，其封閉的空間為控制體，各個(gè)面為控制面，冷卻空氣從一個(gè)面進(jìn)入，從另一個(gè)面流出。在這期間模型內(nèi)部的空氣質(zhì)量沒有發(fā)生變化［2］，由此可導(dǎo)出流體流動(dòng)連續(xù)性方程的積分形式為

式中，Vol表示模型內(nèi)流體流動(dòng)的腔體，A表示模型的空氣入口和出口。等式左邊第一項(xiàng)表示模型內(nèi)部質(zhì)量的增加;第二部分表示通過模型后的凈通量。

在直角坐標(biāo)系下，可將其轉(zhuǎn)化為微分形式如下

由于冷卻空氣在轉(zhuǎn)子表面和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)部的流動(dòng)復(fù)雜性，通常是湍流問題，為此我們需要對(duì)N-S方程進(jìn)行部分的理想處理，不考慮空氣的黏性。理想空氣的流動(dòng)模型為Euler方程:

圖1 空心導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

2 空心導(dǎo)線的模型分析

2.1 發(fā)電機(jī)空心導(dǎo)線的基本結(jié)構(gòu)

圖1為空心導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的外觀?？招膶?dǎo)線的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口不在一個(gè)平面。

冷卻空氣從側(cè)面入口進(jìn)入導(dǎo)體后，沿導(dǎo)線流向出口，并從出口垂直流出。

2.2 空心導(dǎo)線的建模及計(jì)算

FLUENT是目前流行的一種計(jì)算流體力學(xué)和傳熱問題的軟件。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。相對(duì)于其他專業(yè)化的CFD(Computational Fluid Dynamics)分析軟件，F(xiàn)LUENT的專業(yè)化和功能性最強(qiáng)，同時(shí)FLUENT還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格。這種在計(jì)算中不斷調(diào)整網(wǎng)格的計(jì)算模式有效而且高效。

2.2.1 空心導(dǎo)線的網(wǎng)格生成

由于空心導(dǎo)線是沿長(zhǎng)度方向完全對(duì)稱的，可以對(duì)導(dǎo)體的一半進(jìn)行建模，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。圖2是空心導(dǎo)線入口的網(wǎng)格劃分示意圖，圖3是空心導(dǎo)線出口的網(wǎng)格劃分。由于冷卻空氣流經(jīng)的空心導(dǎo)線中間部分是規(guī)則的長(zhǎng)方體，其網(wǎng)格劃分也比較均勻，所以主要給出了進(jìn)口和出口的網(wǎng)格。

通過幾次網(wǎng)格的優(yōu)化，最后確定網(wǎng)格數(shù)為286 749個(gè)網(wǎng)格。其中，近壁面網(wǎng)格高度為0.1 mm。

2.2.2 設(shè)置求解方法及邊界條件

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁面處理選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面條件?？紤]到空氣是可壓縮氣體，而且進(jìn)口界面上空氣速度并不完全一致，因此為了與實(shí)際一致，選擇Mass flow inlet(質(zhì)量進(jìn)口)，出口邊界條件為Pressure outlet(壓力出口)。

模型內(nèi)部是流體，介質(zhì)為空氣。運(yùn)動(dòng)形式(Motion type)設(shè)置為 Moving reference frame。旋轉(zhuǎn)半徑選擇導(dǎo)線與轉(zhuǎn)子中心的距離。

出口的半圓柱形的中心截面設(shè)置為Symmetry邊界條件。

對(duì)各個(gè)壁面動(dòng)量邊界條件的設(shè)置，墻體運(yùn)動(dòng)形式(Wall motion)設(shè)置為運(yùn)動(dòng)壁面(Moving wall)，壁面粗糙度根據(jù)導(dǎo)體的粗糙度設(shè)置為1.6×10-6m，粗糙度常數(shù)為0.5。導(dǎo)體通過電流后對(duì)空氣加熱，根據(jù)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，設(shè)置Heat Flux為Heat Flux 1 936 W/m2。

空氣入口的邊界條件選擇質(zhì)量入口。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置為0.003 9 kg/s，進(jìn)口溫度設(shè)置為空冷器冷卻后的冷卻空氣溫度323 K。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 進(jìn)出口溫度和壓強(qiáng)分析

圖4 冷卻空氣進(jìn)口溫度場(chǎng)

A為冷卻空氣入口;B為冷空氣入口處導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu);C為冷卻空氣進(jìn)入導(dǎo)體后的一個(gè)流動(dòng)截面。

