水轮发电机通风散热系统多场耦合的数值分析

李伟力，宋厚彬,,杨逢瑜

(1.哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080;2.兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050)

水轮发电机通风散热系统多场耦合的数值分析

李伟力1，宋厚彬1,2,杨逢瑜2

(1.哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080;2.兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050)

为研究灯泡贯流式水轮发电机定子的温度变化和通风系统的流体流动规律，以保持水轮发电机内部良好的散热效果，在建立型号为SFWG24-88/7820灯泡贯流式水轮发电机定子和通风系统的三维模型基础上，采用热电耦合原理，根据定子的特点，做相应的假设，建立计算定子温度场的三维计算域，对定子的温度场进行直接耦合仿真计算，然后应用计算流体力学技术模拟了灯泡贯流式水轮发电机通风沟的流场，并和实际运行中真机实验所测得定子温度的数据进行了对比，最终验证运用耦合场分析方法的正确性。研究表明在合理的简化条件下，采用数值模拟能准确的模拟灯泡贯流式水轮发电机定子的温度变化规律以及通风系统流场及散热情况，对于灯泡贯流式水轮发电机通风系统与定子之间因多场耦合产生的热效应所引起的结构设计和优化具有重要的参考价值。

水轮发电机;通风冷却结构;发电机定子;多场耦合;数值模拟

0 引 言

灯泡贯流式水轮发电机组因其效率高、结构简单等优点在大中型水轮发电机中得到广泛应用。水轮发电机内的温度场分布取决于以对流换热方式相耦合的通风系统和各部件温度场所构成的综合场效应。热量的来源包括以下几个方面:1)定子绕组的损耗；2)转子绕组的损耗；3)铁心损耗；4)风损耗和摩擦损耗；5)导轴承损耗；6)推力轴承损耗(仅计分摊给水轮发电机部分的损耗值)；7)其他损耗。灯泡贯流式水轮发电机的最大问题就是如何解决内部温升，在工程实践中常用经验公式进行计算，但缺点是计算量大，参数繁多，效率低下。近年来，随着计算机模拟技术的飞速发展，运用计算机对水轮发电机进行数值仿真研究取得了一定的成果[1-5]，但大部分研究工作仍停留在将流场、温度场和电磁场孤立起来进行分析的阶段。

本文基于计算流体力学和耦合场分析原理，利用计算机分别对发电机定子的温度场和通风沟的流场进行耦合计算，和所测实际运行中水轮发电机监测点的数据进行了比较，并对现有通风结构及定子升温等问题进行了分析。对于研究水轮发电机冷却叶片系统散热效率最优的新型叶片结构及新型冷却通道的设计，以及机组安全、稳定运行具有重要意义[6-8]。

1 灯泡贯流式水轮发电机模型假设

为了实现对水轮发电机通风结构内部进行热-电-流多场耦合分析，通过建立三维模型对其进行数值仿真计算。SFWG24-88/7820型灯泡贯流式水轮发电机建立轴向通风结构模型，详见图1。

图1 轴向通风系统示意Fig.1 The schematic of axial ventilation system

通常，电机内定子轴向(径向)通风沟内流体的流动状态处于紊流状态，要确定通风沟内风速场的分布及沿程阻力的大小是很困难的。为了避免这种情况的出现，本文将流场和温度场耦合求解，采用直接耦合法进行流场和温度场耦合仿真分析。

发电机定子温度场计算中设定的边界条件如下：

1)根据结构和通风系统的对称性，认为该模型中所有组成实体的轴向两侧对称面均为绝热面;

2)假设冷却空气温度从定子端部通风沟沿轴向呈线性变化;

3)在定子与水面的接触面处，给定水流温度为22◦C，流速为1.5 m/s。

在本研究中气体流速远远小于声速，密度变化是很小的，故可以将气体看作不可压缩流体，这与水轮发电机通风系统流动情况是相符的。

2 多场耦合计算方法

2.1 定子热—电耦合数值计算模型

型号为SFWG24-88/7820的灯泡贯流式水轮发电机单机容量24MW，具体参数见表1。

表1 灯泡贯流式水轮发电机参数Tab.1 Bulb turbine parameters

灯炮贯流式水轮发电机定子的热源仅来源于铁心和绕组的各种损耗，而与转子和机械部件的损耗无关，因此定子的温度场的准确计算，对于水轮发电机的散热至关重要。

2.1.1 定子模型的建立

该水轮发电机冷却系统采用风机强迫循环的轴向通风冷却方式。流经定子的气流在定子风沟中沿轴向方向流动。为研究问题需要，做如下假设：(1)风路和温度分布基本是沿圆周方向对称，而且各个物理场周期性分布，为了提高计算速度和减少工作量，只需要建立圆周方向二分之一通风沟即可作为计算域，来模拟整个定子通风沟的温度及流场变化；(2)定子通风沟中的绕组支架和绝缘材料为绝缘体；(3)忽略线圈棒槽部铜与端部铜之间的热交换。

