发电机定子水冷稳态的仿真分析

董韶峰,张少锋,李荫堂,彭惠兰

(1.华北水利水电学院环境与市政工程学院,郑州 450011;2.河南省电力科学研究院,郑州 450052; 3.西安交通大学环境工程系,西安 710049;4.广州航海高等专科学校,广州 510330)

汽轮发电机定子冷却设备是发电机的主要辅助设备之一,其冷却效果是整个发电机安全、可靠运行的重要保障。在运行过程中冷却水系统因堵塞造成设备升温的事故时有发生,如果能够预测设备在各种条件下的温度分布,就可以在故障发生时及时做出准确的诊断,进行正确的事故处理。目前,相关的研究工作很多[1-2],本文主要讨论内热源和内孔堵塞对三维温度场的影响。

1 仿真模型

1.1 物理模型

整个冷却设备由三部分组成,图1是其横截面图,冷却水流经铜块内部孔洞,所有铜块均属有内热源发热元件,铜块外部由绝缘材料环氧粉云母包围。横截面纵向长约10 m。

对于图1给出的物理模型进行以下假设:忽略铜块之间的接触热阻,即认为整个铜块区是连续的;忽略铜块与云母间的接触热阻,即认为两者是紧密接触的;假定云母是各向同性的导热材料;假定各种材料的物性不随温度改变;忽略外部散热,即所有铜块产生的热量全部由冷却水带走。

图1 横截面实物图

考虑到问题的对称性,可以把上述物理模型的求解限定在图2所示的区域,该求解区域横截面总尺寸为91mm×26mm,内孔尺寸为2 mm× 5mm,内孔错列纵横中心间距分别为9mm和10 mm,绝缘层厚度为8 mm,总长为10 m。

图2 物理模型图

1.2 数学模型[3]

铜块区域:

云母区域:

冷却水区域:

式中:λcop——铜的导热系数,W/(m·K);λmica——云母的导热系数,W/(m·K);mf——水的质量流量,kg/s;cf——水的热容,J/(g·K);A——铜块的横截面积,m2;l——管长,m;T——温度,K;qv——铜块内热源强度,kW/m3。

1.3 边界条件

out,out left和out right为绝热边界条件,即λ=d T/d n=0。Inter,inter left,inter right为耦合边界条件,即界面两侧热流量相等。

IN1—IN 14内部为冷却水,按下式处理:

采用考虑入口效应的处理方法,表面传热系数h沿水流方向是不断变化的[4]。

另外,也考虑了长期运行后水垢系数的影响,水垢系数R f取0.0004(m2·K)/W[5]。

2 计算方法

由于本算例是一个在计算范围数量级上相差较大的三维问题,故需要把截面上的网格处理成细密网格(1 mm),而沿流动方向的网格划分相对粗大(0.5m)。选取的物性参数如表1所示[6]。

表1 物性参数

设通过截面的水流流速:u=L/(60nab)

设小孔的当量直径:d e=(4ab/(2(a+b))

式中:L——水流通过截面的流量,取7.5 L/m in;n——截面积上矩形小孔数,取28;a——矩形小孔的长,取5 mm; b——矩形小孔的宽,取2 mm。

可以得到u为0.446 m/s;d e为0.00286m。当水的黏度υf为0.556×10-6m2/s时,得到Re为2294,可以认为小孔内的流动为层流。

3 计算结果及分析

3.1 温度场的分布

由于本文讨论的是稳态问题,每个微元体的发热量全部由内部冷却水带走,上游截面不向下游截面传热,所以z方向上不同截面温度分布类似,只是数值区间不同而已,现以出口端面,长取10m截面上的温度分布为例讨论,参见图3。

图3 出口端面温度场比较均匀

从图3可以看出,尽管该截面各处温度分布有差异,但是温差小于1 K,在工程上可以忽略。截面温度场比较均匀的主要原因,是铜块区导热系数和热扩散率比较大的缘故,虽然外部绝缘材料导热系数较小,但厚度相对较小。

3.2 堵塞的影响

图4给出的是绝缘层外表面水平中心线上的温度T沿z的变化规律,其中内部冷却水的流速为0.446m/s,进口水温为300 K,在14个内冷却孔全通、IN1堵塞(堵1)、IN1和IN2堵塞(堵2), IN1—IN3堵塞(堵3)、IN1—IN4(堵4)情况下外表面上温度的变化。

图4 冷却水为0.446m/s时绝缘外层水平中心线上温度随长度z的变化

从图4可以看出,1个孔堵塞将会使出口截面温度升高2～3℃,而且堵塞个数越多,温升越高,说明各个堵塞孔之间会造成对温升的协同效应。

为了研究冷却水流速对堵塞效应的影响,把流速降到0.3568 m/s,其他条件不变,温度变化规律如图5所示,堵塞个数对温升影响规律与图4类似,但是流速低时每个孔堵塞将会导致出口端面最高温度升高3～4℃。堵塞后温度场的分布将发生变化,靠近堵塞孔处的温度将比较高,堵塞孔的位置决定了截面温度分布。

图5 冷却水为0.3568m/s时绝缘外层水平中心线上温度随长度z的变化

当堵塞孔位置比较分散时,堵塞造成的温升效果没有集中时显著。但是,由于铜的导热系数较高,截面的温度差异并不大,见图6。

图6 堵塞IN 1和IN 2孔时出口端面的温度分布

图中给出的是冷却水进口速度0.3568m/s, IN1和IN2堵塞时的出口端面的温度分布。

3.3 内热源强度的影响

作为内部冷却介质的水,平均温度沿流动方向的变化:

任意截面的能量守恒方程为:

式中:Tf——沿流动方向截面处的流体平均温度,K; mf——冷却水的质量流量,kg/s;L——z截面处的铜块与水接触的周长,m;Ts——z横截面上铜块与水交界面的温度,K。

通过分析内热源强度的变化对温度分布的影响关系,计算内热源强度q v为432.5 kW/m3,以及1.1～1.5倍q v流量时的温度变化,结果见图7。

图7给出了绝缘外层水平中心线上的温度变化计算结果,该处温度沿流动方向的升高斜率,与内热源强度大致成正比关系。

图7 内热源对绝缘外层水平中心线上温度变化的影响

4 结论

(1)通过分析计算结果,表明流速或者冷却水流量对绝缘层温度影响较大,内热源强度是造成温度升高的关键参数。

(2)冷却水流经铜块内部孔洞遇堵塞,会造成定子温度升高,超出设计值,堵塞个数越多,流速越慢,导致温升加剧。

(3)计算结果同实际运行效果会存在一定的偏差,其原因是假设中忽略了各个铜块之间的接触热阻。今后可以把这部分内容突出处理,以便得到更接近工程实际的解。

[1] 刘明军,赵之军,朱其远.汽轮发电机定子冷却水冷却器的技术改造[J].动力工程,2001,21(1):19-21.

[2] 李和明,李俊卿.汽轮发电机定子冷却水路堵塞时的温度场分析与计算[J].中国电机工程学报.2005,25(21):163-168.

[3] 陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[4] 董韶峰,李荫堂.常热流密度矩形管内层流对流换热系数的数值计算[J].能源技术,2010,31(4):70-72.

[5] 章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[6] 张 通,饶保林.云母带粘合剂导热系数的研究[J].绝缘材料,2007,40(5):8-9.