基于縱向渦發(fā)生器的定子通風(fēng)系統(tǒng)溫度場優(yōu)化研究

童水光，唐 寧，董成舉，從飛云，趙 威

(浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 前 言

水輪發(fā)電機(jī)電機(jī)發(fā)熱問題一直是工程中備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。水輪發(fā)電機(jī)內(nèi)的溫度場分布是多個(gè)物理場相互耦合，相互影響的結(jié)果。電機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)散熱主要是以對流換熱的方式進(jìn)行的，其中定子部分的換熱是很重要的一部分，許多專家學(xué)者在這個(gè)方面做了大量卓有成效的工作。

霍菲陽等[1]在保持電機(jī)總尺寸、損耗和通風(fēng)溝數(shù)量不變的前提下，改變鐵厚度以及在保持電機(jī)總尺寸和損耗不變，增加通風(fēng)溝的數(shù)量同時(shí)減小通風(fēng)溝尺寸兩種方案下研究通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)尺寸等幾何量變化對電機(jī)溫度場的影響。結(jié)果表明兩種方案下電機(jī)內(nèi)溫度較高的結(jié)構(gòu)件溫度計(jì)算值均有下降。張帆等[2]研究了定子扇形片和封膠厚度為定子溫度場的影響。溫嘉斌等[3- 4]在定子通風(fēng)槽鋼長度不變的基礎(chǔ)上，改變定子通風(fēng)槽鋼近軸端徑向位置來分析定子通風(fēng)溝繞組兩側(cè)的流動特性，結(jié)果表明定子通風(fēng)槽鋼近軸端的徑向位置對定子通風(fēng)溝內(nèi)的冷卻影響較大。本文以某型貫流式水輪發(fā)電機(jī)為參考模型，采用有限體積法對發(fā)電機(jī)定子部分通風(fēng)溝內(nèi)的流場和溫度場進(jìn)行了分析，然后在定子通風(fēng)溝內(nèi)靠近線圈壁面高溫區(qū)域設(shè)置縱向渦發(fā)生器改進(jìn)其通風(fēng)散熱效果，在此基礎(chǔ)上研究了縱向渦發(fā)生器的沖角和高度等幾何因素對散熱效果的影響。

1 通風(fēng)系統(tǒng)分析計(jì)算模型及方法

1.1 物理模型

對于軸徑向通風(fēng)冷卻方式的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)具有對稱性，定子通風(fēng)系統(tǒng)溫度場模型在軸向取一層通風(fēng)溝，圓周方向上選取3個(gè)齒距以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖1 所示。其中包括定子鐵心，定子線圈。

圖1 定子通風(fēng)系統(tǒng)物理模型

1.2 基本假設(shè)與邊界條件

基本假設(shè)：①徑向風(fēng)溝內(nèi)的雷諾數(shù)很大，因此采用湍流模型來進(jìn)行計(jì)算；②為計(jì)算簡便，使上下層線圈合并在一起作為熱源，同時(shí)槽楔也近似為與槽等寬；③本文只研究通風(fēng)溝內(nèi)穩(wěn)定的流動狀態(tài)，故流動屬于定常流動。

定子通風(fēng)系統(tǒng)流場及溫度場計(jì)算邊界條件：①線圈與通風(fēng)溝接觸表面和通風(fēng)槽鋼兩側(cè)均為無滑移邊界條件，在這些面上流體的速度為零；②通風(fēng)溝的入口采用速度入口條件，出口采用壓力出口條件壓力設(shè)定為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；③入口流體的溫度為313 K。

本計(jì)算采用FLUENT商業(yè)軟件進(jìn)行，整個(gè)計(jì)算區(qū)域共有約529 801個(gè)有限體單元，94 752個(gè)節(jié)點(diǎn)。

本文中控制方程的離散采用有限體積法，對流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法。具體控制方程見文獻(xiàn)[5]，此處不再贅述。

2 流場及溫度場計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 溫度場計(jì)算結(jié)果

通過溫度場計(jì)算可得定子通風(fēng)系統(tǒng)溫度分布情況。取模型軸向中面，得到額定工況溫度場分布如圖2所示。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)溫度場分布(單位：K)

由溫度場云圖可以看到，定子通風(fēng)系統(tǒng)溫度分布仍關(guān)于槽鋼對稱分布。線圈部分溫升較高，是整個(gè)計(jì)算模型的最高溫度區(qū)域。齒部靠近線圈部分溫度較高，主要是因?yàn)榭拷鼰嵩磪^(qū)域，另外由于邊界層的存在也阻擾了流體與線圈表面的換熱。軛部高溫區(qū)域主要集中在線圈的后面，此處與流場分析中漩渦存在區(qū)域?qū)?yīng)起來。同時(shí)可知圖2中方框所示區(qū)域溫度較低，冷卻氣體的冷卻能力未能充分利用。

