水輪發(fā)電機(jī)全空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

張永平

（上海福伊特水電設(shè)備有限公司，上海 200240）

水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式有定轉(zhuǎn)子空冷（稱全空冷）、定子水冷轉(zhuǎn)子空冷（稱半水內(nèi)冷）、定子水冷轉(zhuǎn)子水冷（稱全水冷或雙水內(nèi)冷）和定子蒸發(fā)冷轉(zhuǎn)子空冷（稱蒸發(fā)冷卻）等，除全空冷以外，其它幾種冷卻方式均稱為內(nèi)冷方式。

水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻技術(shù)不斷發(fā)展的根本目的，在于更有效地帶走發(fā)電機(jī)內(nèi)因各種損耗產(chǎn)生的熱量，從而控制發(fā)電機(jī)的溫升，提高發(fā)電機(jī)的安全性和效率。

目前大容量機(jī)組都采用全空冷技術(shù)。由于空氣在電機(jī)內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性，以往借助實(shí)驗(yàn)手段校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，往往比較粗糙。計(jì)算手段對(duì)能否滿足工程需要，對(duì)優(yōu)化機(jī)組性能和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力非常重要，本文系統(tǒng)地介紹水輪發(fā)電機(jī)全空冷系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。

1 全空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)冷卻的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證必需的冷卻風(fēng)量；風(fēng)量分配合理，防止過(guò)熱；減少損耗，提高效率。全空冷是指定子鐵心、定子繞組、匯流銅環(huán)、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心均為空氣冷卻。目前大型水輪發(fā)電機(jī)基本上都采用無(wú)風(fēng)扇雙路端部回風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)又可細(xì)分為固定擋風(fēng)板和旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板兩種結(jié)構(gòu)，它們的區(qū)別主要是在上下兩端空氣密封方式所采用的擋風(fēng)板固定方式有所不同。固定擋風(fēng)板是采用了安裝在定子鐵心端部和懸掛在上機(jī)架上的擋風(fēng)板相互配合引導(dǎo)氣流；下面的是固定在下機(jī)架制動(dòng)器上的，典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。而旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板則是安裝固定在轉(zhuǎn)子的磁極和磁軛的上下兩端上，隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，定子端部也裝有與旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板對(duì)應(yīng)的橡膠或聚四氟乙烯密封板。典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。固定擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)總風(fēng)量略大于旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)的風(fēng)量，但旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，便于機(jī)組安裝和檢修。

2 全空氣冷卻系統(tǒng)通風(fēng)計(jì)算

2.1 網(wǎng)絡(luò)法通風(fēng)計(jì)算

2.1.1 基本要求

圖1 典型固定擋風(fēng)板空冷水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)

圖2 典型旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板空冷水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)

①實(shí)際產(chǎn)生的風(fēng)量能滿足水輪發(fā)電機(jī)冷卻的需要，并有適當(dāng)?shù)脑Ａ?。②根?jù)其損耗的大小合理分配空氣流量。③風(fēng)路簡(jiǎn)單，減少氣流的渦流、 摩擦等降低通風(fēng)損耗。④有良好的加工工藝性，維護(hù)、檢修方便。⑤噪聲低。

2.1.2 通風(fēng)計(jì)算的目的

一是已知水輪發(fā)電機(jī)冷卻需要的風(fēng)量和主要尺寸，通過(guò)計(jì)算選擇合理的通風(fēng)結(jié)構(gòu)及確定風(fēng)路的主要尺寸；二是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)計(jì)好水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)計(jì)算驗(yàn)算水輪發(fā)電機(jī)所采用的通風(fēng)結(jié)構(gòu)能否滿足帶走所有內(nèi)部損耗的要求，即能否達(dá)到電磁計(jì)算要求的風(fēng)量Qo，可以根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)內(nèi)需要空氣帶走的總損耗來(lái)計(jì)算：

式中：∑P為帶走的總損耗kW；Co為空氣定容比熱容，單位J/（m3·K）；△t為空氣流過(guò)發(fā)電機(jī)后的溫升，主要取決于空氣冷卻器的換熱性能，過(guò)去一般取20～25℃，目的對(duì)于優(yōu)質(zhì)冷卻器可以取到28～30℃。由于通風(fēng)計(jì)算的偏差，計(jì)算風(fēng)量通常要留一定裕量，通常取10%～15%，不宜取太大。風(fēng)量太大會(huì)造成通風(fēng)損耗的迅速增加，同時(shí)通風(fēng)噪聲和機(jī)組振動(dòng)也會(huì)相應(yīng)惡化。

