1000MW水轮发电机转子高效冷却技术研究

郑小康，张天鹏，刘云平，罗永刚，李冬梅，王 超

（东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 618000）

0 引言

白鹤滩水轮发电机单机容量高达1000MW，但相对溪洛渡、三峡等700～800MW容量等级的水轮发电机，由于受限于转子外圆线速度和超长铁芯压紧难度，其几何体积并未随容量的增加而线性增大（部分参数对比见表1）。这意味着发电机单位体积内的机电能量转换量大幅增加[1]，定转子等发热部件的冷却难度也随之大幅增加。如果沿用传统的冷却结构，由于其较低的冷却空气利用率，需要大幅增加冷却风量才能满足白鹤滩发电机的冷却需要。风量的增加一方面会继续降低热交换效率，另一方面会引起通风损耗的大幅增加，限制电机效率的进一步提升[2]。同时，由于发电机结构尺寸的增大，定转子温升需要被严格控制，以降低内部热应力，保证机组长期安全稳定可持续运行[3]。随着技术进步和发电机容量的进一步提升，这样的矛盾会更加突出。

白鹤滩发电机额定效率保证值为99.01%，为迄今为止水轮发电机的最高水平。为实现这一目标，电机冷却风量被严格限制以降低通风损耗。与此同时，励磁绕组平均温升的保证值仅为58K，远低于国家标准和类似机组设计值。白鹤滩发电机每极容量为常规水轮发电机的最高水平，为20.58MVA。虽然这一标志磁极冷却难度的参数相对仙游、仙居等发电电动机略低，但白鹤滩发电机励磁绕组平均温升的指标却更为严格，而且这一指标还是在低风量的严苛条件下需要实现的。因此，白鹤滩发电机需要在当前发电电动机转子冷却结构的基础上做进一步突破。本文从研究机理着手，并结合温度场计算和模型试验，对应用于白鹤滩1000MW水轮发电机的转子高效冷却技术进行介绍。

表1 部分大型水轮发电机参数对比Table 1 Parameter comparison of some giant hydro generator

1 励磁绕组冷却研究机理

电机热稳定时，励磁绕组损耗热主要依靠流经表面的冷却空气带走，损耗的传递路径可近似理解为：损耗在铜排本体产生，经铜排热传导至线圈表面，再与冷却空气进行对流热交换[4]。因此励磁绕组对冷风的温升可以近似用下式表达：

式中θg——流过转子的空气平均温升，K；

θs——励磁绕组表面温升，K；

θt——线圈内部与表面温差，K；

Pr——励磁绕组损耗，kW；

cg——空气体积比热，kW/m3；

ρg——空气密度，kg/m3；

Qg——冷却风量，m3/s；

As——励磁绕组散热面积，m2；

αs——励磁绕组表面对流散热系数，kW/（m2·℃）；

lt——热传递路径长度，m；

At——热传递路径截面积，m2；

λt——热传导系数，kW/（m·℃）。

通常，流过转子的空气温升θg并不高，一般在5～15K之间。由于白鹤滩发电机冷却风量的限制，降低励磁绕组温升主要从降低绕组表面温升θs和线圈内部与表面温差θt着手考虑。

1.1 降低绕组表面温升θs

对于励磁绕组表面，若要增加散热系数αs，需要提高空气的流速，减小极间距，同时增加散热表面的粗糙度[5]。由于白鹤滩相比溪洛渡等类似的大型水轮发电机而言，极间距、转子外圆额定线速度等参数都比较接近，而且线圈都采用了散热翅或散热匝结构以提高散热表面粗糙度和散热面积，区别也不大。因此提高白鹤滩发电机磁极线圈表面散热系数αs的手段有限，作用也有限。降低绕组表面温升θs主要考虑从增大绕组散热面积As入手。

常规水轮发电机的励磁绕组仅依靠外表面进行散热，尽管采用铜排散热翅结构可以增大散热面积，但增幅有限。发电电动机普遍应用线圈与铁芯间部分架空的通风结构，也即通常所说的内外表面散热方式。这种通风结构由于增加了线圈内侧和极身之间的狭窄风道，相比单一的外表面散热，能够增加10%～20%的散热面积，结构原理如图1所示。而从表2中的数据可以看出，白鹤滩发电机即使采用发电电动机的现有冷却方案，将磁极线圈的散热面积增加11%，冷却条件相比溪洛渡也并无优势。

为此，在白鹤滩发电机上创新地开发了转子空内冷技术——即在磁极铜排本体直接开设通风孔，在原结构内外表面冷却技术的基础上增加了内部冷却风道。该技术可以大幅增加磁极线圈的散热面积，增幅达33%，保证白鹤滩发电机磁极线圈冷却条件优于溪洛渡发电机。

图1 常规发电机（左上）、发电电动机（左下）、白鹤滩发电机（右）磁极线圈冷却示意Figure 1 Schematic for winding cooling of normal generator （U.L.），generator-motor（L.L.），and BHT generator（R）

表2 白鹤滩与溪洛渡发电机励磁绕组散热条件对比Table 2 Cooling condition comparison between BHT & XLD generator

1.2 降低线圈内部与表面温差θt

由于励磁绕组内部的热传导方式基本是确定的，绕组和绝缘材料也都是一样的，因此其热传递路径截面积At和热传导系数λt也都不会有太大变化。由式（1）可知，降低θt的主要手段应当着眼于缩短热传导路径长度lt。

常规发电机采用的传统冷却结构，线圈热量仅能传递至外表面进行热交换，热传导路径较长。而发电电动机通过在局部区域增加内表面散热，将此区域内的热量传导路径长度缩短了一半，提高了传热效率。所以即使散热面积仅增加了10%～20%，发电电动机在每极容量大幅提高的情况下，依然能保证励磁绕组温升满足要求。

