自一里電站定子端部鐵心過熱數(shù)值模擬

李家海，李 超，周其彬

（四川華能涪江水電有限責(zé)任公司，四川 成都610065）

1 引言

自一里水電站位于四川省平武縣火溪河上，為引水式水電站，廠房?jī)?nèi)裝有兩臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭445 m，單機(jī)容量65 MW，于2006年投產(chǎn)發(fā)電。水輪機(jī)型號(hào)為HL（E）-LJ-215，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF-J65-10/4050，額定轉(zhuǎn)速600 r/min。自一里電站機(jī)組大修清洗定子過程中，發(fā)現(xiàn)定子鐵心上下端部有過熱痕跡，為分析發(fā)電機(jī)過熱原因，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)風(fēng)道空氣流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 模型建立

發(fā)電機(jī)三維模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)子和定子形成的風(fēng)道繪制難度大，劃分計(jì)算域和繪制網(wǎng)格難度大、耗時(shí)長(zhǎng)，動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算迭代工作量極大，普通計(jì)算機(jī)短期內(nèi)不可完成。因切向風(fēng)對(duì)通風(fēng)溝冷卻影響較小，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注徑向風(fēng)和軸向風(fēng)，故采用簡(jiǎn)化的二維模型進(jìn)行計(jì)算，將平面劃分為有磁極平面和無磁極平面計(jì)算域。采用SOLIDWORK軟件建立1：1比例模型，并根據(jù)計(jì)算要求簡(jiǎn)化。定子鐵心以外線棒和引線壓板之間間隙簡(jiǎn)化為2個(gè)通風(fēng)口，定子通風(fēng)溝自上而下進(jìn)行編號(hào)（1～45號(hào)）。發(fā)電機(jī)上下部視為兩側(cè)對(duì)稱，取上端進(jìn)行對(duì)稱計(jì)算，使用對(duì)稱邊界條件，繪制出有磁極平面和無磁極平面計(jì)算域，見圖1。

圖1 無磁極平面計(jì)算域和有磁極平面計(jì)算域（圖中陰影部分）

3 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS軟件自帶ICEM劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，未使用局部加密。1號(hào)和2號(hào)通風(fēng)溝出口局部網(wǎng)格劃分見圖2。

4 計(jì)算過程

采用ANSYS軟件自帶Fluent計(jì)算，計(jì)算域進(jìn)口采用速度進(jìn)口，按照設(shè)計(jì)風(fēng)量48 m3/s，進(jìn)風(fēng)面積2.826 m2計(jì)算，進(jìn)口速度取8.5 m/s。出口采用自然出流。

5 結(jié)果分析

圖2 模型局部網(wǎng)格劃分

水輪發(fā)電機(jī)中的損耗熱，除了極少部分通過大軸傳出，絕大部分都是通過壁面和冷空氣之間的熱交換傳遞給冷空氣，再由空氣冷卻器將熱量散出。散熱系數(shù)在工程中認(rèn)為主要和空氣流動(dòng)的速度有關(guān)。散熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：α為表面散熱系數(shù)，單位W/（m2K），ws為表面風(fēng)速，單位m/s。

據(jù)此公式可通過對(duì)定子各部空氣流速的分析了解其散熱狀況。利用Tecplot數(shù)據(jù)后處理工具，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的通風(fēng)口通風(fēng)情況進(jìn)行分析，主要對(duì)風(fēng)速和風(fēng)壓進(jìn)行分析。

（1）有磁極平面計(jì)算域

X方向風(fēng)速見圖3。

圖3 X方向風(fēng)速

由圖5可知：定子1號(hào)和2號(hào)通風(fēng)溝X方向風(fēng)速數(shù)值為負(fù)值，存在空氣回流現(xiàn)象，因計(jì)算采用對(duì)稱邊界條件，故可知定子1號(hào)、2號(hào)、44號(hào)和45號(hào)通風(fēng)溝均存在回流現(xiàn)象，回流風(fēng)為熱風(fēng)，表面冷卻效果差；定子中部通風(fēng)溝X方向風(fēng)速較大，且為正值，通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)大，冷卻效果好。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)1～5號(hào)通風(fēng)溝進(jìn)出口進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1～5號(hào)通風(fēng)溝進(jìn)口風(fēng)速見圖4。