適當(dāng)選取風(fēng)路結(jié)構(gòu)如壓力元件、阻力元件，或確定特定部位的形狀、過(guò)流面積等，通過(guò)控制這些部件的參數(shù)來(lái)影響發(fā)電機(jī)的總風(fēng)量和風(fēng)量分配。比如改變轉(zhuǎn)子進(jìn)風(fēng)口的大小和位置可以調(diào)控發(fā)電機(jī)的總風(fēng)量，從而控制機(jī)座出風(fēng)孔尺寸的大小可以調(diào)配端部風(fēng)量的大小。

2.1.3 風(fēng)路計(jì)算

在工程計(jì)算中，通常把水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)用風(fēng)路圖來(lái)表達(dá)，根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)實(shí)際通風(fēng)結(jié)構(gòu)畫(huà)出等效風(fēng)路。其中阻力元件代表水輪發(fā)電機(jī)不同部位的流休阻力，再通過(guò)風(fēng)阻的串、并聯(lián)結(jié)合形成一個(gè)合成的風(fēng)阻。在知道轉(zhuǎn)子（或風(fēng)機(jī)）風(fēng)扇特性的情況下，可以求出風(fēng)路的流量、流速。風(fēng)路計(jì)算方法主要有三種，即分析法、試探法和圖解法。

2.1.4 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)矩陣算法

前述的三種方法來(lái)求解風(fēng)路難度較大，會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間。目前大多采用網(wǎng)絡(luò)分析法來(lái)進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與電路相似，但由于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)特性呈非線性，需要預(yù)先進(jìn)行假定：①水輪發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下工作，空氣處于連續(xù)、穩(wěn)定的循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)。②不考慮溫度變化時(shí)空氣密度的影響。③空氣為不可壓縮的理想氣體。

基本關(guān)系式：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，同一風(fēng)路流入和流出任意一個(gè)橫截面的冷卻空氣的質(zhì)量流量應(yīng)相等。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)滿足： ∑Qi=0 式中Qi為流入、流出節(jié)點(diǎn)的流體流量。

同樣，根據(jù)能量守恒定律和伯努利方程，每個(gè)閉合網(wǎng)絡(luò)回路，空氣流動(dòng)壓力變化的總和為零，即∑△Hi=0 ， 式中：△Hi為沿回路的流體壓力降。上述兩式說(shuō)明通風(fēng)系統(tǒng)的流量、壓力與電路一樣遵循基爾霍夫定律。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)阻力元件代表不同流道結(jié)構(gòu)（如彎道、突然擴(kuò)大或縮小段）、壓力源、流量源、傳熱單元等。對(duì)于不同特征的流阻，其流阻系數(shù)有不同的取值方法：一是根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，二是通過(guò)流體力學(xué)公式計(jì)算得到。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)CFD仿真計(jì)算

2.2.1 通風(fēng)冷卻的數(shù)值分析

因網(wǎng)絡(luò)法無(wú)法對(duì)發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算和分析，且在計(jì)算過(guò)程中忽略了流體的許多特性，而這些特性對(duì)于傳熱的影響很大。商用CFD軟件包具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法和強(qiáng)大的后處理功能，在很大程度上彌補(bǔ)了網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算中簡(jiǎn)化過(guò)多的缺點(diǎn)。

2.2.2 CFD分析的前處理

模擬仿真是用模型模擬來(lái)代替真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)與研究的一種計(jì)算方法。首先按1：1尺寸以三維模式參照模擬對(duì)象的計(jì)算區(qū)域建立仿真實(shí)體模型。由于水輪發(fā)電機(jī)在圓周方向流場(chǎng)具有對(duì)稱的特點(diǎn)，可以取圓周上的一部分進(jìn)行建模分析。如可以按1：2、1：4、1：8等比例建模，這些模型內(nèi)的分析結(jié)構(gòu)在發(fā)電機(jī)圓周上各部分具有代表性，數(shù)據(jù)也可以按比例推算到整機(jī)。建模軟件多種多樣，CFD軟件的前處理通常具有多種格式的輸入接口，可以接受不同格式的摸型圖形文件。

