某汽輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)電桿溫升研究

劉維維，安志華，劉 雙，秦光宇

(1. 哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司，黑龍江哈爾濱 150028； 2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

隨著汽輪發(fā)電機(jī)容量的不斷增加，電機(jī)關(guān)鍵部件的溫度控制成為設(shè)計(jì)階段的重要參考指標(biāo)。目前對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子溫升的研究比較常見，但對(duì)導(dǎo)電桿溫度的研究鮮有報(bào)道。

以某汽輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)電桿為研究對(duì)象，該導(dǎo)電桿不同于一般汽輪發(fā)電機(jī)，采用軟連接結(jié)構(gòu)，熱阻較常規(guī)結(jié)構(gòu)增加，所以對(duì)其溫升的研究是十分必要的。熱網(wǎng)絡(luò)法具有求解時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，但無法獲得具體位置的溫度分布情況；有限元法可以得到具體的溫度分布情況，但建模、求解時(shí)間較長(zhǎng)；電-熱耦合方法只需輸入電流大小和材料電阻率隨溫度的變化曲線，計(jì)算過程中會(huì)根據(jù)導(dǎo)體中的電流方向和溫度值進(jìn)行自動(dòng)的損耗源計(jì)算，避免了損耗源不準(zhǔn)確對(duì)結(jié)果的影響。本次研究分別采用上述三種方法對(duì)導(dǎo)電桿的溫升進(jìn)行了計(jì)算。

1 導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本文研究的導(dǎo)電桿采用軟連接結(jié)構(gòu)，如圖1所示。分為上下兩瓣，采用銅材質(zhì)，兩瓣間絕緣板厚度為10 mm，外套絕緣套筒，套筒外是轉(zhuǎn)軸。導(dǎo)電桿上的熱量經(jīng)絕緣套筒、轉(zhuǎn)軸傳導(dǎo)至轉(zhuǎn)軸表面，然后以對(duì)流換熱[1]的形式散到電機(jī)內(nèi)的冷卻介質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電桿的冷卻。

圖1 導(dǎo)電桿裝配示意圖

2 溫升計(jì)算

2.1 熱網(wǎng)絡(luò)法

根據(jù)導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)建立熱網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示。導(dǎo)電桿、絕緣套筒、轉(zhuǎn)軸之間的熱量傳遞方式[2]為熱傳導(dǎo)，轉(zhuǎn)軸外表面的熱量傳熱方式為對(duì)流換熱。計(jì)算中，將導(dǎo)熱分別用徑向?qū)岷洼S向?qū)岜硎尽?/p>

圖2 溫升計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

對(duì)導(dǎo)電桿進(jìn)行分段施加熱源，導(dǎo)電桿上的損耗根據(jù)電流值和不同長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)電阻計(jì)算確定。上瓣長(zhǎng)度分別為：1 228 mm，50 mm，100 mm，102 mm，100 mm，50 mm，977 mm；下瓣長(zhǎng)度分別為：1 228 mm，50 mm，100 mm，102 mm，100 mm，50 mm，1231 mm。導(dǎo)電桿的軸向?qū)釤嶙韬蛷较驅(qū)釤嶙栌肦11和R12表示；絕緣套筒的軸向?qū)釤嶙韬蛷较驅(qū)釤嶙栌肦21和R22表示；轉(zhuǎn)軸的軸向?qū)釤嶙韬蛷较驅(qū)釤嶙栌肦31和R32表示；導(dǎo)電桿間絕緣的軸向?qū)釤嶙韬蛷较驅(qū)釤嶙栌肦41和R42表示。經(jīng)過計(jì)算，上瓣最高點(diǎn)溫度為87.4 ℃，下瓣最高點(diǎn)溫度為87.6 ℃。