由于该水轮发电机的通风沟无论轴向还是径向，以及圆周方向都具有对称性，且通过计算发现机座壁外壁弦长与铁心内圆弦长的比值相差不大，因此可以将定子求解域简化为一长方形结构。由此建立的定子模型网格如图2所示。

图2 定子求解域模型网格图Fig.2 Solution domain model mesh of stator ventilation

2.1.2 有限元温度场计算方法

本文采用有限元法对大型灯泡贯流式水轮发电机定子三维温度场进行分析与计算。电机稳态运行时，其内部的三维热传导方程为

式中:T为温度;Kx,Ky,Kz分别为x,y,z方向的导热系数(W/cm◦C);q为热源密度(W/cm3)。

通过离散化处理，可将上述三维温度场的条件变分问题等效为线性方程进行求解[9-10]。

2.1.3 热源及散热系数的确定

在定子温度场分析中，通过对各部分热源(电枢绕组的铜耗、定子铁心的铁耗等)以及与各热源相关的实体体积的计算，可获得温度场数值分析中各部分的热源密度。

根据电机发热与冷却的相关知识，当已知定子齿部和槽楔处气隙的风速vt时，定子齿部和槽楔表面的散热系数为

已知定子槽绝缘侧的风速vc时，则槽中绝缘侧的散热系数为

已知端部的风速vce时，定子绕组端部的散热系数为

忽略端部结构件从定子上携出的热量，即将定子和定子支架的轴向端面等效看成径向通风沟，则已知端面风速ve时，定子和定子支架端面的散热系数为[11-13]

定子支架侧面和空气接触，设给定空气流速v为2.5 m/s，则其表面散热系数为

式中：λh为空气热导率;L为空气沿平面壁的流动距离;Re,Pr为分别为雷偌数和普朗特数。

2.1.4 模拟结果及分析

通过对定子热电耦合仿真计算，得到定子的温度和电压分布如图3所示。

图3 定子参量变化Fig.3 Stator parameter changes

从图3(a)中可看出定子的温度在绕组处最高，最高值为326 K，温度最低值为300 K，温度的最低点在定子轭与机座壁相接处。定子温度值整体上梯度变化比较大，从定子下游端向上游端呈逐级上升趋势；从图3(b)中可以看出，只有绕组上有电压存在，这符合水轮发电机的实际情况，且在云图上绕组处的电压都是一样，这表明了水轮发电机在额定转速下，水轮发电机处于稳定状态下，输出电压保持恒定。

2.2 通风散热系统数值模拟

该水轮发电机冷却系统采用风机强迫循环的轴向通风冷却方式。在磁轭外缘有风道，冷却气体在风机的驱动下，冷空气从上、下两端进入轴向风道，然后经线圈的孔或槽，经机壁环板通风孔，到冷却器与冷却水进行热交换，散去热量后，经风机压入转子支架，然后在离心力的作用下，从极靴的出风孔流出，构成密闭强迫通风系统。另外，定子铁心和定子机座为贴壁结构，将定子内产生的损耗热量通过灯泡体直接传递到河道的水中，可以有效减少通风冷却系统的负荷。冷却系统的单台风机风量17 300∼20 300m3/h，总共6台，风机全压1 220∼1 970 Pa，根据温度高低确定冷却系统风机开关数量，温度低的不开或少开，温度稍高开3台，温度过高时开6台。

2.2.1 数学模型及数值分析

水轮发电机通风系统结构复杂，为简化计算，作如下假设：1)所要模拟的是发电机通风沟中空气流动情况，以定子处通风沟为研究对象；2)发电机中的线圈对流场的变化影响不大，先不作考虑；3)水轮发电机的通风沟圆形，为简化数值模拟的计算量，只需建一定角度的通风沟即可，模型两侧壁面做对称边界处理即可。

在三维造型软件Pro/e中绘制模型，然后导入ANSYS网格划分软件ICEM中，采用适应性很强的混合网格进行整体划分，并进行了网格无关性检查。

根据流体力学理论，电机内通风冷却系统的流动气体可看作是不可压缩流体，其产生的粘性流动为不可压粘性流动，其连续性方程和Navier-Stokes方程式为

式中：v为速度；f为质量力；p为压强；为流体的运动粘度；ρ为流体的密度。由于电机内的流体是充分发展了的紊流，因此，流速v可分解为平均流速v和脉动速度v′。本文采用k−ε紊流数学模型分析流体场，忽略电机内流体的浮力和重力的影响，经推导得出紊流计算模型为

2.2.2 数值方法

入口处采用速度进口边界条件，即已知通风结构进风面积和给定通风量的情况下，给定进风速度；在出口处采用自然出流(out fl ow)边界条件，两侧壁面定义为对称边界条件。采用标准κ-ε湍流模型，为了在保证计算精确度的前提下尽可能节省计算时间，对流项的离散采用一阶迎风格式，耗散项采用中心差分格式，设定收敛精确度为10−5；压强-速度方程的迭代求解采用SIMPLE算法[15]。

2.2.3 数值模拟结果及分析

图4和图5是定子通风结构各参量的流场分布情况。

图4 压力分布(单位：pa)Fig.4 Pressure distribution(unit:pa)

