空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度分布

王芳　崔璐璐　徐洪祥

摘要：為了研究汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度分布情況，以某型空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，建立三維物理模型。依據(jù)CFD原理，利用合理的基本假設(shè)和邊界條件，對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻介質(zhì)和固體部件的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解，分析轉(zhuǎn)子的溫度分布。計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)子線圈溫度最高達(dá)到了102℃，位于轉(zhuǎn)子直線段的端部，沒(méi)有超過(guò)溫度限制；轉(zhuǎn)子線圈整體平均溫度為88.0℃，廠方試驗(yàn)值為87.5℃，誤差為0.57%，所得結(jié)果為汽輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)；空冷；轉(zhuǎn)子；溫度分布

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.003

中圖分類號(hào)： TM311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）01-0013-05

Abstract：In order to study the temperature distribution of the turbogenerator rotor， an aircooling turbogenerator rotor is aimed as the research object， and a threedimensional model of the rotor is established. According to the principle of CFD， basic assumptions and boundary conditions are selected， temperature field of cooling medium and solid part in rotor is solved numerically， and the temperature field distribution law of rotor is analyzed. The calculation results show that the highest temperature of the rotor winding temperature reached 102℃ which is at the end of the rotor line segment， and does not exceed the temperature limit. The wholer rotor winding draw temperature is 88.0℃ and the manufacturer test value is 87.5℃， the error is 0.57% compared with the generator for test data provided by the manufacturer， which guarantees the safe operation of turbogenerator.

Keywords：turbogenerator；aircooling；rotor；temperature distribution

0引言

隨著社會(huì)發(fā)展進(jìn)程的逐步加快，對(duì)電力的需求與日俱增，對(duì)空冷汽輪發(fā)電機(jī)的需求不斷上升。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升直接關(guān)系到機(jī)組的性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時(shí)還影響發(fā)電機(jī)的壽命和運(yùn)行的可靠性。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升計(jì)算是汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的最主要內(nèi)容之一 [1-5]。

本文以某型空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子作為研究對(duì)象，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻介質(zhì)和各固體部件的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。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，在3000r/min的穩(wěn)定工況下，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算 [8] ，根據(jù)以上各計(jì)算結(jié)果，著重分析了轉(zhuǎn)子內(nèi)流體的溫度分布規(guī)律和主要固體部件銅線圈、絕緣、槽楔的溫度分布規(guī)律。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通風(fēng)系統(tǒng)和物理模型

轉(zhuǎn)子采用軸徑向通風(fēng)，冷空氣在發(fā)電機(jī)高壓風(fēng)扇加壓后進(jìn)入到轉(zhuǎn)子端部線圈下的氣室，分成兩個(gè)風(fēng)路，一路進(jìn)入副槽，冷卻空氣在副槽流動(dòng)的過(guò)程中在流進(jìn)轉(zhuǎn)子各個(gè)徑向風(fēng)道，最后進(jìn)入氣隙；另一路在轉(zhuǎn)子端部線棒的軸向進(jìn)風(fēng)口和端部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)部風(fēng)道，其中一部分沿著軸向線圈內(nèi)部風(fēng)道流動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道，一部分沿著線圈內(nèi)部風(fēng)道流向轉(zhuǎn)子曲段，最后經(jīng)轉(zhuǎn)子端部線圈下部的風(fēng)道進(jìn)入氣隙。

該汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有32個(gè)槽，沿周向?qū)ΨQ分布分為四組，每一組放置編號(hào)為1～8的8個(gè)不同的轉(zhuǎn)子線圈。由于電機(jī)左右對(duì)稱，選取風(fēng)阻最大，冷卻效果不好的8號(hào)轉(zhuǎn)子槽的一半作為三維物理模型和分析對(duì)象。轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1溫度場(chǎng)求解物理模型

2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] 。

（ρφ）t+div（ρUφ）=div（Γgradφ）+Sφ

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)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

3基本假設(shè)和邊界條件

3.1基本假設(shè)

1）忽略重力和浮力對(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；

5）線圈主絕緣、層間絕緣各自的材料物性均相同；

6）電機(jī)內(nèi)各固體部件之間完全接觸，熱源密度按照損耗平均分布考慮。

3.2邊界條件

1）材料物性參數(shù)為常數(shù)，其中匝間絕緣材料、銅繞組、槽楔、轉(zhuǎn)子鐵心、護(hù)環(huán)的熱導(dǎo)率λ數(shù)值分別為0.3、387.6、202.4、31.8、44，單位均為W/（m·K）；

