新型通风槽钢作用下定子稳态温度场分布研究

2018-11-09刘平超安志华宫海龙于涛王海

大电机技术 2018年5期

刘平超，安志华，宫海龙，于涛，王海

刘平超，安志华，宫海龙，于涛，王海

（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

本文以一台空冷水轮发电机定子结构（铁心长度为）为基础，对其周期简化模型进行了共轭传热计算，并对一种新型通风槽钢作用下定子风沟流场及定子稳态温度场变化进行了研究。研究结果表明，新型槽钢作用下，迎风侧流道的回流情况消失，上层线棒得到了更好的冷却，其最高温度下降了2.2%，平均温度下降了1.6%。铁心温度分布更加均匀、对称，齿部最高温度及平均温度分别下降了约1.1%和1.5%，轭部最高温度下降了约0.3%，轭部平均温度升高了约0.8%。综合来看，新型槽钢作用下定子冷却效果得到改善。

共轭传热；通风槽钢；风沟流场；稳态温度场；定子冷却

0 前言

冷却系统设计是解决发电机发热的必要手段，是发电机开发的关键技术手段之一，目前的冷却方式主要有空冷[1-2]、氢冷[3-4]、水冷[5-6]、蒸发冷却[7-8]。空冷方式由于运行可靠，操作简单，维护方便，已经被广泛认可和肯定，对于它的研究也比较多，如空冷发电机通风模型试验[9-10]、三维流场计算[11]、多物理场耦合计算[12]等。除整体性研究外，局部风路结构对冷却系统性能的影响研究同样至关重要。作为风路的主要组成部分，定子径向风沟会直接影响定子线圈、定子铁心等关键部件的冷却状况。定子径向风沟由通风槽片和槽钢构成，槽钢结构形态会决定风沟内空气流动状态而进一步影响到定子温度分布。虽然在工程中可以看到较多的槽钢形式，但对其如何改变定子风沟内空气流动及定子温度分布的研究还比较少，仅吴银龙、温嘉斌、鄢鸿羽等人[13-15]针对槽钢近轴端的径向位置变化如何影响风沟内流场及定子温度场进行过数值研究。

针对目前的研究现状，进一步研究十分有必要。本文以某水轮发电机结构为基础，对周期简化后的定子模型进行了共轭传热计算，并对一种新型通风槽钢作用下风沟内流场变化及定子温度场分布变化进行了探索性研究。

1 模型、网格及计算方法

计算模型主体尺寸与真机结构尺寸相同，但出于计算资源及计算效率两方面的考虑对其进行了轴、径向周期简化，槽钢形式改变前后的具体结构如图1所示。模型主体主要包含五个部分：上层线棒、绝缘、下层线棒、通风槽钢、铁心。为了简化导热材料，将槽楔、主绝缘、楔下垫条、层间垫条等均归于绝缘中。齿轭中的通风槽钢将定子通风沟分为1、2、3三个流道。相对于原结构槽钢形式，新结构迎风侧第一根槽钢在距离其端部/4处弯折角，=176o，具体结构如图1所示。

图1 计算模型

网格质量和边界条件的设置对于计算精度起着决定性的作用，本文中网格的划分及边界条件的设定如图2所示。为保证计算精度，对模型进行网格划分时均采用六面体全结构网格，网格总数约500万，其分布如图2(a)所示。主要边界条件如图2(b)所示：定子风沟入口为速度入口边界，速度与定子内径侧圆周切线夹角为17.5o（如图1所示）；定子风沟出口为压力出口边界；铁心内径侧、绝缘内径侧、定子外径侧均为对流换热边界；轭部槽钢与绝缘间过流口为平移周期边界；由于周期简化，其余面均为绝热边界。此外，各导热材料接触面均设置为Coupled耦合边界。边界条件及损耗密度值见表1。

求解过程由Fluent完成，并假设空气为不可压缩流体，湍流模型选择Realizable k-ε，由于此模型仅能完成对湍流充分发展区域的求解，在黏性底层和过渡层等低雷诺数区域选用Enhanced Wall Treatment方法，这种壁面处理方法要求y+≈1才可确保第一层网格节点布置在黏性底层区域，为保证此值，将第一层节点布置在距离壁面0.025mm处。计算过程中考虑了黏性热的求解及温度对空气黏性的影响，并用萨特兰黏性公式对动力黏度与温度的关系进行了修正。此外，由于匝间绝缘及铁心叠片表面绝缘较薄，不利于建模和划分网格，在计算时考虑了线棒导热系数、铁心导热系数的各向异性。

