貼壁式結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)有限元法研究

王 輝，汪小芳

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貼壁式結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)有限元法研究

王 輝，汪小芳

（東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司，杭州 310020）

本文利用ADINA軟件對(duì)某貼壁式結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)定子進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，得出與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常接近的解析結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上深入探討鐵心與機(jī)座的熱態(tài)間隙、線棒與槽的間隙、河水溫度等因素對(duì)定子溫升以及河水帶走熱量值的影響關(guān)系，為貼壁式結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)定子的設(shè)計(jì)提供借鑒。

燈泡式貫流機(jī)組；貼壁式結(jié)構(gòu)；定子溫度場(chǎng)；有限元法；ADINA

0 前言

貼壁式結(jié)構(gòu)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)利用燈泡體外殼作為發(fā)電機(jī)定子機(jī)座，讓定子鐵心與燈泡體內(nèi)壁合在一起，是一種簡單、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好、效率高的結(jié)構(gòu)方式。

傳統(tǒng)的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)采用徑向通風(fēng)的形式，定子鐵心預(yù)留徑向通風(fēng)道，散熱面積大、線棒軸向溫度分布均勻。但是，貼壁結(jié)構(gòu)的水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心及背部沒有形成這樣的風(fēng)路，所以定子的通風(fēng)冷卻十分困難。掌握影響定子溫升的主要因素，準(zhǔn)確計(jì)算定子的溫度分布[1-6]，是貼壁結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)[7]和[8]都借助通用有限元軟件對(duì)貼壁結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，獲得了工程分析所需的計(jì)算結(jié)果，但是缺乏對(duì)溫度場(chǎng)影響因素的定量分析。本文利用ADINA軟件對(duì)某貼壁結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)定子進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，得出與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常接近的解析結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上深入探討鐵心與機(jī)座的熱態(tài)間隙、線棒與槽的間隙、河水溫度等因素對(duì)定子溫升以及河水帶走熱量值的影響關(guān)系，為貼壁結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)定子的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

1 溫度場(chǎng)方程

根據(jù)有限元軟件ADINA的理論手冊(cè)[9]，可知穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)方程如下：

邊界換熱條件如下：

（1）定子繞組端部換熱系數(shù)[10]

（2）定子鐵心內(nèi)圓面換熱系數(shù)[10]

（3）定子機(jī)座外壁的換熱系數(shù)

此時(shí)，定子機(jī)座外壁的換熱系數(shù)：

2 物理模型與邊界條件

2.1 物理模型

本文研究的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

為了考慮線棒端部散熱，利用公司研發(fā)的三維參數(shù)化建模手段[12]精確建立了定子線棒模型，然后建立絕緣盒、線棒層間墊條、定子鐵心、定子機(jī)座等。根據(jù)結(jié)構(gòu)的周期對(duì)稱性，選取1個(gè)溝槽作為分析對(duì)象，劃分六面體網(wǎng)格，具體如圖1所示。

圖1 貼壁式結(jié)構(gòu)定子模型及網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

在定子溫度場(chǎng)計(jì)算過程中設(shè)定的邊界條件如下：

（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，認(rèn)為該模型中定子機(jī)座和定子鐵心軸向兩側(cè)面均為絕熱面；

（2）根據(jù)軸向通風(fēng)的特點(diǎn)，假設(shè)定轉(zhuǎn)子氣隙中空氣溫度沿軸向（從下游側(cè)至上游側(cè)）呈線性變化，并且根據(jù)實(shí)測(cè)值，入口冷風(fēng)溫度設(shè)定為37.4℃，空氣溫升為23.1K；

（3）燈泡體外壁與河水的接觸面處，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定水流溫度為20℃；

（4）根據(jù)電站提供的數(shù)據(jù)，設(shè)定線棒與槽之間的間隙為0.08mm，定子鐵心與機(jī)座的熱態(tài)間隙為0.01mm。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 定子溫度場(chǎng)分布

根據(jù)以上各邊界條件，整個(gè)定子的溫度場(chǎng)分布如圖2所示。定子的最高溫度110.4℃，溫升73.0K，定子機(jī)座兩端部基本沒有溫升，與鐵心接觸的機(jī)座壁傳遞大部分熱量到河水中。由圖2可知，定子鐵心與定子機(jī)座的溫度場(chǎng)沿徑向呈現(xiàn)階梯狀分布趨勢(shì)，溫度由內(nèi)徑側(cè)至外徑側(cè)逐漸降低。定子機(jī)座溫差約20K，顯示了機(jī)座壁良好的導(dǎo)熱性，定子鐵心與機(jī)座之間的間隙導(dǎo)致了二者溫度存在15K左右的跳躍。

圖2 定子溫度場(chǎng)分布

由圖2可知，定子鐵心溫度，尤其是鐵心齒部溫度沿軸向呈現(xiàn)“低-高-低”的分布趨勢(shì)，從下游側(cè)至上游側(cè)先升高后降低，齒部最高溫度位于上層線棒上游側(cè)1/4處。

由圖3可知，上層線棒最高溫度為110.4℃，溫升73.0K，下層線棒最高溫度104.2℃，溫升66.8K。由于槽楔、層間墊條的“隔熱”作用，鐵心段對(duì)應(yīng)的上層線棒銅芯溫度高于下層線棒銅芯約8K。測(cè)溫電阻埋置區(qū)域（軸向高度正中間位置）平均溫度約為103.9℃。

