水氫氫冷卻四級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)數(shù)值分析

王 芳，湯文霞，高斯博，田 宇，張新宇，崔璐璐

（哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

電機(jī)內(nèi)的損耗產(chǎn)生的溫升是衡量電機(jī)運(yùn)行的一個(gè)很重要的功能性指標(biāo)[1]，尤其是在大型電機(jī)綜合性能的評(píng)估中起著重要的作用。電機(jī)的各種損耗產(chǎn)生的熱將會(huì)影響到電機(jī)內(nèi)絕緣的壽命和性能，當(dāng)溫升接近或超過(guò)絕緣溫度最高限制值時(shí)，絕緣會(huì)發(fā)生分層、老化、脫殼等的損壞，最終導(dǎo)致電機(jī)停止運(yùn)行[2]。因此，準(zhǔn)確地計(jì)算電機(jī)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并且對(duì)電機(jī)各部件中絕緣易老化的部分的溫升進(jìn)行研究[3]，既在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)更合理地選擇絕緣材料和結(jié)構(gòu)，以免造成浪費(fèi)或者通風(fēng)不好的情況，又可以作為電機(jī)運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)和故障診斷的依據(jù)[4-5]。

本文以大型水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)路和固體部件的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。轉(zhuǎn)子采用軸向通風(fēng)，氫氣由汽、勵(lì)兩端的護(hù)環(huán)下分別進(jìn)入銅繞組組成的風(fēng)道，其中一部分氫氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子的本體直線段，沿中心段徑向出風(fēng)口進(jìn)入氣隙；另一部分氫氣流入轉(zhuǎn)子端部弧段線圈，由大齒上的出風(fēng)口進(jìn)入氣隙。根據(jù)CFD原理[6-7]，建立轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，選擇合理的基本假設(shè)和邊界條件，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[8]，分析其溫度分布，考核通風(fēng)系統(tǒng)的散熱能力，保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

1 數(shù)學(xué)模型和物理模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

電機(jī)內(nèi)的流體視為不可壓縮流體，流體的流動(dòng)處于湍流狀態(tài)。流動(dòng)要受到質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制約，湍流控制方程采用k-ε兩方程模型[9-10]。

式中：φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

1.2 物理模型

以某大型水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，轉(zhuǎn)子圓周方向上有32個(gè)槽，每個(gè)槽內(nèi)都填充槽楔、墊條、繞組和絕緣。根據(jù)圓周方向的周期特性，轉(zhuǎn)子沿周向分為四個(gè)極，每極有八個(gè)嵌線槽，每四個(gè)槽為一組，極和極之間有一個(gè)大齒出風(fēng)口，整個(gè)轉(zhuǎn)子共有八個(gè)大齒出風(fēng)口。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，以轉(zhuǎn)子周向八分之一，軸向二分之一（取轉(zhuǎn)子汽端）區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，即整個(gè)轉(zhuǎn)子的十六分之一。轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)計(jì)算模型

按照轉(zhuǎn)子繞組的長(zhǎng)度依次標(biāo)號(hào)1到4號(hào)，1號(hào)槽長(zhǎng)度最短，轉(zhuǎn)子各嵌線槽從上到下1號(hào)槽風(fēng)道由1～7編號(hào)，2號(hào)槽風(fēng)道由1～8編號(hào)，3號(hào)槽風(fēng)道由1～9編號(hào)，4號(hào)槽風(fēng)道由1～9編號(hào)。如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子各種槽截面圖

2 基本假設(shè)和邊界條件

2.1 基本假設(shè)

（1）忽略浮力和重力對(duì)流體的影響；

（2）轉(zhuǎn)子內(nèi)流體為定常流動(dòng)狀態(tài)；

（3）轉(zhuǎn)子內(nèi)流體作為不可壓縮流體處理；

（4）流體的雷諾數(shù)很大，采用湍流模型求解。

2.2 邊界條件

（1）材料物性參數(shù)為常數(shù)；

（2）內(nèi)流體與壁面的交界處采用耦合對(duì)流邊界；

（3）材料物性參數(shù)為常數(shù)；

（4）采用壓力邊界條件；

（5）熱源體的熱源密度按照損耗平均分布考慮；

（6）轉(zhuǎn)子中心面為中心對(duì)稱面，其余均為壁面。

3 多相繞組磁勢(shì)諧波分析

3.1 轉(zhuǎn)子內(nèi)流體溫度分布特性

轉(zhuǎn)子計(jì)算域內(nèi)流體的溫度場(chǎng)分布如圖3所示。計(jì)算域內(nèi)的整個(gè)流體區(qū)的最高溫度為111.6℃，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子本體直段徑向出風(fēng)段，由局部放大圖可以看出，溫度較高的區(qū)域集中在3號(hào)和4號(hào)的下層風(fēng)道；在軸徑向段，沿軸向由端部向中心段溫度逐漸升高，端部弧段的溫度最高為78℃，出現(xiàn)弧段末端4號(hào)槽下層風(fēng)道。

