向家壩水輪發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)設計及結構特點說明

安志華，秦光宇，宮海龍

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

向家壩水輪發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)設計及結構特點說明

安志華，秦光宇，宮海龍

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

本文敘述了向家壩水輪發(fā)電機通風系統(tǒng)的特點、冷卻方式和發(fā)熱參數(shù)的選擇，介紹了該電機風量及各部分溫度分布的計算方法，探討了通風系統(tǒng)結構對通風冷卻效果的影響。通過對比試驗數(shù)據(jù)與計算結果，檢驗計算的準確性，并對局部流場提出優(yōu)化措施。

水輪發(fā)電機；通風系統(tǒng)；溫度場；結構特點

0 引言

向家壩水輪發(fā)電機單機容量為888.9MVA，每極容量為11.11MVA，是目前國內成功投運的最大容量的全空氣冷卻水輪發(fā)電機。近年來哈電機率先開發(fā)了全空氣冷卻的三峽右岸、拉西瓦、小灣、龍灘等700MW級水輪發(fā)電機，在開發(fā)的過程中，受到很大的啟發(fā)，全空氣冷卻技術也得到飛速的發(fā)展。

隨著機組單機容量的不斷提高，加劇了發(fā)電機的冷卻難度。因此，各電機制造廠更加注重對電壓、支路數(shù)與槽電流的匹配、熱流密度分析計算及熱負荷的控制，并從提高計算精度、不斷優(yōu)化結構入手，對通風冷卻系統(tǒng)及絕緣系統(tǒng)等進行整體優(yōu)化、創(chuàng)新。向家壩水輪發(fā)電機的槽電流為6415A，熱負荷為2486.9A2/mm2·cm，在全空氣冷卻經驗范圍內。

本文說明了向家壩水輪發(fā)電機的通風系統(tǒng)結構及流場特點，通過計算求出發(fā)電機的總風量及風量沿軸向的分配，并依據(jù)風速的大小，選擇了散熱系數(shù)等參數(shù)，進行了各部分溫度場計算，分析了定子線圈等沿軸向的分布規(guī)律。

1 通風計算基本方法

根據(jù)物質不滅定律，在通風冷卻系統(tǒng)內流入和流出任意流道的冷卻氣體流量應該相等，于是對于通風計算網(wǎng)絡中的每個節(jié)點均應有：

根據(jù)能量守恒定律及流體伯努力方程，對于通風計算網(wǎng)絡中的任意閉合回路，都應有冷卻流體的流動壓力變化總和為零。即：

由于通風計算網(wǎng)絡中支路兩端的壓差與支路流量呈非線性，因此要將其線性化。通風冷卻的計算方法可以采用簡化流體流動網(wǎng)絡為一線性網(wǎng)絡的分析方法，用一個收斂的質量流量法迭代求解網(wǎng)絡問題，建立各節(jié)點的多個支路的線性方程矩陣，進行求解，計算電機的總風量及風量分配。

2 定子溫度場計算原理

應用有限元法進行向家壩水輪發(fā)電機各部分溫度場計算，利用幾何元素和布爾運算操作生成基本的幾何形狀，在建立實體模型同時劃分網(wǎng)格來生成節(jié)點和單元。

考慮邊值問題，在直角坐標下，各向異性介質中的三維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程是：

式中：λx、λy、λz為x、y、z方向的導熱系數(shù)，Ω1、Ω3為邊界條件。

通過變分問題離散形成有限元方程為:

3 通風冷卻系統(tǒng)設計

向家壩水輪發(fā)電機的轉速為75r/min，轉子外緣周速約為76m/s，相對而言，轉子外圓周速不是很高，長徑比較小，通過控制轉子的外徑和轉子支架入風口的位置，可形成需要的離心壓頭，驅送空氣在通風系統(tǒng)內流動，與發(fā)電機的發(fā)熱部件進行熱交換，達到滿足通風散熱的需要。

向家壩水輪發(fā)電機采用雙路徑向無風扇端部回風密閉自循環(huán)全空氣冷卻方式。冷卻空氣由轉子支架、磁軛、磁極旋轉產生的風扇作用進入轉子支架入口，流經磁軛風道、磁極極間、氣隙、定子徑向風溝，冷卻氣體攜帶發(fā)電機損耗熱經定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經定子線圈端部進入轉子支架，構成密閉自循環(huán)通風系統(tǒng)。通風系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

