空冷水輪發(fā)電機(jī)定子冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

孫威

松花江水力發(fā)電有限公司吉林白山發(fā)電廠 吉林樺甸 132400

水能轉(zhuǎn)化為電能需要使用一種核心設(shè)備：水輪發(fā)電機(jī)，這類發(fā)電機(jī)在水力發(fā)電廠中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著人們對(duì)電力的需求量越來(lái)越大，水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力也變得越來(lái)越強(qiáng)，其中進(jìn)步最大的是空冷水輪發(fā)電機(jī)。設(shè)備容量增大的同時(shí)，也就代表著電機(jī)在工作中升溫會(huì)很嚴(yán)重。設(shè)備溫度的升高會(huì)影響到電機(jī)的安全運(yùn)行，電機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性以及設(shè)備整體的使用壽命。而對(duì)于空冷水輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，定子溫度最高的區(qū)域位于軸向中心[1]。但是定子升溫的規(guī)律不是恒定的，如果依然均勻分配冷卻空氣的流量于定子通風(fēng)溝內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的安全性受到影響。所以筆者將在下文探討如何解決電機(jī)溫升問(wèn)題以及對(duì)以相應(yīng)的冷卻方法進(jìn)行了研究。事實(shí)上，電機(jī)溫升不只是定子繞組的因素，而是多個(gè)因素綜合作用的反映。電機(jī)主要產(chǎn)生熱源的地方是電機(jī)定子，電機(jī)定子在工作中還會(huì)出現(xiàn)繞組溫升不均勻的情況，而一個(gè)區(qū)域溫度明顯過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電機(jī)結(jié)構(gòu)有被擊穿的危險(xiǎn)。所以在實(shí)際的工程中，就會(huì)將繞組的位置進(jìn)行更改，以減少環(huán)流損耗。在進(jìn)行電機(jī)定子溫度的分析時(shí)，要綜合考慮以下因素：繞組換位路徑，槽鋼、槽楔形狀，只有結(jié)合以上幾個(gè)因素，并同時(shí)將定子通風(fēng)溝內(nèi)的冷卻空氣合理的分配，才能很好的解決目前存在的問(wèn)題。但是就目前國(guó)內(nèi)對(duì)于定子冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究而言，對(duì)其本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決目前空冷水輪發(fā)電機(jī)的溫升問(wèn)題。因此，對(duì)以上因素進(jìn)行分析，能對(duì)空冷水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與冷卻設(shè)計(jì)產(chǎn)生不小的啟示。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 定子流體傳熱基本假設(shè)

定子在空冷水輪發(fā)電機(jī)中的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，在進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)該對(duì)研究模型給予以相應(yīng)的簡(jiǎn)化措施，現(xiàn)進(jìn)行以下4點(diǎn)假設(shè)：①氣孔入口處的冷卻空氣分布均勻，且氣流路徑沿直徑直線方向通過(guò)此口；②由于聲速可以壓縮，而定子風(fēng)速卻不能壓縮，可將不可壓縮流體類比于定子流體；③將主絕緣的熱性能等同于排間絕緣、股線絕緣、層間絕緣；④運(yùn)用紊流模型分析整個(gè)問(wèn)題，不考慮重力因素與流體浮力因素對(duì)定子通風(fēng)溝流體場(chǎng)造成的影響。

1.2 設(shè)定數(shù)值條件

設(shè)定風(fēng)路入口與出口處的分界面為通風(fēng)溝，這是基于水輪發(fā)電機(jī)自身的導(dǎo)熱特性與通風(fēng)結(jié)構(gòu)確定的。可以如下條件：①速度入口由氣隙入口充當(dāng)，對(duì)入口處施加沿直徑直線方向1．7m/s的風(fēng)速，設(shè)定風(fēng)的穩(wěn)定恒定為40℃。②壓力出口處的大氣壓要恒定為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。③絕熱面的范圍設(shè)定為鐵心兩側(cè)截面，且截面兩側(cè)要垂直于軸向鐵心。