2）風(fēng)扇的入口表壓為5000Pa，入口空氣溫度50℃。由于冷卻空氣在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的平均溫度接近65℃，所以定義此溫度下空氣物性，65℃時(shí)空氣密度密度ρ=1.045kg/m3，定壓比熱cp=1007J/（kg·K），熱導(dǎo)率λ=0.0293W/（m·K），動(dòng)力粘度η=2.03×10-5kg/（m·s）；

3）根據(jù)廠方提供的發(fā)電機(jī)損耗數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子銅熱源強(qiáng)度為q=284927W/m3，轉(zhuǎn)子鐵心熱源強(qiáng)度為q=65137W/m3；

4）方程組采用分離、隱式求解，針對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，轉(zhuǎn)速為3000r/min，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槠四鏁r(shí)針，壓力速度耦合選用SIMPLEC算法，方程離散采用二階迎風(fēng)格式。

4求解結(jié)果及分析

4.1轉(zhuǎn)子內(nèi)流體溫度分布特性

空氣經(jīng)過(guò)高壓風(fēng)扇的加壓后進(jìn)入到汽輪發(fā)電機(jī)的內(nèi)部，與發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱部件進(jìn)行熱量交換，冷卻介質(zhì)溫度分布直接影響著發(fā)熱部件的溫度分布。所建立的8號(hào)轉(zhuǎn)子槽模型共有25個(gè)完整徑向風(fēng)溝和一個(gè)半個(gè)風(fēng)溝，分別對(duì)徑向風(fēng)溝進(jìn)行編號(hào)為1～26號(hào)，1～3號(hào)徑向風(fēng)溝內(nèi)的空氣是流自12個(gè)轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝，4～26號(hào)徑向風(fēng)溝的冷空氣是來(lái)自副槽。

圖2為轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道及副槽溫度分布。 空氣最低溫度為51.7℃，最高溫度為102℃。冷空氣入口溫度為50℃，冷空氣在流經(jīng)轉(zhuǎn)子端部氣室進(jìn)入副槽的過(guò)程中，被轉(zhuǎn)子最下層的端部線圈和曲段線圈加熱，因此在到達(dá)副槽入口時(shí)，溫度略有升高，副槽內(nèi)的空氣在沿軸向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不斷的被兩側(cè)的轉(zhuǎn)子鐵心和墊條加熱，在到達(dá)副槽盡頭時(shí)，槽內(nèi)的空氣溫度已經(jīng)升高到68.6℃。從4、12、19、24號(hào)徑向風(fēng)道放大圖可以看出進(jìn)入徑向風(fēng)道內(nèi)的空氣溫度也在不斷的升高，同時(shí)因?yàn)楦辈蹆?nèi)空氣流速的降低，使得渦旋的范圍逐漸的減小，徑向風(fēng)道內(nèi)空氣的溫度分布更加均勻；1～3號(hào)轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道內(nèi)的空氣是流自12個(gè)軸向進(jìn)風(fēng)口，冷空氣從高壓風(fēng)扇流入到軸向進(jìn)風(fēng)口的過(guò)程中會(huì)有摩擦生熱和被一些發(fā)熱部件的加熱，所以1～3號(hào)徑向通風(fēng)道內(nèi)空氣的溫度要高于4～26號(hào)，