由圖4熱流密度分布圖可知，定子鐵心軛部與機(jī)座壁熱流密度[13]較大，整個(gè)定子損耗[14-15]產(chǎn)生的熱量大多數(shù)通過機(jī)座壁散出，少部分熱量通過鐵心內(nèi)圓表面散出。通過計(jì)算，該電站河水帶走的熱量占整個(gè)定子總損耗發(fā)熱量的59.6%。

圖3 線棒溫度場(chǎng)分布（左：含主絕緣；右：裸銅排）

圖4 定子熱流量密度分布（左：軸向右：橫向）

由表2可知，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較接近，說明利用ADINA有限元軟件進(jìn)行定子溫度場(chǎng)計(jì)算具有較高的準(zhǔn)確性。

表2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.2 間隙值、河水溫度對(duì)溫升及散熱量的影響

三維定子溫度場(chǎng)影響因素復(fù)雜、影響變量繁多。本文采用單一變量法，假設(shè)線棒損耗、鐵心損耗、渦流損耗、冷風(fēng)溫度以及轉(zhuǎn)速等因素為恒定值，著重研究線棒與槽的間隙、定子鐵心與機(jī)座的間隙、河水溫度等因素對(duì)線棒溫升以及河水散熱量的影響。定子橫截面間隙如圖5所示。

圖5 定子橫截面間隙示意圖

圖6 線棒與槽的間隙值與線棒溫升的關(guān)系曲線

圖7 線棒與槽的間隙值與熱量占比的關(guān)系曲線

由圖6可知，線棒與槽的間隙值與線棒溫升大體呈現(xiàn)線性增長的關(guān)系，間隙值每增加0.01mm，線棒溫升增加0.6K左右。由圖7可知，間隙值每增加0.01mm，河水帶走的熱量占比降低0.1%左右。

圖8 鐵心與機(jī)座的間隙值與線棒溫升的關(guān)系曲線

圖9 鐵心與機(jī)座的間隙值與熱量占比的關(guān)系曲線

由此可見，定子鐵心與機(jī)座的間隙值對(duì)整個(gè)定子溫度場(chǎng)的分布影響較大。為降低線棒溫升，設(shè)計(jì)、安裝過程中，應(yīng)首要考慮降低此間隙值。

（3）河水溫度

以2℃為步長，分別計(jì)算在15~35℃范圍內(nèi)的溫升及散熱量變化規(guī)律，結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 河水溫度與線棒溫升的關(guān)系曲線

圖11 河水溫度與熱量占比的關(guān)系曲線

如圖10所示，河水溫度在15~35℃的范圍內(nèi)，與線棒溫升呈現(xiàn)線性增長的關(guān)系，河水溫度每增加1℃，線棒溫升增加0.6K左右。圖11表示河水溫度與熱量占比的變化曲線，河水溫度每增加1℃，河水帶走的熱量占定子總損耗發(fā)熱量的比值降低0.3%左右。

不同地域、不同季節(jié)的河水溫度存在一定程度的差異，進(jìn)行河水溫度對(duì)線棒溫升關(guān)系的研究，為貼壁結(jié)構(gòu)貫流式機(jī)組冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供定量參考。

4 結(jié)論

（1）利用有限元軟件ADINA對(duì)定子溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值接近，說明有限元軟件進(jìn)行定子溫度場(chǎng)計(jì)算具有較高的準(zhǔn)確性。

（2）通過解析案例，確定河水帶走熱量約占定子總損耗發(fā)熱量的60%。

（3）線棒與槽的間隙值與線棒溫升、熱量占比近似呈現(xiàn)線性變化的關(guān)系。間隙值每增加0.01mm，線棒溫升增加0.6K左右，河水帶走的熱量占定子總損耗發(fā)熱量的比值降低0.1%左右。在貼壁結(jié)構(gòu)燈泡式水輪發(fā)電機(jī)中線棒與槽的間隙值對(duì)整個(gè)定子溫度場(chǎng)的分布影響較小。

（4）鐵心與機(jī)座的間隙值與線棒溫升、熱量占比近似呈現(xiàn)線性變化的關(guān)系。間隙值每增加0.01mm，線棒溫升平均增加2.2K左右，河水帶走的熱量占定子總損耗發(fā)熱量的比值降低0.94%左右。定子鐵心與機(jī)座的間隙值對(duì)整個(gè)定子溫度場(chǎng)的分布影響較大。

（5）河水溫度與線棒溫升、熱量占比大體呈現(xiàn)線性變化的關(guān)系。河水溫度每升高1℃，線棒溫升增加0.6K左右，河水帶走的熱量占定子總損耗發(fā)熱量的比值降低0.3%左右。

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Thermal Field Analysis for Holistic Bulb Turbine Generator Stator Using Finite Element Method

WANG Hui, WANG Xiaofang

(Toshiba Hydro Power (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310020, China)

The stator thermal field of a holistic bulb turbine generator is analyzed by ADINA software, and it is shown that the calculation results are very close to the real-running data. Based on the FEM model, this paper studies how the clearances (the clearance between the stator frame and core, the clearance between coil and slot) andriver water temperature influence the coil’s temperature andthe quantity of heat taken away by the river, and it provides references for the design of bulb turbine generator stator.

bulb turbine generating unit; holistic stator; stator thermal field; FEM; ADINA

TM301.3

A

1000-3983(2018)02-0040-05

2017-10-25

王輝（1986-），2011年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)固體力學(xué)專業(yè)，碩士，主要從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和有限元解析工作，現(xiàn)任東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司CAE計(jì)算中心主務(wù)，工程師。