水布垭电厂3号发电机下风道甩风分析及治理

2022-10-31唐卫东魏兴波黄明辉

水电与新能源 2022年10期

王维，唐卫东，魏兴波，黄明辉

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北宜昌 443000)

水布垭水轮发电机采用双路径向无风扇通风方式。冷却空气在转子支架、磁轭和磁极产生的压头作用下，轴向进入转子支架内，然后径向流经磁轭风道、磁极极间和气隙，再径向流经定子风沟，完成电机通风散热过程[1]。冷却气体携带发电机的损耗热最终经定子铁心背部汇集至空气冷却器，热空气与冷却水热交换散去热量后，重新分成上、下两路进入转子支架，构成密闭自循环通风系统[2-3]。电机主要通风结构参数如表1所示。

1 结构尺寸

1)转子支架。转子支架入风口是冷却空气必经的过流通道，入风口尺寸及位置的选择既要满足过风面积的需要，又要考虑提供旋转压头的需要[4]。转子支架采用斜支臂结构，共有20个支臂，转子支架入风

表1 电机主要结构参数 mm

口内径为R1.927 m，外径为R2.500 m。

2)磁轭入风口。水布垭水轮发电机转子磁轭采用无通风沟结构。磁轭沿轴向分为两段，每段高度1.48 m，磁轭段间间隙为60 mm，磁轭上下两端各有40 mm高的通风间隙。磁轭冲片厚度为2.5 mm，一片挂4极，采用两片一叠整极串的叠片方式，磁轭叠片形成风隙，风隙入口及出口宽度均为100 mm。

3)定子径向风沟。定子径向风沟数72，定子径向风沟高为5 mm。

4)挡风板位置。在磁轭轴向、磁极轴向及气隙处均装有挡风板等部件，用以增大电机有效风量。其中，气隙端部挡风板风隙为10 mm。

2 主要问题

水布垭电厂3号机组扩修改造更换转子支架和中心体后，下风道紊乱向上甩风，造成空气冷却器冷凝水随风道甩至下风道墙壁及发电机出口引线上，如图1所示。严重威胁发电机安全稳定运行。

图1 3号发电机上风洞空冷冷凝水情况图

3 问题分析

水布垭水轮发电机风路如图2所示。根据风路图可以看出，电机上风道过流比较顺畅，冷却器出风经机座上端开孔位置流入机座内，经铜环、定子绕组上端部后，一路顺畅地流入转子支架内[5]；而下风道过流阻碍较多，冷却器出风经地坑通道进入机座内，流经定子绕组下端部、制动器、受阻于轴承油箱后改变方向流入转子支架内。下风道冷却气体在制动器、制动环绑合筋板、轴承油箱所形成的空间内将发生撞击、形成漩涡，由此形成流动阻力影响气流顺畅流入转子支架内。

根据风路图分析可知，电机上下风路不对称、风量不平衡，导致下风道冷却风量不能顺畅进入转子支架内，造成向上甩风现象，空气冷却器冷凝水随风吹散在上风洞电气设备上，威胁发电机安全运行。

图2 水布垭水轮发电机风路图

4 防治措施

为解决这一问题，可以从两方面入手。一是在保证冷却风量的前提下，在空冷器处设置阻挡、收集冷凝水；二是改变风路结构对称性，在上风道转子支架入风口位置加设挡风板，减小入风口面积，从而增加风阻、降低上风道入风量，使上下风道平衡，从根本上解决向上甩风的问题。

由于3号机组已投产发电，临近汛期，为防止发电机出口引线潮湿导致短路事故，采取第一种方法，在空气冷却器进水侧加装无纺布挡水网来吸收空气冷却器冷凝水，再在下方安装集水槽排水，如图3所示。加装挡水网后，增加风阻，从挡水网出来的风量明显降低，冷凝水在挡水网上析出，汇集在集水槽后排至排水沟，发电机定子绕组及铁心温度无明显变化。

图3 空冷器加装挡水网图

水布垭电厂4号机组发电机与3号机组发电机采用相同的改造工艺，为从根本上解决风道紊乱情况，在4号机转子支架上入风口位置加设挡风板，挡风板位置如图4所示。转子支架原入风口R外=2 700 mm，R内=1 700 mm，现调整为R外=2 100 mm。加设挡风板后，转子支架上入风口面积显著减少，从而增加风阻系数，风量与下风道阻力相当。

图4 加装挡风板位置图

根据发电机的通风结构，确定计算网络，其中包括转子支架、磁轭和磁极等压力元件及风阻元件，还有定子入口、出口、气隙入口和冷却器等风阻元件。应用流体计算软件FLOWMASTER 进行通风系统的计算分析[1]。转子支架上入风口加设挡风板后，电机总风量由180.6 m3/s减小为176.0 m3/s，减小约为2.5%。机组现运行温度较低，总风量略微减小不会对电机冷却系统造成影响。上下风道风量分配发生显著变化，原来受上下风道阻力不对称影响，上下风道占比约为 1.96∶1，加设挡风板后变为0.92∶1，下风道风量明显增大，上下风道风量较平衡，从4号机组增加挡风板后效果来看，该方案从根本上解决了向上甩风的问题。