最高溫度102 ℃出現(xiàn)在2號(hào)徑向通風(fēng)道內(nèi)。

圖3顯示的是軸向通風(fēng)段的空氣溫度分布，1～3號(hào)轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道內(nèi)的空氣是流自12個(gè)軸向進(jìn)風(fēng)口，冷空氣從高壓風(fēng)扇流入到軸向進(jìn)風(fēng)口的過(guò)程中會(huì)有摩擦生熱，也會(huì)被一些發(fā)熱部件加熱，致使進(jìn)入軸向進(jìn)風(fēng)口的最低空氣溫度達(dá)到了52.4℃；如圖 4是12個(gè)軸向進(jìn)風(fēng)口平均溫度分布，從溫度分布上看，進(jìn)口溫度是先升高，再降低，在12軸向進(jìn)風(fēng)口所處氣室由于電機(jī)結(jié)構(gòu)和空氣流速的因素形成了一個(gè)渦旋，渦旋的產(chǎn)生使得空氣不能及時(shí)的進(jìn)入風(fēng)道而滯留在渦旋中，使得整體的空氣進(jìn)入量降低，因此渦旋中心區(qū)空氣溫度高，沿著半徑的增大，溫度逐漸降低，4號(hào)和5號(hào)軸向進(jìn)風(fēng)口正處于渦旋中心附近，因此進(jìn)口空氣溫度最高達(dá)到了63℃左右。

圖5為轉(zhuǎn)子曲段風(fēng)道內(nèi)空氣溫度分布。冷空氣在風(fēng)道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不斷的與線圈發(fā)生熱交換使得空氣的溫度不斷的升高，由于線圈處于 轉(zhuǎn)子端部，距離風(fēng)扇入口很近，轉(zhuǎn)子端部風(fēng)室的空氣溫度都很低，因此對(duì)端部線圈冷卻的效果比較好；線圈的冷卻主要靠風(fēng)道內(nèi)的空氣冷卻，冷卻效果不好，線圈的冷卻主要靠風(fēng)道內(nèi)的空氣冷卻，因此線圈的溫度較高，線圈內(nèi)的空氣溫度也隨之升高，空氣的最高溫度為99.6℃，處于轉(zhuǎn)子曲段的端部。

圖6是轉(zhuǎn)子端部風(fēng)室的溫度分布，由于距離風(fēng)扇入口很近，空氣的最低溫度和入口的邊界條件接近為50.1℃，最高溫度在端部出風(fēng)口附近的氣室內(nèi)為97.0℃；軸向進(jìn)風(fēng)口和端部進(jìn)風(fēng)口 所在部分的風(fēng)區(qū)產(chǎn)生了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相同的渦旋，渦旋中心的域 因?yàn)榱鲃?dòng)不暢，形成了一個(gè)高溫區(qū)達(dá)到了72.5℃，明顯高于渦旋外圍的空氣溫度，12個(gè)軸向進(jìn)風(fēng)口縱向排列正好貫穿這個(gè)渦流，12個(gè)端部進(jìn)風(fēng)口縱向排列處于渦旋的邊緣，因此軸向進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)溫度沒(méi)有端部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)溫度相對(duì)均勻；氣室的其余空氣流通不好的地方溫度也比較高；端部出風(fēng)口所處的氣室與風(fēng)扇后的氣室不相同，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量主要靠轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)的冷空氣換熱帶走，因此整體的溫度較高，氣室內(nèi)的最高溫度也是在這里。外部冷卻氣室內(nèi)的空氣沒(méi)有軸向進(jìn)風(fēng)口和端部進(jìn)風(fēng)口所在氣室流動(dòng)狀態(tài)好，處于這部分空氣與轉(zhuǎn)子固體部分的相對(duì)流速低，因此轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生的熱量不能被及時(shí)的傳遞出去，處于外部冷卻氣室的轉(zhuǎn)子線圈溫度較高，同時(shí)也把與之接觸的空氣溫度加熱到比較高。

4.2轉(zhuǎn)子內(nèi)主要固體部件溫度分布特性

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱部件主要有線圈和鐵心，其他主要結(jié)構(gòu)如槽楔、絕緣是不發(fā)熱的，但是受到發(fā)熱部件的影響，它們也有一定程度溫度的升高，溫升會(huì)直接影響發(fā)電機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件的機(jī)械性能。

轉(zhuǎn)子線圈是發(fā)電機(jī)內(nèi)溫升較高的部件，該汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子每個(gè)槽有12層轉(zhuǎn)子線圈，每層線圈之間有絕緣分隔，如圖7為模型轉(zhuǎn)子線圈溫度分布。

