西氣東輸主電機(jī)轉(zhuǎn)子副槽結(jié)構(gòu)對空氣流量分配影響研究

薛 超

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

國家西氣東輸二線工程項(xiàng)目是一項(xiàng)具有標(biāo)志性的重大工程，對國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整有著重要的意義。管道壓縮機(jī)組為天然氣長距離運(yùn)輸提供動(dòng)力，其管道壓縮機(jī)組主電機(jī)的電機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了20 MW。隨著電機(jī)單機(jī)容量的增加，其電磁負(fù)荷及損耗相應(yīng)增加，溫升也大幅度地提高，要求我們在設(shè)計(jì)過程中必須對電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地研究。電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)以及冷卻介質(zhì)在電機(jī)內(nèi)的分布特性均比較復(fù)雜，對電機(jī)內(nèi)的流場特性進(jìn)行有效分析并進(jìn)行優(yōu)化，有助于電機(jī)冷卻效果的提高和開發(fā)更大容量電機(jī)。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對電機(jī)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了多種多樣的分析研究，同時(shí)也采用了有限元法或有限體積法對電機(jī)內(nèi)的流場、溫度場以及相應(yīng)的耦合場進(jìn)行了很多數(shù)值計(jì)算，為電機(jī)內(nèi)物理場的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

隨著大型電機(jī)容量的不斷增加，對電機(jī)的風(fēng)路要求也日益增強(qiáng)，有大型空冷電機(jī)采用轉(zhuǎn)子副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)，因此對于副槽通風(fēng)的研究也有一定的需求。

以往，由于電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度場計(jì)算采用二維或者三維數(shù)值計(jì)算方法，但通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算多數(shù)采用等值風(fēng)格圖的方法。由于該種方法(或同時(shí)結(jié)合傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式法)只能粗略計(jì)算風(fēng)道內(nèi)的平均流速，不能真實(shí)反映出通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部流體流動(dòng)的實(shí)際情況，進(jìn)而影響了電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)流量分配及溫度場計(jì)算的準(zhǔn)確性，且只使用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)法并不能對多個(gè)副槽通風(fēng)方案做出準(zhǔn)確判斷。

本文以一臺西氣東輸20 MW同步電機(jī)為例，采用有限體積法對電機(jī)內(nèi)的流體場進(jìn)行完整的數(shù)值計(jì)算。通過改變不同的副槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，來研究不同副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子副槽流量的分配特性。

1 數(shù)學(xué)模型

流體流動(dòng)遵守的基本守恒定律是：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中：u、v、w分別為x、y和z方向的速度分量。

動(dòng)量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為流體密度；μ為動(dòng)力粘度；p為流體壓強(qiáng)。

能量守恒方程：

(5)

式中：cp為流體比熱容；T為溫度；λl為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

2 物理模型

20 MW同步電機(jī)基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機(jī)基本數(shù)據(jù)

該電機(jī)采用的是雙介質(zhì)冷卻方式，分為內(nèi)、外兩路冷卻系統(tǒng)，采用兩側(cè)軸向?qū)ΨQ通風(fēng)方式冷卻，具體通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在電機(jī)的轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)中，冷卻空氣經(jīng)風(fēng)扇加壓后進(jìn)入轉(zhuǎn)子副槽。由于電機(jī)的對稱性，本文計(jì)算了轉(zhuǎn)子半側(cè)通風(fēng)道內(nèi)的流動(dòng)情況。其幾何結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，其中e代表副槽通風(fēng)孔節(jié)距。圖3為其中一個(gè)算例的網(wǎng)格示意圖。

3 計(jì)算結(jié)果

通過更改副槽通風(fēng)系統(tǒng)中多個(gè)參數(shù)，來研究這些參數(shù)對于風(fēng)量分配的影響。本文中可變參數(shù)如圖4所示。

本文中所有通風(fēng)孔的編號皆是從端部開始，至電機(jī)中部對稱面結(jié)束。

圖2 轉(zhuǎn)子半軸向段通風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 網(wǎng)格示意圖

d為軸向通風(fēng)孔出口直徑；b為副槽中心處截面的高度；e為相鄰?fù)L(fēng)孔之間的距離圖4 可變參數(shù)示意

3.1 出風(fēng)孔直徑大小對流量分配的影響

更改軸向通風(fēng)孔出口直徑d，來研究出口孔直徑大小對于副槽通風(fēng)系統(tǒng)中流量分配的影響。

轉(zhuǎn)子半軸向段通風(fēng)冷卻屬于一個(gè)入口，多個(gè)出口的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)流動(dòng)問題。在研究過程中，根據(jù)出風(fēng)孔出口截面積的不同進(jìn)行比較分析，選取了三個(gè)不同出風(fēng)孔直徑進(jìn)行計(jì)算，分別為10 mm、12 mm和14 mm，其計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5中的橫坐標(biāo)為1-10號出風(fēng)口的編號，縱坐標(biāo)為相對應(yīng)的質(zhì)量流量大小，由圖可知，在1-5號出風(fēng)口風(fēng)量趨勢約為線性增長，且在此區(qū)域內(nèi)風(fēng)量增長迅速，而之后趨于平緩。