圖4 1～5號(hào)通風(fēng)溝進(jìn)口風(fēng)速分布

由圖4可知：1～5號(hào)通風(fēng)溝存在較為嚴(yán)重的回流現(xiàn)象，呈現(xiàn)從1～5號(hào)回流風(fēng)速越來越小的趨勢(shì)，1～2號(hào)通風(fēng)溝回流現(xiàn)象特別嚴(yán)重，從6號(hào)開始不再回流，由對(duì)稱性可得41～45號(hào)通風(fēng)溝風(fēng)速分布情況；6～40號(hào)通風(fēng)溝風(fēng)向正常，全為+X方向。

定子端部通風(fēng)溝出口風(fēng)速見圖5和圖6。

圖5 1～11號(hào)通風(fēng)溝出口空氣流態(tài)（除隔板外白色為渦流中心）

由圖5和圖6可知：1～11通風(fēng)溝出口端空氣流態(tài)紊亂，有多個(gè)渦流。最大渦流在1～5號(hào)通風(fēng)溝出口處，中心為圖7中上部白色區(qū)域，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。1～5號(hào)通風(fēng)溝出口正好與渦流旋轉(zhuǎn)方向相反，且回流風(fēng)速受渦流在-X方向的風(fēng)速分量大小影響而從上到下依次減小。

圖6 1～2號(hào)通風(fēng)溝出口風(fēng)速分布

通過定子鐵心以外線棒和引線風(fēng)道出口風(fēng)速分布見圖7。

圖7 通過定子鐵心以外線棒和引線風(fēng)道出口風(fēng)速分布

由圖7可知：通過定子鐵心以外線棒和引線風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)向?yàn)?X方向，該層無風(fēng)流向下一層的風(fēng)道。

（2）無磁極平面計(jì)算域

無磁極平面計(jì)算域風(fēng)壓分布、X方向風(fēng)速分布和Y方向風(fēng)速分布分別見圖8、圖9和圖10。

由圖8～圖10可知：無磁極平面計(jì)算域風(fēng)壓和風(fēng)速分布較為均衡，滿足發(fā)電機(jī)冷卻要求。

通過以上對(duì)有磁極計(jì)算域和無磁極計(jì)算域的分析可知：有磁極區(qū)域1～5號(hào)通風(fēng)溝進(jìn)口壓力低，出口存在嚴(yán)重渦流是導(dǎo)致1～5號(hào)通風(fēng)溝發(fā)生回流的主要原因。形成渦流的主要原因是空氣間隙中部和兩端壓力分布差異較大，各通風(fēng)溝出口風(fēng)速差異較大，且在通風(fēng)溝出口端過風(fēng)面積發(fā)生改變時(shí)風(fēng)向呈發(fā)散態(tài)勢(shì)，各通風(fēng)溝出口風(fēng)發(fā)生撞擊形成多個(gè)渦流。

圖8 風(fēng)壓分布

圖9 X方向風(fēng)速分布

圖10 Y方向風(fēng)速分布

6 真機(jī)通風(fēng)試驗(yàn)情況

為進(jìn)一步確定發(fā)電機(jī)定子端部過熱的原因，組織專業(yè)廠家對(duì)機(jī)組進(jìn)行真機(jī)通風(fēng)試驗(yàn)。真機(jī)通風(fēng)試驗(yàn)結(jié)論：發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，測(cè)得發(fā)電機(jī)冷卻總風(fēng)量為74.78 m3/s，上風(fēng)道進(jìn)風(fēng)量測(cè)量值為41.42 m3/s，下風(fēng)道進(jìn)風(fēng)量測(cè)量值為39.31 m3/s，上下風(fēng)道流態(tài)均較為紊亂；定子通風(fēng)溝均勻布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)風(fēng)速不均勻，且沒有規(guī)律性。

數(shù)值模擬和真機(jī)通風(fēng)試驗(yàn)的結(jié)果高度吻合，趨勢(shì)一致，進(jìn)一步論證了發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部風(fēng)量分布不均勻，風(fēng)速差異大，流態(tài)較為紊亂。

7 結(jié)論

定子端部通風(fēng)空氣流態(tài)紊亂，定子通風(fēng)溝存在較為嚴(yán)重的風(fēng)量分布不均勻、流態(tài)紊亂現(xiàn)象，導(dǎo)致定子端部鐵心冷卻未達(dá)到預(yù)期效果，是造成定子上下端部鐵心過熱的主要原因之一。