水轮发电机全空气冷却系统设计及其应用

张永平

（上海福伊特水电设备有限公司，上海 200240）

水轮发电机的冷却方式有定转子空冷（称全空冷）、定子水冷转子空冷（称半水内冷）、定子水冷转子水冷（称全水冷或双水内冷）和定子蒸发冷转子空冷（称蒸发冷却）等，除全空冷以外，其它几种冷却方式均称为内冷方式。

水轮发电机通风冷却技术不断发展的根本目的，在于更有效地带走发电机内因各种损耗产生的热量，从而控制发电机的温升，提高发电机的安全性和效率。

目前大容量机组都采用全空冷技术。由于空气在电机内流动的复杂性，以往借助实验手段校验计算结果，往往比较粗糙。计算手段对能否满足工程需要，对优化机组性能和提高市场竞争力非常重要，本文系统地介绍水轮发电机全空冷系统现代设计和计算方法。

1 全空气冷却系统设计

通风冷却的设计目标是保证必需的冷却风量；风量分配合理，防止过热；减少损耗，提高效率。全空冷是指定子铁心、定子绕组、汇流铜环、转子绕组、转子铁心均为空气冷却。目前大型水轮发电机基本上都采用无风扇双路端部回风系统。该系统又可细分为固定挡风板和旋转挡风板两种结构，它们的区别主要是在上下两端空气密封方式所采用的挡风板固定方式有所不同。固定挡风板是采用了安装在定子铁心端部和悬挂在上机架上的挡风板相互配合引导气流；下面的是固定在下机架制动器上的，典型设计结构见图1。而旋转挡风板则是安装固定在转子的磁极和磁轭的上下两端上，随转子一起旋转，定子端部也装有与旋转挡风板对应的橡胶或聚四氟乙烯密封板。典型设计结构见图2。固定挡风板结构的发电机总风量略大于旋转挡风板结构的风量，但旋转挡风板结构更加简洁，便于机组安装和检修。

2 全空气冷却系统通风计算

2.1 网络法通风计算

2.1.1 基本要求

图1 典型固定挡风板空冷水轮发电机通风系统

图2 典型旋转挡风板空冷水轮发电机通风系统

①实际产生的风量能满足水轮发电机冷却的需要，并有适当的裕量。②根据其损耗的大小合理分配空气流量。③风路简单，减少气流的涡流、 摩擦等降低通风损耗。④有良好的加工工艺性，维护、检修方便。⑤噪声低。

2.1.2 通风计算的目的

一是已知水轮发电机冷却需要的风量和主要尺寸，通过计算选择合理的通风结构及确定风路的主要尺寸；二是根据以往经验预先设计好水轮发电机通风结构，通过计算对其进行验证。

通过计算验算水轮发电机所采用的通风结构能否满足带走所有内部损耗的要求，即能否达到电磁计算要求的风量Qo，可以根据水轮发电机内需要空气带走的总损耗来计算：

式中：∑P为带走的总损耗kW；Co为空气定容比热容，单位J/（m3·K）；△t为空气流过发电机后的温升，主要取决于空气冷却器的换热性能，过去一般取20～25℃，目的对于优质冷却器可以取到28～30℃。由于通风计算的偏差，计算风量通常要留一定裕量，通常取10%～15%，不宜取太大。风量太大会造成通风损耗的迅速增加，同时通风噪声和机组振动也会相应恶化。

适当选取风路结构如压力元件、阻力元件，或确定特定部位的形状、过流面积等，通过控制这些部件的参数来影响发电机的总风量和风量分配。比如改变转子进风口的大小和位置可以调控发电机的总风量，从而控制机座出风孔尺寸的大小可以调配端部风量的大小。

2.1.3 风路计算

在工程计算中，通常把水轮发电机通风系统用风路图来表达，根据水轮发电机实际通风结构画出等效风路。其中阻力元件代表水轮发电机不同部位的流休阻力，再通过风阻的串、并联结合形成一个合成的风阻。在知道转子（或风机）风扇特性的情况下，可以求出风路的流量、流速。风路计算方法主要有三种，即分析法、试探法和图解法。

2.1.4 通风系统网络矩阵算法

前述的三种方法来求解风路难度较大，会耗费大量的时间。目前大多采用网络分析法来进行通风系统计算。

通风网络与电路相似，但由于通风网络特性呈非线性，需要预先进行假定：①水轮发电机在稳定状态下工作，空气处于连续、稳定的循环流动状态。②不考虑温度变化时空气密度的影响。③空气为不可压缩的理想气体。

基本关系式：根据质量守恒定律，同一风路流入和流出任意一个横截面的冷却空气的质量流量应相等。对于网络的每个节点都应满足： ∑Qi=0 式中Qi为流入、流出节点的流体流量。

同样，根据能量守恒定律和伯努利方程，每个闭合网络回路，空气流动压力变化的总和为零，即∑△Hi=0 ， 式中：△Hi为沿回路的流体压力降。上述两式说明通风系统的流量、压力与电路一样遵循基尔霍夫定律。