图2 网格划分及边界条件设置

表1 边界条件及损耗密度值

2 计算结果

2.1 不同形式槽钢作用下流场分布

由于定子与空气间的换热状况主要取决于空气在风沟内的流动状态，因此需要对槽钢形式改变前后流动状态的变化进行分析。图3给出了原结构和新结构在=/2截面上的流线分布（云图背景为温度），其中图3(a)为原结构流线分布，图3(b)为新结构流线分布。为更清楚地显示流场，云图处理时隐藏了绝缘、线棒及槽钢等模块。对比图3(a)、3(b)可以发现：由于来流切向角较小致使原结构在第1流道内出现了回流，并导致靠近入口侧空气温度升高，这对冷却靠近此处的上层线棒很不利，但在新结构槽钢作用下，第1流道内回流消失，靠近入口侧空气温度有所下降，高温区移向下游的轭部位置。除有无回流特征外，流场内涡结构也发生了新的变化，原结构第2流道近入口侧、第3流道绝缘背风侧均存在涡结构，相比之下，新结构在第1流道入口侧及绝缘背风侧多产生了3处涡结构。相比原结钩，槽钢形式改变后消除了定子风沟第1流道的回流，改善了对靠近此流道侧上层线棒的冷却作用，且在第1流道入口侧及绝缘背风侧多产生了3处涡结构。

2.2 定子温度场分布

由上述分析可知通风槽钢形式改变前后流场发生了明显变化，这势必会影响上、下层线棒及齿、轭部温度场的分布。

图4为上下层线棒在=/2截面上的温度云图分布，其中图4(a)为原结构、图4(b)为新结构。从温度分布来看可以发现，槽钢结构形式改变后上、下层线棒高温区域有所缩小，尤其在靠近第1流道侧更为明显，这主要是因为回流消失后，空气高温区向下游转移，入口侧冷却空气变为低温区，从而改善了对线棒的冷却作用。

表2中列出了上、下层线棒在槽钢形式改变前后最高温度及体积加权平均温度的变化。从表中数据可以看出变结构后最高温度最多下降了约2.2%，平均温度最多下降了约1.6%，均发生在上层线棒，这就定量地说明了改变槽钢形式后对上层线棒冷却更为有益。

图4 Y=H/2截面上、下层线棒温度云图分布

表2 上、下层线棒在槽钢形式改变前后最高温度及平均温度

除线棒温度发生明显变化外，定子铁心温度场在改变槽钢形式后也有改变，图5给出了槽钢变结构前后铁心沿Z轴各截面的温度云图分布。对比图5(a)、(b)可发现变结构后齿部温度有所下降，尤其在靠近第1流道侧更为明显。此外，回流消失后齿部高温区域温度分布也更加均匀、对称，从而可以削弱铁心的翘曲变形情况。

图5 铁心各截面温度云图分布

以上定性分析了铁心各截面的温度变化，图6定量展示了图5(a)、(b)中各截面温度，将改变通风槽钢形式前后各截面平均温度、最高温度进行了对比。如图所示温度曲线约在=-3.5/7位置处出现了分界：当>-3.5/7，新结构铁心各截面平均温度、最高温度均有所降低，其中在=-/7处平均温度及最高温度降低最多，分别约为2.2%和1.9%；在<-3.5/7位置处，新结构平均温度、最高温度均有所升高，其中在=-处平均温度及最高温度升高最多，分别约为1.6%和1.5%。之所以出现分界有两个原因：变槽钢形式后第1流道上游位置多出2处涡结构，在其作用下下游流动状态变差而降低了换热能力；变槽钢形式后回流消失，空气高温区移向下游以致铁心后半段温度升高。原结构、新结构中齿部、轭部体积加权平均温度及最高温度见表3，新结构槽钢作用下，齿部最高温度及平均温度分别下降了约1.1%和1.5%，轭部最高温度下降了约0.3%，轭部平均温度升高了约0.8%。综合对比来看，新结构对铁心温度控制的优势大于劣势。

图6 原结构、新结构铁心各截面平均温度、最高温度对比

表3 原结构、新结构中齿部、轭部平均温度及最高温度

结构形式温度原结构槽钢新结构槽钢最高温度/℃平均温度/℃最高温度/℃平均温度/℃ 齿部80.675.579.774.4 轭部76.771.876.572.4

综上对线棒、铁心的温度变化分析来看：改变槽钢形式后线棒温度和铁心温度均朝着下降趋势发展，尤其是在上层线棒以及>-3.5/7的铁心齿部位置尤为明显。

3 结论

通风槽钢作为定子风沟的关键部件不仅用来支撑铁心段，同时也有导流的作用，对定子温升有重要的影响，本文设计了一种新型槽钢：迎风侧第一根槽钢在距离其端部/4处弯折至176o，并通过Fluent对新槽钢和原槽钢作用下定子风沟流场及定子温度场的变化进行了对比分析，结论如下：