2.2 有限元法

計(jì)算基于如下假設(shè)：

(1) 計(jì)算相關(guān)損耗時(shí)，認(rèn)為電流方向?yàn)閷?duì)應(yīng)導(dǎo)體截面的法向；

(2) 螺釘與導(dǎo)電桿之間、軟連接與導(dǎo)電桿之間均緊密接觸；

(3) 損耗均勻加載在電流流經(jīng)的導(dǎo)體上。

根據(jù)導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)及熱量傳遞路徑，確定計(jì)算區(qū)域。其中包括轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)電桿、軟連接、絕緣、引線螺釘、導(dǎo)電螺釘、集電環(huán)以及空氣。計(jì)算中，電流流過的導(dǎo)體均為熱源，損耗值根據(jù)電流大小以及對(duì)應(yīng)導(dǎo)體電阻確定；轉(zhuǎn)軸、集電環(huán)表面施加對(duì)流換熱邊界條件，不同區(qū)域的對(duì)流換熱系數(shù)及空氣溫度均有差異。計(jì)算結(jié)果如圖3～4所示。

計(jì)算結(jié)果表明，導(dǎo)電桿上瓣最高溫度為91.2 ℃，下瓣最高溫度為91.3 ℃，導(dǎo)電桿最高溫度位于軟連接區(qū)域。與熱網(wǎng)絡(luò)法相比，有限元法能夠清晰地看出各個(gè)位置的溫度情況，由于計(jì)算過程中，導(dǎo)熱方向不是人為給定的軸向和徑向， 而是計(jì)算過程中自適應(yīng)的結(jié)果，且熱源是加在導(dǎo)體上，而不是一個(gè)點(diǎn)源，所以對(duì)溫度的模擬相對(duì)來說更為準(zhǔn)確。

圖3 計(jì)算區(qū)域溫度云圖

圖4 導(dǎo)電桿溫度云圖

2.3 電-熱耦合法

電-熱耦合計(jì)算時(shí)采用與有限元法相同的計(jì)算模型，計(jì)算過程中給定導(dǎo)電桿、導(dǎo)電螺釘、引線螺釘、軟連接等的材料電阻率隨溫度的變化曲線。耦合計(jì)算時(shí)，給定電流值，以及外表面散熱邊界條件。溫度分布情況如圖5，電流方向示意圖如圖6。計(jì)算結(jié)果表明，導(dǎo)電桿上瓣最高溫度為89.6 ℃，下瓣最高溫度為89.9 ℃，最高溫度位于軟連接區(qū)域。

圖5 計(jì)算區(qū)域溫度計(jì)算結(jié)果

圖6 電流方向示意圖

采用耦合方法計(jì)算時(shí)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 熱網(wǎng)絡(luò)法和有限元法計(jì)算中，損耗源根據(jù)電流和計(jì)算的電阻值確定，人為規(guī)定了電流在導(dǎo)體中的流動(dòng)方向，由于電流在導(dǎo)體中的方向并不是與假定的完全相同，因此計(jì)算損耗值時(shí)，必然會(huì)引入一定的偏差。而采用耦合計(jì)算時(shí)，會(huì)根據(jù)導(dǎo)體中電流的流向，如圖6所示，更為準(zhǔn)確地確定能量源，從而減小了因損耗源計(jì)算而引起的偏差。

(2) 熱網(wǎng)絡(luò)法和有限元法計(jì)算損耗時(shí)，電阻率是按一個(gè)特定溫度進(jìn)行取值的，也就是說，計(jì)算過程中損耗不會(huì)因溫度不同而不同，但實(shí)際上溫度越高電阻率越大，對(duì)應(yīng)的損耗也會(huì)相應(yīng)增加。而采用耦合方法時(shí)，電阻率是會(huì)根據(jù)溫度進(jìn)行取值的，也就是說體現(xiàn)了溫度對(duì)材料電阻率也就是對(duì)損耗值的影響，是一個(gè)相互迭代的過程。因此，耦合方法相對(duì)來說具有更高的準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論

針對(duì)某汽輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)，采用三種方法進(jìn)行溫度計(jì)算。其中，熱網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算速度快，模型簡(jiǎn)單；有限元法模型相對(duì)比較完善，能夠得到不同位置的溫度大小，計(jì)算速度慢；電-熱耦合方法相對(duì)前兩種方法而言，減少了人為的一些假設(shè)，并且實(shí)現(xiàn)了溫度和損耗值之間的互相迭代，且能夠根據(jù)電流方向進(jìn)行損耗的計(jì)算，相對(duì)來說更能準(zhǔn)確地模擬導(dǎo)電桿溫度情況?？梢哉f，耦合法是今后更為準(zhǔn)確地研究問題的重要方法，是精準(zhǔn)研究問題的必然趨勢(shì)。