轉(zhuǎn)子曲段線圈與冷空氣接觸的壁面導(dǎo)熱良好，同時(shí)線圈內(nèi)部還有從端部進(jìn)風(fēng)口流入的低溫空氣，在內(nèi)外雙重散熱的情況下，轉(zhuǎn)子曲段線圈的整體溫度比較低，在80℃左右；轉(zhuǎn)子端部最上層與護(hù)環(huán)接觸，護(hù)環(huán)本身并不發(fā)熱，溫度較低，因此線圈的熱量傳導(dǎo)給護(hù)環(huán)，溫度進(jìn)一步降低，最低達(dá)到了58.4℃；端部出風(fēng)口附近的線圈所處的氣室與風(fēng)扇后氣室并不相通，氣室內(nèi)的空氣是從端部出風(fēng)口流出的空氣，溫度較高，線圈溫度升高達(dá)到了99.6℃；轉(zhuǎn)子線圈最高溫度為102℃，在轉(zhuǎn)子直線段的端部，即1～3號(hào)徑向風(fēng)道處，冷空氣從軸向進(jìn)風(fēng)口流入到線圈內(nèi)部風(fēng)道，由于形成了渦旋，致使進(jìn)入12個(gè)線圈內(nèi)的空氣流量不均勻，空氣量變少，經(jīng)過(guò)軸向線圈的加熱，使得進(jìn)入1～3號(hào)徑向風(fēng)道時(shí)空氣溫度比較高，線圈的升溫幅度明顯高于其他部分的線圈；4～26號(hào)徑向風(fēng)道內(nèi)冷空氣是來(lái)自副槽，空氣的溫度較低，一般在93.2～97.6℃之間；轉(zhuǎn)子線圈整體的平均溫度為88.0℃，工廠試驗(yàn)值為87.5℃，誤差為0.57%，說(shuō)明模擬計(jì)算結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。

在發(fā)電機(jī)等電氣設(shè)備中，絕緣材料是最為薄弱的環(huán)節(jié)。絕緣材料尤其容易受到高溫的影響而加速老化并損壞。本模型的發(fā)電機(jī)采用是F級(jí)絕緣等級(jí)，允許的工作溫度為155℃，圖8是轉(zhuǎn)子絕緣溫度分布，溫度最低為51.9℃，位置在下側(cè)軸向經(jīng)風(fēng)口，此處與進(jìn)入線棒內(nèi)的冷空氣直接接觸進(jìn)行熱量交換，因此此處絕緣的溫度與冷空氣的溫度是相同的；絕緣的最高溫度也出現(xiàn)在1～3號(hào)轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道附近，達(dá)到了102℃，沒(méi)有超過(guò)F級(jí)絕緣允許工作的范圍；曲段線圈的最高溫度出現(xiàn)在端部出風(fēng)口附近，溫度達(dá)到98.8℃；徑向風(fēng)道附近的絕緣由于直接受到空氣的冷卻，溫度略低，范圍在76.8～81.8℃，中間部分絕緣的溫度較高，轉(zhuǎn)子絕緣整體的平均溫度為87.4℃。

圖9是轉(zhuǎn)子槽楔溫度分布，槽楔位于轉(zhuǎn)子墊條上面，直接接觸氣隙，槽楔本身并沒(méi)有損耗的產(chǎn)生，熱量的來(lái)源主要是墊條和轉(zhuǎn)子鐵心，槽楔的材料是鋁，導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較好，因此它的溫度分布受氣隙內(nèi)冷空氣溫度分布影響很大，從圖9中可以看出槽楔的溫度分布在徑向方向上沒(méi)有什么梯度變化，而在軸向方向上梯度分布很明顯，最高溫度出現(xiàn)在槽楔的端部達(dá)到了84.4℃，槽楔整體的平均溫度為80.8℃[11]。

5結(jié)論

1）轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道內(nèi)流體的溫升趨于均勻，1～3號(hào)轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道內(nèi)空氣溫度較高，最高溫度102℃出現(xiàn)在2號(hào)徑向通風(fēng)道內(nèi)。

2）轉(zhuǎn)子曲段線圈的整體溫度比較低，在80℃左右；端部出風(fēng)口附近的線圈溫度較高，達(dá)到了99.6℃；轉(zhuǎn)子線圈最高溫度為102℃，在轉(zhuǎn)子直線段的端部；線圈整體的平均溫度為88.0℃，工廠試驗(yàn)值為87.5℃，誤差為0.57%，模擬計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。

3）絕緣的最高溫度為120℃，絕緣采用F級(jí)絕緣，工作溫度為155℃以下，因此絕緣沒(méi)有超溫。

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（編輯：關(guān)毅）