高質(zhì)量的流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)對(duì)于提高流場(chǎng)仿真計(jì)算的效率和精度具有十分重要的意義。流場(chǎng)仿真網(wǎng)格類型有兩種：結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格特點(diǎn)：網(wǎng)格有規(guī)律，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)造方便、容易計(jì)算、占內(nèi)存小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)也因此非常明顯：對(duì)復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)能力差，對(duì)具有不規(guī)則復(fù)雜外形的實(shí)體很難滿足貼體性等要求。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格舍去了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制，易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀及節(jié)點(diǎn)位置，靈活性好，對(duì)復(fù)雜外形的適應(yīng)能力強(qiáng)，但其無(wú)規(guī)則性也導(dǎo)致了在模擬計(jì)算中存儲(chǔ)空間增大、尋址時(shí)間增長(zhǎng)、計(jì)算效率低于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大都采用最簡(jiǎn)的幾何外形，如三角形（二維）與四面體（三維）單元，易于剖分不規(guī)則計(jì)算域，對(duì)于發(fā)電機(jī)的分析模型剖分，見(jiàn)圖3。可以采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法。對(duì)于幾何形狀較規(guī)則的部件應(yīng)盡量設(shè)法采用六面體（即結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）；而對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，特別是幾何尺寸變化大的部件或空間，則只能采用四面體（即非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）。曲率較大的地方，網(wǎng)格定義密一些；曲率變化小的地方，網(wǎng)格定義疏一些，這種疏密還可以通過(guò)人為干預(yù)來(lái)調(diào)節(jié)?？傊W(wǎng)格的生成，一方面要盡可能減少計(jì)算單元數(shù)量，另一方有要保證網(wǎng)格的質(zhì)量，同時(shí)，在流體流動(dòng)狀態(tài)變化大的區(qū)域還要適當(dāng)加密網(wǎng)輅，以真實(shí)模擬流場(chǎng)的微觀流態(tài)。網(wǎng)格生成后為進(jìn)一步提高網(wǎng)格質(zhì)量，可以對(duì)生成的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，最常用的方法是用Laplacian迭代法。這種方法將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)移到該節(jié)點(diǎn)周圍三角元所組成的多邊形形心處，可對(duì)網(wǎng)格起光順作用。

網(wǎng)格檢驗(yàn)通過(guò)后，分別對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行定義，同時(shí)將需特殊定義邊界的面和體單獨(dú)定義出來(lái)，整個(gè)前處理的工作完成。

表1

圖3 某水輪發(fā)電機(jī)CFD計(jì)算模型

2.2.3 CFD分析的邊界條件設(shè)置和仿真求解

對(duì)流動(dòng)區(qū)域而言，邊界條件的內(nèi)容通常為入口壓力、出口壓力、工作環(huán)境絕對(duì)壓力、流體入口溫度、流體介質(zhì)的物理參數(shù)、流體內(nèi)部發(fā)熱源等。對(duì)于固體計(jì)算區(qū)域，則通常需定義材料特性、表面粗糙度、是否旋轉(zhuǎn)、內(nèi)部發(fā)熱源等。

描述發(fā)電機(jī)內(nèi)流動(dòng)和傳熱的控制方程包括：①連續(xù)方程。②動(dòng)量方程。③動(dòng)能方程。④紊亂動(dòng)能耗散率ε方程。⑤對(duì)于可壓縮流體，密度可以由理想氣體定律確定。描述流體運(yùn)動(dòng)的方程屬于非線性守恒方程組，不能用解析的辦法求解，因此要由數(shù)值的方法求解。求解時(shí)，并不去求空間任意點(diǎn)和任意時(shí)刻的解，只對(duì)空間一定數(shù)目有限的離散點(diǎn)的解感興趣，這些離散點(diǎn)定義在事先構(gòu)造好的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。

求解過(guò)程視計(jì)算對(duì)象規(guī)模的大小和物理模型的復(fù)雜程度不同，一般無(wú)需人工干預(yù)。通過(guò)對(duì)計(jì)算精度殘值的監(jiān)視，計(jì)算者可以判定流場(chǎng)計(jì)算的收斂情況。設(shè)置合適的計(jì)算精度可以縮短計(jì)算周期。計(jì)算過(guò)程中，可以通過(guò)監(jiān)視求解器的收斂曲線了解求解過(guò)程的收斂狀態(tài)。

2.2.4 CFD分析的后處理

計(jì)算結(jié)果對(duì)溫度、壓力、流速、傳熱系數(shù)等可用圖形、等值線或云圖、矢量圖甚至動(dòng)畫(huà)的形式進(jìn)行生動(dòng)地演示，可直觀地看懂計(jì)算結(jié)果，舉例見(jiàn)圖4所示。

圖4 某水輪發(fā)電機(jī)空氣流線及速度分布

3 全空氣冷卻系統(tǒng)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外典型的全空冷水輪發(fā)電機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

4 結(jié)語(yǔ)

全空氣冷卻系統(tǒng)在巨型水輪發(fā)電機(jī)組上得到普遍應(yīng)用，空冷機(jī)組單機(jī)最大容量1000MW。從造價(jià)及維護(hù)安全可靠性的角度而言，能采用空冷的機(jī)組就不要用內(nèi)冷。

水輪發(fā)電機(jī)中的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題，一般都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)法和CFD模擬計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析和研究，計(jì)算結(jié)果滿足工程實(shí)際需要。