發(fā)電機(jī)定子徑向通風(fēng)系統(tǒng)流量分配模型研究

仝慶華, 胡曉紅, 袁益超, 槽 根, 郭 闖

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海 200062; 2.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

發(fā)電機(jī)定子徑向通風(fēng)系統(tǒng)流量分配模型研究

仝慶華1, 胡曉紅2, 袁益超2, 槽 根2, 郭 闖2

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海 200062; 2.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

以汽輪發(fā)電機(jī)定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象,建立了定子徑向通風(fēng)系統(tǒng)流量分配模型.考慮到定子各風(fēng)區(qū)間的流量相依性,利用壓力平衡來判斷風(fēng)區(qū)間的匯流點(diǎn)和分流點(diǎn),使模型研究結(jié)果更加切合實(shí)際.應(yīng)用模型對某空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究,并將研究結(jié)果與真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果表明,精度滿足工程要求,從而驗(yàn)證了模型的正確性.

汽輪發(fā)電機(jī); 定子; 徑向通風(fēng); 流量分配模型

1 定子軸向多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)

汽輪發(fā)電機(jī)定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)簡稱徑向通風(fēng)系統(tǒng)，因該系統(tǒng)與軸向通風(fēng)系統(tǒng)相比具有較小的軸向溫升,被廣泛應(yīng)用于不同容量的空冷、氫冷汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻中[1-2].在發(fā)電機(jī)溫度場計算中,流場的變化是各散熱系數(shù)變化的重要因素之一.定子各徑向風(fēng)溝的流量分配直接影響定子鐵芯和繞組的溫度分布,因此,對定子各徑向風(fēng)溝間冷卻介質(zhì)流量分配特性進(jìn)行研究是非常重要的[3-6].

定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示,定子鐵芯沿軸向分為若干個進(jìn)、出風(fēng)區(qū),進(jìn)、出風(fēng)區(qū)交替布置.出風(fēng)區(qū)各徑向風(fēng)溝在氣隙處形成分流,進(jìn)風(fēng)區(qū)各徑向風(fēng)溝在氣隙處形成匯流.端部出風(fēng)區(qū)靠近勵端的徑向風(fēng)溝的氣流主要來自氣隙進(jìn)口,其沿定子徑向風(fēng)溝不斷分流;靠近端部進(jìn)風(fēng)區(qū)側(cè),徑向風(fēng)溝的冷卻氣體主要來自端部進(jìn)風(fēng)區(qū),氣流從端部進(jìn)、出風(fēng)區(qū)交界處沿勵端逐漸分流;中間出風(fēng)區(qū)及中心出風(fēng)區(qū)徑向風(fēng)溝氣流則來自其相鄰進(jìn)風(fēng)區(qū),氣流從進(jìn)、出風(fēng)區(qū)交界處沿出風(fēng)區(qū)不斷分流,因此,出風(fēng)區(qū)屬于分流系統(tǒng).對于進(jìn)風(fēng)區(qū),由于冷卻氣體從鐵芯背部流至氣隙后需從定子出風(fēng)區(qū)流出,因此,在進(jìn)風(fēng)區(qū)段氣隙形成匯流,其屬于匯流系統(tǒng).因定子徑向各風(fēng)溝不斷分流與匯流使得氣隙沿軸向靜壓分布不均勻,造成定子進(jìn)、出風(fēng)區(qū)各徑向風(fēng)溝氣體流量分配不均勻,最終導(dǎo)致定子繞組和鐵芯溫升的不均勻.

目前對定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)的研究主要集中在定子徑向風(fēng)溝局部流場對定子溫度場的影響.文獻(xiàn)[7-11]針對定子鐵芯徑向風(fēng)道的流場及其對鐵芯散熱的影響進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[12-14]則對鐵芯的局部溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬研究.現(xiàn)有文獻(xiàn)對定子各徑向風(fēng)溝間流量分配情況研究較少,然而,各徑向風(fēng)溝間冷卻介質(zhì)流量分配研究是定子徑向風(fēng)道內(nèi)流場和溫度場研究的前提,對定子各徑向風(fēng)溝流量分配進(jìn)行研究是非常必要的.定子各徑向風(fēng)溝流量分配若采用數(shù)值方法模擬發(fā)電機(jī)流場,會因電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,建模時需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡化,使模型和工程實(shí)際有一定的偏差.為此,本文考慮定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)的流動特點(diǎn),建立定子通風(fēng)系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)流量分配模型,并將某空冷汽輪發(fā)電機(jī)的模型研究結(jié)果與真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,以驗(yàn)證模型的正確性.模型不僅可以對影響定子通風(fēng)系統(tǒng)流量分配的因素進(jìn)行研究,而且可以用于定子徑向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.