通风网络中，通过网络阻力元件代表不同流道结构（如弯道、突然扩大或缩小段）、压力源、流量源、传热单元等。对于不同特征的流阻，其流阻系数有不同的取值方法：一是根据实验所得的经验数据，二是通过流体力学公式计算得到。

2.2 通风系统CFD仿真计算

2.2.1 通风冷却的数值分析

因网络法无法对发电机的温度场进行计算和分析，且在计算过程中忽略了流体的许多特性，而这些特性对于传热的影响很大。商用CFD软件包具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的后处理功能，在很大程度上弥补了网络法计算中简化过多的缺点。

2.2.2 CFD分析的前处理

模拟仿真是用模型模拟来代替真实系统进行数值实验与研究的一种计算方法。首先按1：1尺寸以三维模式参照模拟对象的计算区域建立仿真实体模型。由于水轮发电机在圆周方向流场具有对称的特点，可以取圆周上的一部分进行建模分析。如可以按1：2、1：4、1：8等比例建模，这些模型内的分析结构在发电机圆周上各部分具有代表性，数据也可以按比例推算到整机。建模软件多种多样，CFD软件的前处理通常具有多种格式的输入接口，可以接受不同格式的摸型图形文件。

高质量的流场计算网络对于提高流场仿真计算的效率和精度具有十分重要的意义。流场仿真网格类型有两种：结构网格和非结构网格。结构网格特点：网格有规律，具有结构简单、构造方便、容易计算、占内存小等优点。缺点也因此非常明显：对复杂几何形状的适应能力差，对具有不规则复杂外形的实体很难满足贴体性等要求。非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及节点位置，灵活性好，对复杂外形的适应能力强，但其无规则性也导致了在模拟计算中存储空间增大、寻址时间增长、计算效率低于结构化网格和计算时间长等缺点。

非结构网格大都采用最简的几何外形，如三角形（二维）与四面体（三维）单元，易于剖分不规则计算域，对于发电机的分析模型剖分，见图3。可以采用结构化与非结构化网格相结合的方法。对于几何形状较规则的部件应尽量设法采用六面体（即结构化网格）；而对复杂结构，特别是几何尺寸变化大的部件或空间，则只能采用四面体（即非结构化网格）。曲率较大的地方，网格定义密一些；曲率变化小的地方，网格定义疏一些，这种疏密还可以通过人为干预来调节。总之，网格的生成，一方面要尽可能减少计算单元数量，另一方有要保证网格的质量，同时，在流体流动状态变化大的区域还要适当加密网辂，以真实模拟流场的微观流态。网格生成后为进一步提高网格质量，可以对生成的网格进行优化，最常用的方法是用Laplacian迭代法。这种方法将内部节点移到该节点周围三角元所组成的多边形形心处，可对网格起光顺作用。

网格检验通过后，分别对计算区域进行定义，同时将需特殊定义边界的面和体单独定义出来，整个前处理的工作完成。

表1

图3 某水轮发电机CFD计算模型

2.2.3 CFD分析的边界条件设置和仿真求解

对流动区域而言，边界条件的内容通常为入口压力、出口压力、工作环境绝对压力、流体入口温度、流体介质的物理参数、流体内部发热源等。对于固体计算区域，则通常需定义材料特性、表面粗糙度、是否旋转、内部发热源等。

描述发电机内流动和传热的控制方程包括：①连续方程。②动量方程。③动能方程。④紊乱动能耗散率ε方程。⑤对于可压缩流体，密度可以由理想气体定律确定。描述流体运动的方程属于非线性守恒方程组，不能用解析的办法求解，因此要由数值的方法求解。求解时，并不去求空间任意点和任意时刻的解，只对空间一定数目有限的离散点的解感兴趣，这些离散点定义在事先构造好的网格节点上。

求解过程视计算对象规模的大小和物理模型的复杂程度不同，一般无需人工干预。通过对计算精度残值的监视，计算者可以判定流场计算的收敛情况。设置合适的计算精度可以缩短计算周期。计算过程中，可以通过监视求解器的收敛曲线了解求解过程的收敛状态。

2.2.4 CFD分析的后处理

计算结果对温度、压力、流速、传热系数等可用图形、等值线或云图、矢量图甚至动画的形式进行生动地演示，可直观地看懂计算结果，举例见图4所示。

图4 某水轮发电机空气流线及速度分布

3 全空气冷却系统应用

国内外典型的全空冷水轮发电机统计数据见表1。

4 结语

全空气冷却系统在巨型水轮发电机组上得到普遍应用，空冷机组单机最大容量1000MW。从造价及维护安全可靠性的角度而言，能采用空冷的机组就不要用内冷。

水轮发电机中的流动与传热问题，一般都可以通过网络法和CFD模拟计算软件进行计算分析和研究，计算结果满足工程实际需要。