（1）相比原槽钢，新型槽钢作用下消除了定子风沟迎风侧第1流道的回流，改善了对靠近此流道侧上层线棒的冷却作用；

（2）新型槽钢作用下，线棒得到了更好的冷却，尤其对上层线棒而言，使其最高温度下降了约2.2%，平均温度下降了约1.6%；

（3）新结构槽钢作用下，铁心温度分布更加均匀、对称，齿部最高温度及平均温度分别下降了约1.1%和1.5%，轭部最高温度下降了约0.3%，轭部平均温度升高了约0.8%。

4 展望

针对不同形态、不同焊接位置通风槽钢作用下定子温升变化情况进行进一步研究，并对其中的控制机理做出分析。

[1] 鲍里先科, 丹科. 电机中的空气动力学与热传递[M]. 北京: 机械工业出版社, 1985.

[2] 安志华. 巨型全空冷水轮发电机通风模拟试验及计算研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2005.

[3] 李德基, 曹国宣. 汽轮发电机氢气直接冷却转子的三维温度场计算[J]. 电工技术学报, 1986(3): 3-10.

[4] 胡晟, 金如麟, 谭茀娃. 1000MW级轴向氢冷汽轮发电机定子铁心通风系统[J]. 上海交通大学学报, 2002, 36(7): 1004-1007.

[5] 吴琳, 王宏光. 水冷电机冷却系统设计与计算[J]. 机械设计与制造, 2008 (8): 40-41.

[6] 童旭松, 宋德强, 刘平超. 半水冷水轮发电机定子线圈稳态温度场分析[J]. 大电机技术, 2018(3): 24-26.

[7] 顾国彪. 蒸发冷却技术的发展与应用[J]. 电器工业, 2003(1): 5-6.

[8] 董海虹, 顾国彪. 汽轮发电机蒸发冷却系统的热力过程及评价[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(20): 137-141.

[9] 蒋富强, 刘佳坤, 廖毅刚. 650MW级全空冷水轮发电机通风模型试验研究[J]. 东方电机, 2010(4): 19-24.

[10] 史红梅, 何玲玲, 蒋富强. 770MW全空冷水轮发电机通风模型试验研究[J]. 东方电机, 2013(1): 27-31.

[11] 李野. 水轮发电机通风冷却流场CFD计算及优化[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2010.

[12] 李丹. 计及旋转状态的全空冷水轮发电机多物理场耦合计算与分析[D]. 北京: 北京交通大学, 2017.

[13] 温嘉斌, 鄢鸿羽. 定子通风槽钢对通风沟内流体流动形态的影响[J].电机与控制学报, 2010(14):58-68.

[14] 吴银龙, 陆显斌. 高压电机内部流体场计算与分析[J]. 防爆电机, 2011(46):4-7.

[15] 温嘉斌, 侯健, 于喜伟. 定子通风槽钢对中型高压电机内温度场的影响[J].电机与控制学报，2010(14):58-68.

Study of Steady-state Temperature Field Distribution with a New Type of Ventilation Channel Steel

LIU Pingchao, AN Zhihua, GONG Hailong, YU Tao, WANG Hai

(Harbin Research Institute of Large Electric Machinery, Harbin 150040, China)

In this paper, a conjugate heat transfer is calculated for the periodic simplification model based on an air-cooled hydro-generator stator whose iron core length is. And the study of steady-state temperature field and stator duct flow field changes with a new type of ventilation channel steel is finished. The results show that the backflow of the upwind side channel is eliminated, and the upper coil is cooled better that the maximum and average temperatures decrease by about 2.2% and 1.6%, respectively. The temperature distribution of iron core becomes more uniform and symmetrical. The maximum and average temperature of iron core tooth decreases by about 1.1% and 1.5%. The maximum temperature of iron core yoke decreases by about 0.3%, and the average temperature of iron core yoke increases by about 0.8%. Taken together, the cooling effect of the stator is improved with the new type of ventilation channel steel.

conjugate heat transfer; ventilation channel steel; stator duct flow field; steady-state temperature field; stator cooling

TM312

1000-3983(2018)05-0011-05

2018-06-15

刘平超(1989-)，2016年毕业于北京理工大学，硕士，在哈尔滨电机厂有限责任公司从事电机冷却工作，助理工程师。