50 MW空冷發(fā)電機通風溫升計算及風路優(yōu)化

劉傳杰

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上?！?00240)

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50 MW空冷發(fā)電機通風溫升計算及風路優(yōu)化

劉傳杰

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海200240)

對50 MW小型空冷發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子通風結(jié)構(gòu)進行了簡要介紹，并對該通風型式下定子線圈RTD溫度、定子線圈熱點溫度、定子鐵心熱點溫度、轉(zhuǎn)子平均溫度、轉(zhuǎn)子熱點溫度進行了計算分析。在原方案基礎(chǔ)上，通過對定、轉(zhuǎn)子通風結(jié)構(gòu)進行多方案的比較計算，從中得出了溫升較低且分布較為均勻的優(yōu)化方案。

定子線圈RTD溫度；定子線圈熱點溫度；定子鐵心熱點溫度；轉(zhuǎn)子平均溫度；轉(zhuǎn)子熱點溫度

0　引言

目前，小容量空冷發(fā)電機越來越多的被用于生物質(zhì)發(fā)電、太陽能發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、自備電廠等項目。之前，市場對小型發(fā)電機產(chǎn)品的考量較為注重產(chǎn)品性能，現(xiàn)在的市場不僅對發(fā)電機性能有要求，而且對產(chǎn)品的價格給予更多關(guān)注。只有成本低、體積小、性能優(yōu)良的產(chǎn)品才能在市場競爭中占據(jù)絕對優(yōu)勢。

為了進一步降低發(fā)電機成本，需要對現(xiàn)有發(fā)電機進行整體方案的優(yōu)化設(shè)計，力求進一步縮小體積，減輕質(zhì)量，提升產(chǎn)品性能。由于產(chǎn)品體積的縮小，電負荷和磁負荷往往選取的比較高，此時，需要對電機通風和溫升進行仔細的分析計算，以期選擇更為合理的風路結(jié)構(gòu)及電磁負荷，既能滿足產(chǎn)品散熱要求，又方便加工制造，省工、省時。

本文針對50 MW發(fā)電機產(chǎn)品進行通風溫升計算、分析，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。

1　發(fā)電機通風系統(tǒng)設(shè)計

1.1通風系統(tǒng)概述

對于用空氣作為一次介質(zhì)進行冷卻的小型發(fā)電機來說，其冷卻方式主要有兩種，一種為定、轉(zhuǎn)子均為表面冷卻，另一種為定子采用表面冷卻，轉(zhuǎn)子采用空內(nèi)冷結(jié)構(gòu)。就冷卻效果而言，由于增加了散熱面積，轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的發(fā)電機較表冷結(jié)構(gòu)的發(fā)電機，冷卻效果大大增強。在產(chǎn)品設(shè)計時，根據(jù)發(fā)電機容量、加工成本、制造能力等因素選擇較為合適的冷卻方式，可以達到最優(yōu)化設(shè)計的目的。

本文所研究50 MW空冷發(fā)電機為了縮小電機體積，采用了定子表冷，轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷的冷卻方式，其通風系統(tǒng)風路示意圖如圖1所示。定子鐵心采用徑向通風結(jié)構(gòu)，沿軸向，出風區(qū)和進風區(qū)依次排布。轉(zhuǎn)子加工有副槽，轉(zhuǎn)子線圈上開有徑向通風孔。

圖1　發(fā)電機風路示意圖

1.1.1定子風路設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及經(jīng)驗， 50 MW發(fā)電機定子內(nèi)風路采用一進兩出風路，定子風區(qū)分為3個風區(qū)，中間為進風區(qū)，兩側(cè)為出風區(qū)，機座上焊接有通風管道。冷風從端部經(jīng)鐵心背部通風管流入中間進風區(qū)。定子徑向風道共有48個，沿軸向排布。定子結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2　發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)圖

1.1.2轉(zhuǎn)子風路設(shè)計

轉(zhuǎn)子的通風冷卻方式為：轉(zhuǎn)子本體線圈采用副槽通風徑向冷卻系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子端部線圈采用間接冷卻。這種通風系統(tǒng)的優(yōu)點是槽楔加工方便，銅線的沖制、定位較簡單；轉(zhuǎn)子表面風摩損耗?。徊恍枰邏猴L扇；轉(zhuǎn)子的冷卻氣體直接來自風扇而不經(jīng)過定子加熱，冷卻效果好；轉(zhuǎn)子線圈溫升均勻。

轉(zhuǎn)子線圈本體部分及端部通風冷卻系統(tǒng)分別如圖1和圖3所示。

圖3　轉(zhuǎn)子端部通風示意圖

冷卻空氣經(jīng)風扇進入護環(huán)下和副槽內(nèi)。進入護環(huán)下的冷風，流經(jīng)端部線圈表面，將端部線圈的熱量帶走，熱風從大、小齒上出風口流出，進入氣隙。進入本體的冷風從線圈上的通風孔沿徑向進入氣隙，直接冷卻轉(zhuǎn)子繞組。

2　原方案定轉(zhuǎn)子通風和溫升計算

以定子軸向中心線為界，在原方案中，定子半個中部進風區(qū)風道數(shù)設(shè)為7，則一側(cè)出風區(qū)風道數(shù)為17。按照定子通風計算程序，將一側(cè)出風區(qū)又分為端部出風區(qū)和中間出風區(qū)(進風區(qū)的風進入氣隙后由中間出風區(qū)流出)，端部出風區(qū)風道數(shù)為11，中間出風區(qū)風道數(shù)為6。