图5 速度云图(单位：m2/s)Fig.5 Velocity distribution(unit:m2/s)

由图4和图5可看出，由于采用空气冷却，因此，流体对于通风结构的压力较小，同时，通风结构对定子通风沟的空气流速影响不大。这样，在设计水轮发电机通风结构时，就可以忽略冷却空气和定子结构之间的影响。

以流体进入轴向通风沟入口处的温度作为参考温度，计算得到模型的温度分布和沿径向方向的温度变化如图6所示。

图6 温度分布(单位：K)Fig.6 Temperature distribution(unit:K)

由图6温度分布云图可以看出沿发电机径向的温度变化规律，温度最高区域分别出现在线棒周围和靠近定子铁心的位置，这是因为在水轮发电机中的主要发热部件是线棒和铁心，这两大部件的耗损产生了大量的热量。结合通风沟内流体的温度云图和沿径向温度变化可以看出从铁心沿径向方向向外温度是逐渐减小的，这是由于水轮发电机在工作时线圈切割磁感线，产生电流，然后电流经过绕组时绕组的电阻使得绕组成了一个发热体，而绕组又是在绝缘的包裹后固定于槽中，因此绕组所产生的热量必须全部经由绝缘散出。而绝缘材料的导热系数一般非常小，所以在绝缘处出现较大的温度梯度。

通风系统的数值模拟从场的角度出发，运用流体力学和传热学理论对电机内的冷却流体进行计算分析，可以得到求解区域内任何位置的流体参数，为水轮发电机内部流体场和温度场更为精确计算开辟了新的途径，对于采用耦合计算的方式预测定子的流场和温度场具有重要意义。

2.3 耦合计算结果与测试结果对比分析

通过对本研究的灯泡贯流式水轮发电机定子温度的测定，(图7为4号机组发电机正反测温电阻分布，面向上游侧)，得出定子各处数据与ANSYS耦合计算的数据对比见表2。

图7 4号机组发电机正反测温电阻分布示意图Fig.7 The unit distribution diagram of positive and negative RTD in NO.4

说明：Z标示为监控温度量，#标示为制动柜温度量

表2 定子温度场的实测值与模拟值Tab.2 Temperature value fi eld of the measured and simulated in stator

通过多场耦合方法数值模拟与实际测量的温度值对比，平均误差为2.78%，小于3%，说明采用热—电—流来进行灯泡贯流式水轮发电机定子的耦合数值模拟方法是可行的，结果是可信的。本研究的计算结果对于轴流式通风结构的灯泡贯流式水轮发电机通风散热情况的改进具有一定指导意义。

3 结 论

1)在水轮发电机的内部，热量是多场综合影响的，通过对定子从热电耦合方面进行了仿真计算和与实测数据对比，发现在合理简化模型时，在线棒和靠近铁心的位置温度最高，符合实际情况，该方法对于计算定子温度场是准确的，且三维温度场能够直观地反映定子的温度变化。

2)应用计算流体力学理论对水轮发电机通风系统进行数值模拟及整个通风系统流线可以看出流动流畅，且和线圈及齿槽的充分接触，增大了散热面积，但在绕组处由于进风方向和线棒表面垂直，以及圆柱绕流现象的出现，降低了通风冷却的效果。

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(编辑：刘素菊)

Numerical of the tubular turbine hydroelectric generator ventilation system multi- fi eld coupling

LI Wei-li1,SONG Hou-bin1,2,YANG Feng-yu2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080，China;2.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

In order to study the fl uid fl ow pattern of light bulb tubular turbine stator temperature and ventilation system to keep the turbine generator internal cooling effect in the establishment of a SFWG24-88/7820 bulb tubular type water wheel three-dimensional model of the generator stator and the ventilation system on the basis of the principle of thermoelectric coupling,according to the characteristics of the stator,the corresponding assumptions are given,and three-dimensional computational domain of calculating the stator temperature fi eld is established,and computational fl uid dynamics technology is applied to simulate fl ow fi eld of the light bulb tubular Hydro-generating machine ventilation groove.The temperature fi eld of the stator direct coupling of simulation and the actual operation of the central plains machine experiment measured stator temperature data were compared,and fi nal veri fi cation of the correctness of the use of coupled fi eld analysis method was given.Studies show that in the simpli fi ed conditions,the use of numerical simulation accuratly simulates bulb tubular turbine generator stator temperature variation as well as the ventilation system fl uid fl ow and heat dissipation for the light bulb tubular turbine ventilation system;the structural design and optimization caused by the thermal effects due to the multi- fi eld coupling between the stator has an important reference value.

turbine generators;ventilation cooling structure;hydroelectric stator;multi- field coupling;numerical simulation

TH 311

A

1007–449X(2013)10–0085–06

2012–08–28

甘肃省自然科学基金资助项目(1208RJZA293)

李伟力(1962—),男,教授,博士生导师,研究方向为大型电机综合物理场和特种电机理论;

宋厚彬(1975—),男,博士研究生,高级工程师,研究方向为电机内综合物理场;

杨逢瑜(1948—),男,教授,博士生导师,研究方向为液压技术。

宋厚彬