發(fā)電機的容量、鐵心長度、轉速、損耗的產生位置和大小都影響通風系統(tǒng)的設計，通風系統(tǒng)的設計不僅要冷卻各發(fā)熱部件，使其溫升低于要求的溫升限值，更要控制溫度的不均勻度，以避免定子鐵心的翹曲、絕緣脫殼等問題。在通風系統(tǒng)的設計中，由通風系統(tǒng)各部分尺寸的選擇來決定風量的大小，通過結構的優(yōu)化來改善流道的條件以降低流道的壓力損失，對于通風系統(tǒng)局部擋板、密封結構的設計可以避免流體產生風堵、死區(qū)、渦流等現(xiàn)象，因此，通風系統(tǒng)的設計是提供高效冷卻條件，較小通風損耗的基礎。

圖1 通風系統(tǒng)結構示意

4 結構對通風冷卻效果的影響

向家壩水輪發(fā)電機通風系統(tǒng)采用的是分塊旋轉擋風板結構，較固定擋風板結構具有更簡捷、易于維護、檢查及方便各種輔助部件布置的優(yōu)點。統(tǒng)計大量的已投運水輪發(fā)電機，在轉子外圓周速不是很高的機組上應用該結構，其圓盤效應較小，對于轉子線圈端部的冷卻更加有利，是一種比較理想的密封結構。

4.1 定子鐵心通風溝

定子鐵心通風溝是冷卻氣體的主要過流通道，對冷卻定子鐵心及定子線圈起著重要的作用。統(tǒng)計定子鐵心通風溝的高度，主要有10mm、8mm、6mm、5mm、4mm幾種，如果選擇較小的通風溝高度，會因通風溝數(shù)量增加，使對流換熱面積相應增大，但通風溝高度降低又會使流道的水力直徑減小，流體在流道中的壓力損失上升，風量隨之減小。在定子鐵心通風溝的設計上，結合定子各部分溫度的計算結果和風量的分布來確定。經計算分析，定子鐵心通風溝數(shù)取為69，高度取為6 mm。

4.2 轉子支架

在旋轉時，轉子支架擋風板與轉子支架能夠產生一定的壓頭，同時，在入風口等位置伴隨著壓力損失。通風系統(tǒng)設計時，轉子支架位置和結構尺寸的確定在滿足形成足夠壓力的同時，以減小支架入口損失，調節(jié)風量為設計的目的。轉子支架與磁軛之間的間隙采用密封結構可有效減少漏風，從而降低通風損耗，提高發(fā)電機的效率。向家壩水輪發(fā)電機轉子支架為斜筋結構，轉子支架擋風板內徑為Φ8400mm。

4.3 磁軛通風道

磁軛通風道是冷卻流體過流通道的咽喉，直接影響風量的均勻分配及冷卻效果。在結構設計上，通過對磁軛沖片縫隙對應的入口、出口處進行導角等處理，削弱流體與流道的碰撞，降低系統(tǒng)的阻力。磁軛風溝的設計，一方面要保證需要的尺寸，另一方面導風帶的設計應盡量保持過流通道流暢。

向家壩水輪發(fā)電機的磁軛通風道由磁軛風溝和磁軛縫隙組成，分析計算磁軛風溝高取40mm，風溝數(shù)取14。磁軛風溝入口寬為550mm，磁軛風溝出口寬為200mm。磁軛縫隙入口寬為140mm，磁軛縫隙出口寬為140mm，磁軛縫隙高度為12mm。具體結構如圖2所示。

圖2 磁軛疊片方式

4.4 磁極支撐

為了增加磁軛通風道出口的過流面積，保證有足夠的冷卻風量，磁極采用玻璃管注膠結構支撐，該結構占用空間較小，流體流出磁軛時的壓力損失相對也會有所改善。

4.5 磁極線圈

為了增加磁極線圈的散熱面積，改善磁極線圈的通風冷卻效果，向家壩水輪發(fā)電機磁極線圈采用帶散熱匝的形式。

4.6 冷卻器的選擇

冷卻器是電機的熱交換部件，冷卻器的傳熱性能和風阻性能決定其尺寸的大小，穿片式冷卻器的散熱面積大，在散熱片上設計有坡口進行擾流，增加流體的紊流程度，提高散熱片與流體的對流換熱。向家壩水輪發(fā)電機選擇的是穿片式冷卻器。圖3為穿片式冷卻器模型散熱元件圖。