結(jié)論：對于不同通風(fēng)孔直徑，直徑小的各出風(fēng)口的質(zhì)量流量分布更均勻。當(dāng)然，進(jìn)風(fēng)口的靜壓也隨著出風(fēng)口直徑的變小而增大。

圖5 出風(fēng)口直徑對流量分配的影響

3.2 副槽截面變化的影響

通過改變副槽中心處截面的高度，可以在相同流量下改變副槽軸向的壓力分布。將副槽中心處截面的高度b分別選取20 mm、30 mm、40 mm以及50 mm進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 副槽流通截面高度變化對流量分配的影響

圖6中的相對質(zhì)量流量為各個(gè)出風(fēng)口的質(zhì)量流量與所有出風(fēng)口質(zhì)量流量平均值的比值。上圖顯示，隨著副槽截面高度的增加，各個(gè)出風(fēng)口的流量趨于平均流量。

通過改變副槽截面高度對流量分配有著明顯的影響，更進(jìn)一步來說，是不同副槽截面積對于副槽內(nèi)靜壓的分布有著不同的影響，因此，我們可以研究斜副槽結(jié)構(gòu)對流量的分配。

通過對比以及篩選，現(xiàn)采取一種均布副槽結(jié)構(gòu)以及將其改為斜副槽結(jié)構(gòu)來進(jìn)行比較計(jì)算。斜副槽結(jié)構(gòu)的示意圖如圖7所示，左側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，副槽的高度經(jīng)過每個(gè)出風(fēng)口時(shí)高度依次減少，最后一個(gè)出風(fēng)口處的副槽高度為6 mm。

圖7 斜副槽示意圖

圖8所示為兩種不同的模型在相同的條件下計(jì)算出的出風(fēng)口相對質(zhì)量流量的對比。很明顯，副槽的高度隨著出風(fēng)口的位置以一定的規(guī)律減少時(shí)，就可以使每個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量較為均勻的分配。

圖8 平副槽與斜副槽對比

3.3 通風(fēng)孔數(shù)量的影響

轉(zhuǎn)子表面通風(fēng)孔的數(shù)量變化對流量的分配也有很明顯的影響，本節(jié)設(shè)定通風(fēng)孔的數(shù)量變化為8、10以及12。

圖9中，隨著通風(fēng)孔數(shù)量的增加，雖然平均流量變小了，但是各個(gè)出風(fēng)口的流量之間的差距也越大，進(jìn)而影響它們之間的線圈溫度，這將影響電機(jī)的溫度分布不夠均勻。

圖9 徑向風(fēng)溝數(shù)目對空氣流量分配的影響

4 結(jié)論

以西氣東輸主電機(jī)為例，給出了采用副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)的大型電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)值求解，并對多種轉(zhuǎn)子風(fēng)道結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行大量的計(jì)算及分析，得到以下結(jié)論：

(1) 通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對轉(zhuǎn)子副槽通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算可以得出較合理的計(jì)算結(jié)果，對類似的電機(jī)設(shè)計(jì)能夠提供較好的參考意見。

(2) 副槽通風(fēng)系統(tǒng)對流量的影響有多種參數(shù)，合理設(shè)計(jì)副槽通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，可以得到合理的靜壓分布，進(jìn)而得到合理的冷卻空氣流量分配。

(3) 副槽通風(fēng)孔的尺寸和數(shù)量對流量分配有明顯的影響，但是不能改變副槽通風(fēng)孔流量逐漸升高的趨勢，副槽截面的變化能夠得到更為恒定的靜壓分布，從而可以均勻分配通過通風(fēng)孔的氣流流量。

(4) 在以后的工作中除了將優(yōu)化方法綜合使用之外，還可以通過調(diào)整布置副槽通風(fēng)孔的排列方式，比如在軸向方向不均勻排列或者通風(fēng)孔尺寸也同時(shí)進(jìn)行變化來更細(xì)致的調(diào)整，從而獲得我們所需要的流量分配。