轉(zhuǎn)子線圈槽內(nèi)部分沿徑向開通風孔，中心孔的排布軸向?qū)ΨQ，整個軸向共有2×23個通風孔，詳見圖4。轉(zhuǎn)子副槽采用斜副槽，端部副槽高度為36，軸向中心部位副槽高度為16。

圖4　沿軸向半個轉(zhuǎn)子線圈徑向通風孔的布置(等節(jié)距)

利用定轉(zhuǎn)子通風溫升計算程序，對原方案定轉(zhuǎn)子溫升進行計算，結(jié)果如表1。

表1　原方案定轉(zhuǎn)子通風溫升計算結(jié)果　℃

3　定子鐵心各進、出風區(qū)風道數(shù)的優(yōu)化

為了降低定子線圈的熱點溫度，并進一步改善各出風區(qū)溫度分布的均勻性，對風道的布置進行了多方案的優(yōu)化計算。定子風道優(yōu)化布置及通風溫升計算結(jié)果見表2。

表2　定子風道優(yōu)化及溫升統(tǒng)計表

結(jié)合上表來看，綜合考慮出風區(qū)溫度的均勻性和定子線圈的溫升，定子鐵心風道的分布推薦采用優(yōu)化方案aa-3，即：出風區(qū)共19個風道，半個進風區(qū)5個風道。此時定子線圈RTD溫度為107.6 ℃(比原方案降低2.1 K)，定子線圈熱點溫度為120.3 ℃(比原方案降低2.6 K)，定子鐵心熱點溫度為100 ℃(比原方案降低1.9 K)，該方案的定子線圈RTD溫度和定子鐵心熱點溫度都最低，是最優(yōu)的選擇。

4　轉(zhuǎn)子副槽的優(yōu)化

從通風設(shè)計角度，選取直副槽、不同斜率的斜副槽等幾種副槽類型，進行分析比較。為了保持轉(zhuǎn)子銅耗不變，轉(zhuǎn)子嵌線槽高度不變，副槽平均高度不變，僅僅改變副槽的斜率，比較分析副槽斜率大小對轉(zhuǎn)子本體線圈軸向溫度分布的影響。計算方案說明詳見表3，線圈軸向溫度分布如圖5所示。

表3　各計算方案的副槽尺寸　mm

圖5　轉(zhuǎn)子本體軸向溫度分布

由分析計算結(jié)果可知：

1) 斜副槽結(jié)構(gòu)與直副槽結(jié)構(gòu)相比，一方面可降低副槽入口處的氣流速度，另一方面可降低壓力損失，平衡副槽內(nèi)氣體靜壓分布，均衡各徑向風孔的流量分布，使得轉(zhuǎn)子線圈沿軸向的溫度分布更加均勻。

2) 隨著副槽斜率的降低，轉(zhuǎn)子線圈徑向風道的流量不斷降低，轉(zhuǎn)子線圈的溫度不斷升高。方案a-1轉(zhuǎn)子線圈平均溫度最低，為99.6 ℃；方案a-2轉(zhuǎn)子線圈平均溫度為100.7 ℃；采用直副槽時，轉(zhuǎn)子線圈平均溫度增加至105.7 ℃。

綜合來看，轉(zhuǎn)子副槽宜采用斜副槽結(jié)構(gòu)。在4種斜副槽方案中，a-1方案由于轉(zhuǎn)子平均溫度最低，所以為優(yōu)選方案。

5　轉(zhuǎn)子線圈通風孔排布分析

為了進一步均衡轉(zhuǎn)子線圈各徑向風孔的流量分布，對徑向風孔的尺寸、節(jié)距進行多種方案的計算比較分析。

轉(zhuǎn)子線圈徑向風孔的布置可以從以下兩個方面來考慮：

1) 在保證轉(zhuǎn)子線圈滿足溫升限值的前提下，盡可能的使得轉(zhuǎn)子線圈沿軸向的溫度分布均勻；

2) 盡可能的簡化結(jié)構(gòu)，便于加工、制造。

圖6給出的徑向風孔采用疏密布置，轉(zhuǎn)子線圈槽內(nèi)部分每槽27個雙排風孔，轉(zhuǎn)子中心線有孔。兩種方案轉(zhuǎn)子線圈溫度分布如圖7所示。

圖6　沿軸向半個轉(zhuǎn)子線圈徑向通風孔的布置(變節(jié)距)

由分析計算結(jié)果可知：

由于轉(zhuǎn)子采用斜副槽，徑向風孔采用等節(jié)距布置時，線圈溫度較為均勻，轉(zhuǎn)子平均溫度為(100.7 ℃)，最熱點溫度124.4 ℃，余量比較大。

轉(zhuǎn)子線圈徑向風孔采用變節(jié)距疏密布置時，轉(zhuǎn)子線圈平均溫度為98.3 ℃，最熱點溫度為122.7 ℃，與等節(jié)距布置差別不大。但通風損耗增加、加工成本增加。

綜合來看，轉(zhuǎn)子線圈徑向風孔推薦采用等節(jié)距布置，即原方案為最優(yōu)方案。

6　結(jié)語

電機的風路結(jié)構(gòu)是否合理決定了電機散熱效果的好壞，風路設(shè)計合理，則電機散熱效果良好，溫升分布均勻，電機體積在滿足電、磁及機械要求的前提下，能夠做的盡量小。

針對50 MW小型空冷汽輪發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子進行了通風溫升計算，在多方案對比的基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化方案。通過多方案的比較，對該結(jié)構(gòu)類型發(fā)電機通風冷卻優(yōu)化方向有了初步的預判，為后期空冷發(fā)電機產(chǎn)品的開發(fā)提供了參考。