國家標準及合同一般要求空氣冷卻器冷卻容量的設計裕度應不小于115%，且應保證電機在額定工況運行時，當冷卻水溫不大于專用技術規(guī)范規(guī)定水溫時，冷卻器出口空氣溫度不超過40℃等。向家壩水輪發(fā)電機用冷卻器的設計是按非正常工況時，正常運行的冷卻器出風與事故冷卻器出風（熱風）混合后的風溫作為電機的冷風溫度來設計的，并且該冷風溫度不高于40℃，保證規(guī)定數(shù)量的冷卻器故障狀態(tài)下，其余的空氣冷卻器仍能承擔并完成冷卻任務。

圖3 穿片式冷卻器模型散熱元件

5 通風系統(tǒng)和溫度場的計算

5.1 通風系統(tǒng)計算

在水輪發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)中，冷卻流體的壓力損失主要包括局部損失和沿程摩擦損失。流道變形、分流及合流等阻力引起局部損失，流道的水力直徑、流道內冷卻流體的雷諾數(shù)及流道的光滑程度等與沿程摩擦損失相關，一般局部損失遠大于沿程摩擦損失。本文根據(jù)發(fā)電機通風系統(tǒng)的結構特點，結合選用的材料和制造水平確定阻力系數(shù)和計算網(wǎng)絡，通過通風結構的調整盡量降低各部分損失。圖4為向家壩水輪發(fā)電機的通風系統(tǒng)網(wǎng)絡圖，具體風量計算結果如圖5所示。

圖4 向家壩電站機組的通風網(wǎng)絡圖

按氣體溫升28K考慮，向家壩水輪發(fā)電機所需風量約為309m3/s，設計風量為340.2m3/s。上風道風量約占總風量的57%，下風道風量約占總風量的43%，銅環(huán)等發(fā)熱部件集中在上風道中，上風道的風量比下風道略高是比較合理的。

圖5 通風計算結果

5.2 定子溫度場計算

這里以向家壩水輪發(fā)電機半齒半槽沿軸向為計算區(qū)域，根據(jù)絕緣規(guī)范和相關結構建立計算模型，在通風溝內流體與固定面選用第三類邊界條件，即流體的溫度和流體與邊界面的對流換熱系數(shù)。另外，由于鐵心疊片、線圈股線絕緣等因素的影響，計算中考慮了材料的三維各向異性。圖6為定子計算區(qū)域溫度分布云圖。

表1為發(fā)電機額定容量下定子線圈沿軸向的最熱點溫度值（對應于每個鐵心段中間位置），根據(jù)表1數(shù)據(jù)在圖7中示出了線圈溫度分布情況，圖中1-4節(jié)點為非傳動端端部線圈溫度，5節(jié)點為非傳動端端部直線段線圈溫度，6-75節(jié)點為與各鐵心段位置對應的線圈溫度值，76節(jié)點為傳動端端部直線段線圈溫度，77-80節(jié)點為傳動端端部線圈溫度。

圖6 定子溫度分布云圖

基于冷風40℃進行各部分溫度計算，從計算結果可以看出，定子線圈銅排最高點溫度為119.7℃，最熱點溫度處在中間位置的上層線圈上。鐵心溫度分布見圖8，計算結果說明，定子鐵心軛背部及齒頂處溫度較低，定子鐵心的最熱點溫度為80.9℃。根據(jù)額定容量下，定子鐵心沿軸向的熱點溫度值（從非傳動端至傳動端各鐵心段對應的溫度值）繪制了定子鐵心沿軸向的溫度分布，如圖9所示。