2 軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)流量分配模型

2.1 物理模型

現(xiàn)以某空冷汽輪發(fā)電機(jī)為例,發(fā)電機(jī)定子采用軸向分段多流式4進(jìn)5出通風(fēng)系統(tǒng),即定子沿軸向被分為9個分區(qū),4個進(jìn)風(fēng)區(qū),5個出風(fēng)區(qū),進(jìn)、出風(fēng)區(qū)交替布置.其中,1～20,33～43,54～65,76～85,99～118徑向風(fēng)溝對應(yīng)定子5個出風(fēng)區(qū),21～32,44～53,66～75,86～98徑向風(fēng)溝對應(yīng)定子4個進(jìn)風(fēng)區(qū),其定子通風(fēng)系統(tǒng)圖如圖1所示.因采用軸向分段多流式通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)是左右對稱的,所以,可僅對發(fā)電機(jī)一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究.

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖1定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu),可建立定子進(jìn)、出風(fēng)區(qū)相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路圖(下頁圖2)，以端部出風(fēng)區(qū)為例.對于第n段氣隙風(fēng)溝，有

(1)

對于第n定子徑向風(fēng)溝,有

(2)

圖1 軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

圖2 定子出風(fēng)區(qū)徑向通風(fēng)冷卻風(fēng)路圖

對于定子風(fēng)區(qū)末端徑向風(fēng)溝,ΔPSD1=0,ZSD1=0.

整理式(1)和式(2),可得

(3)

與此類似,對于節(jié)點(diǎn)n-1，有

(4)

同理,在末端至第n定子徑向風(fēng)溝,可建立n個關(guān)系式

(5)

根據(jù)質(zhì)量守恒原理,存在下式:

(6)

將第i徑向風(fēng)溝的流量用第1徑向風(fēng)溝流量來表示

(7)

式中,εi為第i徑向風(fēng)溝與末端徑向風(fēng)溝流量的比值.

則式(6)可表示為

(8)

由式(5)中第i與i+1個方程可得

將式(8)代入式(9),可得

2.3 定子進(jìn)、出風(fēng)區(qū)壓力平衡點(diǎn)確定

定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)因各風(fēng)區(qū)冷卻介質(zhì)分流、匯流相互交錯,使得氣隙處靜壓分布較復(fù)雜.如圖1所示,端部出風(fēng)區(qū)的冷卻介質(zhì)一部分來自氣隙入口處,另一部分則來自端部進(jìn)風(fēng)區(qū).而端部進(jìn)風(fēng)區(qū)的冷卻介質(zhì)則是一部分流入端部出風(fēng)區(qū),另一部分流入中間出風(fēng)區(qū).這樣,在出風(fēng)區(qū)所對應(yīng)的氣隙中就出現(xiàn)匯流點(diǎn)(如圖3所示),而進(jìn)風(fēng)區(qū)所對應(yīng)的氣隙則出現(xiàn)分流點(diǎn)(如圖4所示).在前述的計算中需已知匯流點(diǎn)與分流點(diǎn)位置.因此,匯流點(diǎn)與分流點(diǎn)的正確確定是定子徑向通風(fēng)冷卻系統(tǒng)流量分配計算的關(guān)鍵.