圖4是冷卻空氣在經(jīng)過進(jìn)口時(shí)的溫度變化，經(jīng)過計(jì)算A面的平均溫度為323.4 K，B面平均溫度為334.4 K，C面平均溫度為324.4 K。經(jīng)過入口后由于風(fēng)阻和湍流，以及高速旋轉(zhuǎn)的影響，進(jìn)口后風(fēng)溫升高1 K，B面由于是導(dǎo)體面而非空氣面，所以溫度最高。

圖5是冷卻空氣在經(jīng)過進(jìn)口時(shí)的壓強(qiáng)變化值，仍然沿用圖4中A，B，C面來解釋。經(jīng)計(jì)算A面的壓強(qiáng)平均值為7 222.5 Pa，B面壓強(qiáng)平均值為7 182 Pa，C面壓強(qiáng)為5 688.8 Pa。經(jīng)過進(jìn)口進(jìn)入導(dǎo)體的冷卻空氣，由大的流通面進(jìn)入小的流通面，流動(dòng)截面發(fā)生變化，而且流通方向發(fā)生顯著改變，所以壓降比較大。

圖5 冷卻空氣進(jìn)風(fēng)口壓強(qiáng)變化

3.2 導(dǎo)線出口的溫度和壓強(qiáng)分析

圖6是空氣經(jīng)過導(dǎo)體內(nèi)部，經(jīng)過一個(gè)很復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和加熱過程之后出口的壓強(qiáng)變化。其中D為出口前的導(dǎo)體內(nèi)風(fēng)壓的分布圖，E是空氣在出口前的風(fēng)壓分布。從圖可以看出D和E基本相同，經(jīng)過計(jì)算D和E風(fēng)壓的平均值為1 697.2 Pa，而F的壓強(qiáng)值約為零。

圖6 空氣經(jīng)出風(fēng)口的風(fēng)壓分布

圖7 空氣出風(fēng)口的溫度分布

圖7為空氣出風(fēng)口的溫度分布。沿用圖6中的D、E、F來解釋，D面的流體平均溫度為359.4 K，E由于靠近出風(fēng)口F所以溫度有偏差，所以溫升以D面為準(zhǔn)，由圖4知進(jìn)風(fēng)口溫度為323 K，出口溫度為359.4 K，經(jīng)過導(dǎo)體后空氣溫度升幅為36.4 K，與發(fā)電機(jī)實(shí)際導(dǎo)線棒冷卻空氣的溫升大小相符。

3.3 整根導(dǎo)體壓降和溫升分析

圖8為導(dǎo)體壁面沿空氣流動(dòng)方向的壓降。可以從圖中看出壓降下降為4 000 Pa左右，這是由于氣體絕大多部分是遠(yuǎn)離壁面進(jìn)行流動(dòng)，所以沿著壁面的壓降比進(jìn)出口的平均值略小，這是符合流體性質(zhì)的。

圖8 壁面沿空氣流動(dòng)方向的壓降

圖9為導(dǎo)體壁面沿空氣流動(dòng)方向的溫升情況。剔除出口由于氣體的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性導(dǎo)致溫升突變，可以看出導(dǎo)體壁面的溫度最低332 K，最高為384 K，相比較冷卻空氣的323 K和359.4 K，最低溫度分別升高9 K和24.6 K，導(dǎo)體壁面的溫升52 K，可見導(dǎo)體的溫升要比空氣溫升要高一些。

圖9 壁面沿空氣流動(dòng)方向的溫升情況

4 結(jié)語

經(jīng)過數(shù)次的計(jì)算和優(yōu)化，單根導(dǎo)線的數(shù)據(jù)基本與實(shí)際情況相符。筆者試圖計(jì)算整個(gè)轉(zhuǎn)子的線圈通風(fēng)冷卻情況，但是數(shù)千萬個(gè)甚至十?dāng)?shù)億的計(jì)算網(wǎng)格使得工作站很難承受，所以試圖以一根導(dǎo)線的計(jì)算結(jié)果來分析整個(gè)轉(zhuǎn)子的冷卻效果，以對(duì)通風(fēng)冷卻過程有一個(gè)更全面的了解，給設(shè)計(jì)空冷發(fā)電機(jī)工作者提供借鑒作用。

［1］李詩久主編.工程流體力學(xué)［M］，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［2］V·L·Streeter著.流體力學(xué)［M］，周均長(zhǎng)等譯.北京:高等教育出版社，1987.