圖7 發(fā)電機定子線圈沿軸向的溫度分布曲線

圖8 定子鐵心溫度分布云圖

圖9 發(fā)電機定子鐵心沿軸向的溫度分布

溫度分布曲線說明無論定子線圈還是定子鐵心，沿軸向的溫度分布都是比較均勻的，通風系統(tǒng)冷卻效果良好。

5.3 轉子溫度場計算

轉子溫度場計算以轉子半軸向為計算區(qū)域，磁極底部采用第一類邊界條件，磁極線圈兩側施加第三類邊界條件。由于磁極兩側存在迎風面和背風面的差別，迎風面的散熱系數(shù)要高于背風面的散熱系數(shù)。根據(jù)轉子外圓周邊速度及物性參數(shù)計算散熱系數(shù)，對極靴表面、線圈托板等施加第三類邊界條件。根據(jù)電磁計算得到的損耗值，對磁極線圈、極靴表面、阻尼條等施加熱源。圖10為轉子剖分網(wǎng)格圖，圖11為轉子溫度分布云圖。表2 為發(fā)電機轉子在額定工況下迎風面、背風面磁極線圈溫度分布，根據(jù)表2數(shù)據(jù)在圖12中示出了磁極線圈溫度分布曲線。

表1 發(fā)電機定子線圈沿軸向的溫度分布

圖10 轉子剖分網(wǎng)格圖

圖11 轉子溫度分布云圖

表2 發(fā)電機轉子磁極線圈溫度

轉子最熱點溫度為107.8℃，轉子迎風面溫度較背風面溫度略低。

以上分析說明定、轉子溫升均在合理范圍內。滿足向家壩水輪發(fā)電機技術規(guī)范中設備特性和性能保證要求。

圖12 發(fā)電機轉子線圈沿軸向的溫度分布曲線

6 試驗數(shù)據(jù)與試算結果對比

向家壩水輪發(fā)電機運行后，哈電機進行了通風系統(tǒng)總風量、下風道風量測量和流場觀測。用“中速風表”測量冷卻器處的平均出風速度，此風速值與冷卻器面積及個數(shù)相乘即得到了總風量的測量值。下風道風量采用相同的方法進行了測量。另外，試驗時還進行了流場觀察，掌握了空氣的流動方向和狀態(tài)。表3為冷卻器處的風速測量值，表4為下風道風速和風溫的測量值。

表3 冷卻器處的風速測量值

通過以上測得的風速可以求得總風量約為358.7m3/s，下風道風量約為91.24 m3/s。風道風溫30.4～35.8℃，下風道風量約占總風量的25%，與計算結果存在一定偏差。實測風量與計算的總風量340.2m3/s對比，誤差在5.4%左右。盡管通風系統(tǒng)冷卻效果良好，滿足冷卻要求，但若對上下風道的進風面積進行控制，可使風量分配更加合理。

表4 下風道風速測量和風溫

7 結論

向家壩水輪發(fā)電機的槽電流、熱負荷等均在全空氣冷卻可靠經驗取值范圍內，采用全空氣冷卻方式是非常合適的。

向家壩水輪發(fā)電機的計算風量為340.2m3/s，實測風量約為358.7m3/s，計算結果與試驗數(shù)據(jù)誤差較小。

定、轉子各部分溫度分布的計算結果及機組運行實際說明，定、轉子溫升均在合理范圍內，滿足并優(yōu)于技術規(guī)范中設備特性和性能保證要求。

Designof Ventilation Cooling System and Structure Features of Xiangjiaba Hydro Generator

AN Zhihua, QIN Guangyu, GONG Hailong
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The text talks about the features of ventilation system, cooling method and the choice of fever parameters of the Xiangjiaba Hydro Generator. It also introduces the calculation method of air flow and temperature distribution in each part and discusses the influence of ventilation system structure on the ventilation cooling effect .By comparing the test data and the calculation results, we check out the accuracy of the calculation and put forward the optimization measures on the local flow field.

hydro generator; ventilation system; temperature field; structure features

TM312

A

1000-3983(2016)02-0007-05

2015-04 -30

安志華（1968-），1989年畢業(yè)于華中理工大學電力工程專業(yè)，現(xiàn)從事電機的通風冷卻研究工作，工程師。

審稿人：李廣德

黑龍江省博士后基金(LBH-Z12270)