圖3 轉(zhuǎn)子計(jì)算域內(nèi)流體溫度場(chǎng)分布

四個(gè)槽內(nèi)流體總體的溫度分布趨勢(shì)基本相同，都是從入口開(kāi)始沿軸向方向氫氣的溫度逐漸升高，在徑向出風(fēng)段達(dá)到了各槽的最大值，1號(hào)槽的最高溫度為93℃，2號(hào)槽的最高溫度為98℃，3號(hào)槽的最高溫度為111.6℃，4號(hào)槽的最高溫度為107℃，各峰值都低于絕緣允許的溫升限值。各嵌線槽沿徑向從上到下溫度逐漸升高，最高溫度都在各槽的8、9號(hào)風(fēng)道。端部的最高溫度在弧段末端，溫度為78℃，這是由于弧段進(jìn)風(fēng)口的位置與弧段末端有一定的距離，冷卻氣體由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道后，沿著風(fēng)道流動(dòng)過(guò)程中不斷地與各發(fā)熱部件熱交換，到端部末端時(shí)氫氣的溫度已經(jīng)上升到一定的溫度，此時(shí)的氫氣還要用來(lái)冷卻端部末端的繞組。但是最高溫度相對(duì)于本體段要低，其一是端部風(fēng)道的相對(duì)長(zhǎng)度要比本體段短很多，其二是冷卻氣體由端部的中心環(huán)進(jìn)入，溫度為45℃，繞組和轉(zhuǎn)軸之間存在風(fēng)室，也起到了一定的冷卻作用。

3.2 轉(zhuǎn)子銅繞組和絕緣的溫度分布

轉(zhuǎn)子銅繞組的溫度分布如圖4所示，在銅繞組入風(fēng)口處氫氣剛進(jìn)入風(fēng)道，此處的溫度最低，約為46℃；轉(zhuǎn)子端部弧段的溫度從入口到弧段末端溫度逐漸上升，最高溫度大約為80℃，位于4號(hào)槽8、9號(hào)風(fēng)道；本體直段銅繞組的溫度是沿著軸向向著本體中心逐漸升高，這是由于轉(zhuǎn)子本體繞組的內(nèi)部冷卻只有氫氣冷卻，氫氣沿軸向流動(dòng)，不斷地與繞組進(jìn)行換熱，到達(dá)繞組所在的中心位置時(shí)，氫氣的溫度不斷上升，所以繞組的溫度會(huì)沿著軸向升高。1號(hào)槽的銅繞組的最高溫度在90℃左右，2號(hào)槽銅繞組的最高溫度大約為95℃，3號(hào)槽的最高溫度大約是113.2℃，4號(hào)槽的最高溫度約為110℃，四個(gè)槽的高溫位置分別在7、8號(hào)風(fēng)道，且最靠近中心面的徑向出風(fēng)段。橫向比較，整個(gè)轉(zhuǎn)子的銅繞組的最高溫度出現(xiàn)在3號(hào)槽。轉(zhuǎn)子繞組最高溫升為67K，在溫升限值以內(nèi)。

圖4 轉(zhuǎn)子銅繞組溫度場(chǎng)分布

轉(zhuǎn)子絕緣的溫度分布如圖5所示。匝間絕緣的溫度分布與繞組溫度的溫度分布趨勢(shì)相同，轉(zhuǎn)子本體段沿軸向溫度逐漸升高；周向來(lái)看，3號(hào)槽的絕緣溫度最高，約為113.3℃，4號(hào)槽絕緣的最高溫度約為110℃，2號(hào)槽絕緣約為97℃，1號(hào)槽絕緣約為90℃左右；沿徑向各槽溫度從上到下，依次升高，各槽的高溫區(qū)都在每個(gè)槽的7、8號(hào)兩個(gè)風(fēng)道的徑向出風(fēng)段。端部弧段的高溫出現(xiàn)在弧段末端，但是相對(duì)本體段來(lái)說(shuō)，完全在絕緣的最大限值之內(nèi)。綜合來(lái)看，絕緣部分的最高溫度是113.3℃，最高溫升為68K，出現(xiàn)在3號(hào)槽的7、8號(hào)風(fēng)道的靠近中心對(duì)稱面的徑向出風(fēng)段。工程要求最高溫度不超過(guò)120℃，最高溫升為80K，均在允許的范圍內(nèi)。

3.3 轉(zhuǎn)子鐵心和護(hù)環(huán)的溫度分布

轉(zhuǎn)子鐵心的溫度分布如圖6所示，嵌線槽之間的鐵心的溫度明顯高于大齒部分的鐵心溫度，從靠近1號(hào)槽的鐵心開(kāi)始到靠近4號(hào)槽的鐵心溫度逐漸升高，最高溫度為101℃，最高溫升為56K。這是由于各槽的銅損產(chǎn)生的熱量除大部分被冷卻氣體帶走之外，還有一小部分以熱傳導(dǎo)的方式經(jīng)由絕緣傳至鐵心，而到大齒部分時(shí)隨著傳遞距離的增加溫差較小，傳遞的熱量也較小，所以溫度會(huì)偏低。鐵心溫度高的位置基本上是在嵌線槽的底部齒根，最高溫升在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。