通過以上分析可知，若能充分利用冷卻氣體的冷卻能力，降低定子鐵心齒部接近線圈的壁面以及線圈后面的軛部部分的溫升，可最終降低線圈部分的最高溫升。因此如何充分利用這部分氣體的冷卻能力是定子通風(fēng)系統(tǒng)散熱優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵問題。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果對比

為了比較水輪發(fā)電機(jī)定子線圈溫升情況，采用埋置檢溫計(jì)法測定定子線圈的溫度。根據(jù)規(guī)定電阻埋置在定子槽內(nèi)上下層線圈之間位置。把額定工況下在定子線圈測得的溫度與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。由于測點(diǎn)較多，因此取12個(gè)測點(diǎn)溫度平均值與相應(yīng)位置計(jì)算得到的溫度平均值進(jìn)行對比，實(shí)測值為368.7 K，計(jì)算值為362.9 K。計(jì)算結(jié)果誤差在一定的范圍內(nèi)比較可靠，說明采用所給定的基本假設(shè)和邊界條件計(jì)算定子通風(fēng)系統(tǒng)溫度場的有效性。

3 基于渦發(fā)生器的散熱優(yōu)化方法

定子鐵心齒部貼近線圈的壁面以及線圈后面的軛部由于靠近線圈，表面具有一層熱邊界層，熱邊界層的存在降低系統(tǒng)的散熱效果。同時(shí)通過分析可知定子通風(fēng)槽內(nèi)冷卻氣體冷卻能力未能充分發(fā)揮。因此減薄線圈壁面的熱邊界層并充分利用冷卻氣體冷卻能力可增強(qiáng)系統(tǒng)的散熱效果。在定子通風(fēng)溝內(nèi)設(shè)置縱向渦發(fā)生器是一種增強(qiáng)散熱改進(jìn)方案。

3.1 縱向渦發(fā)生器研究

縱向渦發(fā)生器相當(dāng)于傳熱表面的一種特殊延伸方法，流體經(jīng)過縱向渦發(fā)生器后能產(chǎn)生縱向漩渦，這是一種旋轉(zhuǎn)方向與流體流動方向一致的二次流，它能破壞流體的流動邊界層和熱邊界層，擾亂流體的流動，增強(qiáng)冷熱流體之間的混合[6- 9]。

過增元教授[10]從速度場和溫度場的協(xié)同性角度分析流動換熱過程，提出了場協(xié)同理論，并得到傳熱過程中的無量綱關(guān)系式

(1)

(2)

3.2 增加縱向渦發(fā)生器后的溫度場計(jì)算結(jié)果

本文考慮通過在定子通風(fēng)溝內(nèi)設(shè)置縱向渦發(fā)生器增強(qiáng)散熱，并改變縱向渦發(fā)生器的幾何因素以觀察其最佳增強(qiáng)散熱設(shè)置方案。

模型中最高的溫度區(qū)域是線圈部分，所以把縱向渦發(fā)生器設(shè)置在齒部通風(fēng)溝內(nèi)貼近線圈處。本文中設(shè)置縱向渦發(fā)生器與來流的的夾角為45°，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，通風(fēng)溝的層間高度為8 mm，此處設(shè)置渦發(fā)生器的高度為5 mm。

圖3 帶渦發(fā)生器的定子通風(fēng)系統(tǒng)

經(jīng)分析在定子通風(fēng)溝齒部設(shè)置了縱向渦發(fā)生器之后，縱向渦發(fā)生器后方形成了明顯的縱向渦，縱向渦將高能量的流體引向齒部線圈表面，整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)中最大風(fēng)速也由未設(shè)置縱向渦發(fā)生器時(shí)的19.3 m/s增大至23.7 m/s。由于縱向渦的存在，齒部通風(fēng)溝內(nèi)的湍流程度明顯增強(qiáng)，這都有利于減小邊界層流的高度，增強(qiáng)散熱效果。線圈的最高溫度為354 K，比著原來的模型降低了9 K，說明縱向渦發(fā)生器對于散熱效果的增強(qiáng)有一定的作用。

3.3 渦發(fā)生器沖角對散熱效果的影響分析

沖角是縱向渦發(fā)生器的長度方向與來流氣體流動方向的夾角。為研究沖角大小對縱向渦發(fā)生器增強(qiáng)散熱效果的影響，本文在縱向渦發(fā)生器的位置，尺寸等因素不變的情況下設(shè)置若干組不同沖角(15°、30°、45°、60°、75°、90°)的縱向渦發(fā)生器結(jié)構(gòu)，分別研究相應(yīng)情況下流場及溫度場的分布情況，通過計(jì)算得到最高溫度結(jié)果如圖4所示。