2 研究定子熱源時(shí)需要考慮的問(wèn)題

可將槽鋼損耗忽略，因?yàn)椴垆摐u流損耗很小，不影響最后計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。將繞組換位路徑納入到計(jì)算需要考慮的因素中，能夠求解出定子旋轉(zhuǎn)一周全換位繞組的損耗，以及渦流損耗、歐姆損耗、環(huán)流損耗，求得出以上數(shù)據(jù)后，就可得出損耗密度。最后每股線的熱源可由繞組電密代入求得。注意以上的計(jì)算結(jié)果均應(yīng)在電機(jī)額定功率下運(yùn)行得出。

3 定子溫度場(chǎng)與流體場(chǎng)分析

通風(fēng)溝內(nèi)的溫度和冷卻空氣進(jìn)入的速度與熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流有著不可分割的關(guān)系，研究結(jié)論如下：

對(duì)于通風(fēng)溝內(nèi)的溫度與冷卻空氣的速度來(lái)說(shuō)，在軸向長(zhǎng)度分布均勻的通風(fēng)溝內(nèi)和定子鐵心段相差并不大。

以通風(fēng)溝內(nèi)的溫度與冷卻空氣的速度作為研究對(duì)象，定子結(jié)構(gòu)對(duì)其影響較大。

在最根部的換位繞組處易出現(xiàn)來(lái)自于通風(fēng)溝內(nèi)冷卻空氣的渦流，在定子齒部出現(xiàn)了最大速度，在通風(fēng)溝出口與繞組根部出現(xiàn)了最高溫度[2]。

以槽中心線為基準(zhǔn)，來(lái)自于通風(fēng)溝內(nèi)冷卻空氣自身溫度與速度的變化都正態(tài)分布于槽中心線兩側(cè)。

結(jié)論：

（1）設(shè)定子個(gè)數(shù)與定子鐵心段軸向長(zhǎng)度恒定，且通風(fēng)溝軸向長(zhǎng)度只在規(guī)定范圍內(nèi)變化時(shí)，為獲得更高的通風(fēng)溝內(nèi)冷卻空氣溫度和速度，需控制越短的通風(fēng)溝軸向長(zhǎng)度。

（2）設(shè)通風(fēng)溝個(gè)數(shù)與定子通風(fēng)溝軸向長(zhǎng)度恒定，且鐵心段軸向長(zhǎng)度只在規(guī)定范圍內(nèi)變化時(shí)，為獲得更高的通風(fēng)溝內(nèi)冷卻空氣溫度和速度，需控制越長(zhǎng)的鐵心段軸向長(zhǎng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行空冷水輪發(fā)電機(jī)定子冷卻結(jié)構(gòu)分析時(shí)，需要綜合考慮繞組換位路徑，槽鋼、槽楔形狀等因素，才可以完成定子流體傳熱模型的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的這3種定子結(jié)構(gòu)利用流固耦合法代入溫度場(chǎng)與流體場(chǎng)的計(jì)算式，將各自計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可推出以下研究結(jié)果：①控制通風(fēng)溝個(gè)數(shù)和軸向長(zhǎng)度保持恒定，且限定在定子軸向中心部位的一段鐵心段軸向長(zhǎng)度保持在一定范圍，當(dāng)鐵心段軸向長(zhǎng)度越小時(shí)，就會(huì)獲得越均勻的槽內(nèi)繞組溫升，與此同時(shí)可小幅度降低定子的最高溫度[3]。②減小通風(fēng)溝軸向長(zhǎng)度，增加通風(fēng)溝個(gè)數(shù)，并盡量保持各鐵心段軸向距離相同，能有效的保證通風(fēng)溝內(nèi)冷卻空氣的含量均勻分布，此種方案能獲得最低的定子溫度，是一種最佳的設(shè)計(jì)方案，最值得推廣應(yīng)用。