圖3 出風(fēng)區(qū)匯流

圖4 進(jìn)風(fēng)區(qū)分流

3 計算結(jié)果與分析

3.1 定子徑向風(fēng)溝流量分配

圖5給出了某空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子全部徑向風(fēng)溝流量分配模型的研究結(jié)果.從圖5中可以看出,端部出風(fēng)區(qū)靠近勵端定子徑向風(fēng)溝的氣流主要來自氣隙進(jìn)口,由于沿汽端方向定子徑向風(fēng)溝的不斷分流,氣隙流速逐漸減小,靜壓升高,而出風(fēng)區(qū)背部靜壓相同,因此,徑向風(fēng)溝流量逐漸增加;對于端部出風(fēng)區(qū)靠近端部進(jìn)風(fēng)區(qū)側(cè),徑向風(fēng)溝的冷卻氣體主要來自端部進(jìn)風(fēng)區(qū),氣流從端部進(jìn)、出風(fēng)區(qū)交界處沿勵端逐漸分流,氣隙靜壓升高,徑向風(fēng)溝流量亦逐漸增加.當(dāng)端部出風(fēng)區(qū)來自氣隙進(jìn)口及來自進(jìn)風(fēng)區(qū)的兩股氣流相遇時,靜壓達(dá)到最大,該處徑向風(fēng)溝氣體流量最大.對于進(jìn)風(fēng)區(qū)(端部進(jìn)風(fēng)區(qū)和中間進(jìn)風(fēng)區(qū)),由于冷卻氣體從鐵芯背部流至氣隙后需從定子出風(fēng)區(qū)流出,在進(jìn)風(fēng)區(qū)段氣隙形成合流,進(jìn)風(fēng)區(qū)中間氣隙軸向氣流速度較小,兩端氣流速度較大.因此,在進(jìn)風(fēng)區(qū),中間氣隙靜壓較高而兩邊相對較低,中間徑向風(fēng)溝流量較小而兩端徑向風(fēng)溝冷卻介質(zhì)流量較大.

圖5 空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子徑向風(fēng)溝流量分布

3.2 定子徑向風(fēng)溝流量分配模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6給出了某空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)模型結(jié)果與真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果之間的比較.研究結(jié)果表明,耦合模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,兩者偏差在5%以內(nèi).從圖6中可以看出,在定子各風(fēng)區(qū)中,因定子背部風(fēng)壓相等,定子徑向風(fēng)溝間的流量分配主要取決于定子側(cè)氣隙靜壓分布(圖6).在出風(fēng)區(qū),若氣隙靜壓大,則所對應(yīng)的徑向風(fēng)溝進(jìn)、出口壓差大,冷卻介質(zhì)流量大;在進(jìn)風(fēng)區(qū),因冷卻氣體由背部流至氣隙,氣體流動方向與出風(fēng)區(qū)相反.氣隙靜壓越大,徑向風(fēng)溝壓差越小,冷卻介質(zhì)流量越小.

圖6 模型研究結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

4 結(jié) 論

以空冷汽輪發(fā)電機(jī)為例,對汽輪發(fā)電機(jī)定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)流量分配模型進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:

a. 根據(jù)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量守恒以及回路流量壓力平衡的基本關(guān)系,建立了定子軸向分段多流式徑向通風(fēng)系統(tǒng)流量分配模型.應(yīng)用分配模型對某空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子徑向風(fēng)溝流量分配進(jìn)行研究,得到了定子各徑向風(fēng)溝的流量分配規(guī)律.

b. 將流量分配模型研究結(jié)果與真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果相比較,結(jié)果表明,模型研究結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較吻合.

c. 以汽輪發(fā)電機(jī)定子進(jìn)、出風(fēng)區(qū)為代表的分流、匯流系統(tǒng),可適用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)系統(tǒng)和其他工業(yè)領(lǐng)域,本文的流量分配模型可為類似問題的研究提供參考.

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(編輯:石 瑛)

Characteristics of the Flow Rate Distribution in the Axial Sectional Type Radial Ventilation System of a Turbo-Generator Stator

TONG Qinghua1, HU Xiaohong2, YUAN Yichao2, CAO Gen2, GUO Chuang2

(1.ShanghaiInstituteofSpecialInspectionandTechnicalResearch,Shanghai200062,China; 2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

A model for the flow rate distribution of the radial ventilation in stators was built,taking the axial sectional type radial ventilation system of a turbo-generator stators as a research example.Considering the flow volume dependency between the ventilation zones in the stator,the confluence point and the diversion point were determined according to the pressure balance between ventilation zones so as to make the results more practical by the model.The fluid field of an air-cooled turbo-generator stator was analyzed based on the model.The results were compared with the experimental results,which shows that the accuracy meets the need in engineering,and the model was verified.

turbo-generator;stator;radialventilation;flowratedistributionmodel

1007-6735(2016)06-0546-05

10.13255/j.cnki.jusst.2016.06.007

2016-06-13

仝慶華(1980-),男,工程師.研究方向:節(jié)能技術(shù).E-mail:ghtong1980@163.con

胡曉紅(1980-),女,助理研究員.研究方向:大型發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù).E-mail:huxihong@163.con

TM 311

A