圖4 最高溫度隨縱向渦發(fā)生器沖角的變化

在沖角為45°時(shí)散熱效果最為明顯，縱向渦發(fā)生器后產(chǎn)生的渦主要為縱向渦，而沖角大于45°后其后產(chǎn)生的渦橫向渦的成分越來越多，沖角為90°時(shí)其后產(chǎn)生的全部為橫向渦[11]。

為了研究縱向渦發(fā)生器高度對散熱效果的影響，設(shè)置了多組對比模型，定子通風(fēng)溝的垂直高度為8 mm，故縱向渦發(fā)生器的高度設(shè)置為1～7 mm。同時(shí)由于入口風(fēng)速的變化對通風(fēng)系統(tǒng)的溫度場較大的影響，故本文在改變縱向渦發(fā)生器高度的基礎(chǔ)上設(shè)置了9組不同的入口風(fēng)速(2～18 m/s)進(jìn)行比較分析。

圖5為最高溫度的下降量隨縱向渦發(fā)生器高度的變化，橫坐標(biāo)為縱向渦發(fā)生器的高度，縱坐標(biāo)是相比未設(shè)置縱向渦發(fā)生器通風(fēng)系統(tǒng)最大溫降的絕對值。圖6顯示的是同一高度的縱向渦發(fā)生器在不通風(fēng)速下對散熱效果的影響，縱坐標(biāo)為通風(fēng)系統(tǒng)入口處的風(fēng)速，縱坐標(biāo)為在相應(yīng)的風(fēng)速及縱向渦發(fā)生器高度下通風(fēng)系統(tǒng)的最高溫度值。

圖5 最高溫度隨渦發(fā)生器高度降低量

圖6 最高溫度隨入口風(fēng)速變化量

由圖5可知，在控制風(fēng)速不變的情況下，隨著縱向渦發(fā)生器的高度增加通風(fēng)系統(tǒng)最高溫度一直在下降，且變化值越來越大。由于縱向渦發(fā)生器高度的增加，其擾流的能力逐漸增強(qiáng)，通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)流體的湍流度增大，故可以帶走更多的熱量。隨著高度的增加，這種影響逐漸變小，雖然仍然可以帶走更多的熱量但是對流體流動的阻力也變得更大。從圖中可以看出，在高度為1～5 mm時(shí)隨著高度的增加溫度的變化較明顯，5 mm之后溫度的變化相對較緩慢，因此在本文中5 mm是最合適的縱向渦發(fā)生器高度值。

從圖5及圖6中還可得到，風(fēng)速對縱向渦發(fā)生器的散熱作用也有很大的影響。風(fēng)速范圍在2～12 m/s范圍時(shí)，縱向渦發(fā)生器對散熱效果的影響非常明顯，圖中可知在風(fēng)速為2 m/s時(shí)最大溫降甚至可達(dá)34 K。風(fēng)速較大時(shí)，縱向渦發(fā)生器對通風(fēng)系統(tǒng)的散熱仍具有一定的影響，但是影響相對低風(fēng)速時(shí)較小，在風(fēng)速為18 m/s時(shí)最大溫降僅為7 K。隨著風(fēng)速的增大，通道內(nèi)的流體雷諾數(shù)增大，流體的湍流程度增加。縱向渦發(fā)生器本身是通過增強(qiáng)擾流，減小邊界層厚度，增大湍流來增強(qiáng)散熱效果的，故隨著風(fēng)速的增加湍流度已經(jīng)增加到很大的程度，縱向渦發(fā)生器的影響相對也就減弱。

4 結(jié) 論

(1)定子通風(fēng)溝內(nèi)設(shè)置縱向渦發(fā)生器可以改變定子風(fēng)道內(nèi)空氣的流動狀態(tài)，增加擾流，帶走更多熱量，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)散熱效果的作用。

(2)定子風(fēng)道內(nèi)縱向渦發(fā)生器的沖角和高度可以影響其增強(qiáng)散熱的效果。在同樣的適當(dāng)風(fēng)速及縱向渦發(fā)生器高度條件下，沖角在45°時(shí)散熱效果最為明顯。高度的增加由于能夠帶來更大的擾流效果，也可增強(qiáng)散熱，但高度增加對散熱效果的影響會隨著風(fēng)速的增加而逐漸變小。在適當(dāng)風(fēng)速及沖角情況下考慮加工以及阻力等因素，其高度在5 mm時(shí)散熱效果最佳。

(3)目前在定子通風(fēng)溝內(nèi)進(jìn)行類似的結(jié)構(gòu)改進(jìn)較少，對于渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu)尺寸和分布形式對散熱的影響仍有很多可以研究的內(nèi)容。另外在計(jì)算過程中一些地方考慮到計(jì)算機(jī)水平給予一定的簡化，這在以后計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展中可以逐漸完善。