而白鹤滩发电机通过采用转子空内冷技术，换热区域直接设置在了铜排内部即热源本体，进一步大幅缩短了传热路径，传热效率可以获得进一步的大幅提升。

因此，白鹤滩发电机采用转子空内冷高效冷却技术，一方面大幅增加了磁极线圈的散热面积，同时另一方面又大幅缩短了传热路径。励磁绕组的冷却条件相比常规发电机和发电电动机都有了大幅改善，有条件实现严苛不利条件下的高效冷却。

2 模型试验验证

在转子空内冷技术研究的初步阶段，为了验证该技术的实际应用效果和温度场计算方法的计算精度，依据初步的结构设计方案，建立了转子空内冷静态模型试验装置，开展了技术的热模型试验验证。试验装置的原理图和实物如图2所示。

静态热模型试验数据及对相应结构的有限元温度场仿真计算结果对比见表3。

表3 静态热模型试验数据Table 3 Data of the static experiment

从表中数据可以得出以下结论：

（1）试验数据中，内冷孔风速为0时即对应传统冷却结构，此时磁极绕组平均温升高达124K。根据计算，通风孔内风速为15～20m/s，此时的磁极线圈平均温升仅为54～57K，相对传统结构下降近70K，充分证明了空内冷技术的高效性。

（2）模型试验结果与计算结果吻合度很高，说明有限元温度场仿真计算的精度满足工程设计和应用要求，能够对技术应用效果进行准确预判。

图2 转子空内冷技术静态热模型试验装置Figure 2 Schematic and device for Static experiment

3 励磁绕组温度场计算

转子空内冷技术在1000MW水轮发电机应用的工程设计方案，相对初步研究阶段的方案，在内冷孔布置、尺寸、分布等方面进行了优化和调整。为预估励磁绕组在低风量下的散热效果，结合研究阶段经过验证的仿真计算方法，对工程设计方案进行了CFD温度场分析计算[6-9]。计算模型取转子一个磁极轴向一半，包括极身、极靴、绕组、端部挡风板、磁轭、支架及周围冷却气体。图3为转子计算模型。

图3 温度场计算模型Figure 3 Calculation model of temperature field

温度场计算时，边界条件给定如下：

（1）冷却空气入口设为转子支架入口，出口设为定子风沟及挡风板间隙；

（2）发电机有效总风量设为300m3/s，冷风温度设为40℃；

（3）发热源按电磁设计给定。

对绕组温升进行了三种工况下的计算：

（1）仅考虑外表面冷却工况，即对应常规机组的传统冷却技术；

（2）考虑内外表面冷却工况，即对应发电电动机的内外表面冷却技术；

（3）白鹤滩发电机应用的转子空内冷技术。

计算结果如表4和图5所示。从表4中数据可以看出，应用空内冷技术之后，白鹤滩发电机励磁绕组评价温升仅55K，满足要求；如果考虑内冷孔失效，温升会增加8K，至63K；而只考虑外表面冷却时，温升会增加21K，至76K。空内冷技术的高效性体现无余。

表4 白鹤滩励磁绕组平均温升计算结果Table 4 Calculation result of average temperature rise of excitation winding for BHT K

而对励磁绕组的温度场和流场分析结果（见图5）表明：内冷风孔背风面平均风速12.3m/s，迎风面10.7m/s，差别不大。因此应用空内冷技术后，励磁绕组迎风侧和背风侧的温差得到了明显改善。

为进一步准确论证转子空内冷技术对降低冷却风量以提高电机效率的意义，对白鹤滩励磁绕组在内部冷却区完全失效即采用传统冷却方案，励磁绕组平均温升满足58K要求的同等条件下，对需求的电机冷却风量进行了反向计算。计算表明，此时需要总风量约为385m3/s，计算结果如图6所示。也就是说，应用转子空内冷技术，白鹤滩发电机所需冷却风量减少了85m3/s（约22%），初步计算可以降低通风损耗约1000kW，可以提高电机效率0.1个百分点。

另一项计算结果也可以对空内冷技术的高效性做出注解：计算分析表明，流经内表面和内冷孔的内部冷却区总风量为35m3/s，仅为总风量的11.7%，但经其带走的绕组损耗为690kW，高达绕组总损耗的37%。即内部冷却区以一成的风量带走了将近四成的损耗，对转子空内冷技术的高效性进行了进一步的验证。

图4 不同冷却条件下励磁绕组温度场分布Figure 4 Temperature field of different cooling conditions

图5 迎、背风侧内冷孔风速和绕组温升分布Figure 5 Wind velocity and temperature distribution of windward and leeward

图6 相同温升下不同冷却结构需求风量计算结果（a）空内冷技术，风量300m3/s；（b）传统冷却技术，风量385m3/sFigure 6 Air volume requirement for different cooling tech. at the same temperature achievement

4 结束语

转子高效冷却技术的研究机理是通过在热源本体即铜排上开设内冷孔，大幅增加线圈的散热面积，同时大幅缩短了热传递路径，从而大幅改善励磁绕组的冷却条件。

白鹤滩1000MW水轮发电机应用转子空内冷技术，可以实现低风量严苛条件下励磁绕组的高效冷却，而且迎背风侧的温差也得到了明细改善。

计算表明，转子空内冷技术可以大幅减少电机对冷却风量的需求，进而大幅降低通风损耗以提高电机效率。而对内部冷却区散热能力的计算也对该技术的高效性进行了充分验证。

通过增加空内冷区域，该技术还具备进一步的发挥空间，可以进一步压缩总风量，进一步提高电机效率。反之，通过增加冷却风量同时增加空内冷区域，该技术可以应用于更大容量和更高励磁绕组损耗的水轮发电机。