圖5 轉(zhuǎn)子絕緣溫度場(chǎng)分布

圖6 轉(zhuǎn)子鐵心溫度場(chǎng)分布

護(hù)環(huán)的溫度分布云如圖7所示，護(hù)環(huán)的溫度分布具有區(qū)域性，第一區(qū)域?yàn)榭拷D(zhuǎn)子本體軸向段的部分，溫度在47℃～60℃之間，第二區(qū)域?yàn)槎瞬炕《蔚牟糠郑瑴囟仍?1℃～71℃。在第一區(qū)域中高溫出現(xiàn)在4號(hào)槽的上方，大約為60℃，靠近大齒的部分溫度較低，因?yàn)檫@部分有大齒出風(fēng)口和出風(fēng)的風(fēng)室，且靠近轉(zhuǎn)子的氣隙出風(fēng)口，湍流流動(dòng)劇烈，換熱效果好，所以第一區(qū)域的溫度偏低；第二區(qū)域的最高溫度出現(xiàn)在護(hù)環(huán)弧段末端，且與繞組銜接的部分，最大值為71℃，溫升為26K，轉(zhuǎn)子繞組入風(fēng)口上邊的護(hù)環(huán)部分的溫度較低，大約在51℃～55℃，這是由于這部分護(hù)環(huán)下是轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)室，起到冷卻作用。而弧段護(hù)環(huán)是直接與繞組和擋塊接觸，沒(méi)有氫氣直接冷卻，主要靠熱傳導(dǎo)傳遞熱量，尤其是直接接觸部分溫度最高，是整個(gè)護(hù)環(huán)的最高溫度處。

3.4 轉(zhuǎn)子槽楔和阻尼繞組的溫度分布

轉(zhuǎn)子槽楔的溫度分布如圖8所示，槽楔的溫度分布沿軸向逐漸升高，最低溫度為55℃，最高溫度值為86℃，但是在轉(zhuǎn)子徑向出風(fēng)段有一個(gè)溫度降低段，這是由于轉(zhuǎn)子本體段的出風(fēng)口在這一段，轉(zhuǎn)子本體出風(fēng)速度增大，使這部分換熱增強(qiáng)，但是出風(fēng)段后端靠近轉(zhuǎn)子中心面的溫度升高，這是由于這部分是由轉(zhuǎn)子本體下層風(fēng)道的流體冷卻，轉(zhuǎn)子的下層風(fēng)道的流量比上層風(fēng)道小。

圖7 轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)溫度分布圖

圖8 轉(zhuǎn)子槽楔溫度分布圖

轉(zhuǎn)子阻尼繞組溫度分布如圖9所示，阻尼繞組是在槽楔和墊條之間的結(jié)構(gòu)，溫度分布特性與槽楔相同，最高溫度為93℃，最高溫升為48K，均在允許的范圍內(nèi)。

圖9 轉(zhuǎn)子阻尼繞組溫度分布圖

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)子四個(gè)槽內(nèi)流體總體的溫度分布趨勢(shì)基本相同，都是從入口沿軸向氫氣流動(dòng)方向溫度逐漸升高，在徑向出風(fēng)段達(dá)到最大值，1號(hào)槽的最大值約為93℃，2號(hào)槽的最高溫度為98℃，3號(hào)槽的最高溫度為111.6℃，4號(hào)槽的最高溫度為107℃，低于絕緣允許的最高溫升限值。各嵌線槽沿徑向從上到下溫度逐漸升高，最高溫度在各槽的8、9號(hào)風(fēng)道。端部的最高溫度為78℃，在端部弧段末端。

轉(zhuǎn)子繞組的最高溫度出現(xiàn)在3號(hào)槽，且最靠近中心面的徑向出風(fēng)段，這與流體的溫度分布趨勢(shì)是相符合的，最高溫升為67K；轉(zhuǎn)子絕緣的最高溫度是113.3℃，出現(xiàn)在3號(hào)槽的7、8號(hào)風(fēng)道的靠近中心對(duì)稱面的徑向出風(fēng)段；護(hù)環(huán)的最高溫度出現(xiàn)在護(hù)環(huán)弧段末端與繞組銜接的部分，尤其是直接接觸部分溫度最高，最大值為71℃；槽楔的溫度分布沿軸向逐漸升高，最高溫度值為86℃，最大值出現(xiàn)在靠近轉(zhuǎn)子中心處；轉(zhuǎn)子阻尼繞組的溫度分布特性與槽楔相同，只是溫度不同，最高溫度大約93℃。以上各固體部件的最高溫度值均在工程允許的范圍內(nèi)。

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