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大型發(fā)電電動機通風冷卻系統(tǒng)研究

文檔作者：王超廖毅剛張海波文檔來源：東方電氣東方電機有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月23日
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方氣評01.02第29卷Vol.29總第114期
大型發(fā)電電動機通風冷卻系統(tǒng)研究
王超廖毅剛張海波
東方電氣東方電機有限公司,四川德陽18000
摘要:大型發(fā)電電動機具有轉速高、體積緊湊、散熱困難、要求正反轉等特點。本文介紹了整體通風系統(tǒng)的選擇和計算,
分析了通風冷卻系統(tǒng)的CFD仿真、轉子磁極冷卻結構和定子溫升特性,最后給出了動態(tài)通風模型試驗和靜態(tài)轉子通風模型
試驗結果。
關鍵詞:發(fā)電電動機;通風結構;整體通風計算;CFD;模型試驗
中圖分類號:TM31:TM3
文獻標識碼:A
文章編號:1001-9006(2015)02-0041-06
 Research on Ventilation and Cooling System of Large Generator-motor
 WANG Chao, LIAO Yigang, ZHANG Haibo
 Abstract: Large revisible generator-motor has such characteristics as high rotating speed, compact structure, difficulties in heat
 dissipation and revisible running. In this paper selection and calculation of global ventilation system is introduced, and CFD
 simulation for the ventilation and cooling system, rotor pole cooling structure and stator temperature-rise characteristics are analyzed, and
 at the end of the paper, dynamic ventilation model test and static rotor ventilation model test are presented.
 Key words: generator-motor, ventilation structure: global ventilation caculation: CFD simulation; model test
與常規(guī)混流式水輪發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)相比,要求改進的或新的通風系統(tǒng)與之匹配。由于常規(guī)
發(fā)電電動機具有以下特點:
混流式水輪發(fā)電機通風結構已被大量工程實踐證
(1)電機轉速高,可達到300r/min-500r/min,明是合理、可靠的,所以在此基礎上進行局部結
高轉速意味著通風損耗增加和散熱難度增大。
構改型,以滿足大型發(fā)電電動機冷卻要求,是值
(2)電機運行在發(fā)電狀態(tài)和電動狀態(tài)時轉向不得采用的技術路線。
同,需要分析該變化給通風系統(tǒng)帶來的影響,且
本文簡要介紹了東方電機在大型發(fā)電電動機
常規(guī)軸流風機葉片翼型不能被使用
通風冷卻結構優(yōu)化和系統(tǒng)研究方面開展的工作。
(3)轉子磁極線圈每極熱容量大,分析表明:這些工作主要包括:針對某300MW發(fā)電電動機對
該發(fā)電電動機實際運行時單位體積損耗和單位面不同通風方案進行對比、分析,初步確定適應于
積的散熱強度會達到常規(guī)水輪發(fā)電機的1.5倍以該大型發(fā)電電動機特點的整體通型式及局部特
上。如何在保證電機總風量滿足要求的前提下有殊冷卻結構;然后利用整體通風計算、局部CFD
效解決勵磁繞組的散熱問題,面臨巨大挑戰(zhàn)。
仿真、1:2.5整體旋轉通風模型試驗和轉子磁極特
其異于常規(guī)混流式水輪發(fā)電機的這些特點,殊冷卻結構靜態(tài)模型試驗等手段相結合的方式,
收稿日期:2015-01-15
作者簡介:王超(1982),男2006年畢業(yè)于華中科技大學電氣工程及其自動化專業(yè),本科,工程師?，F(xiàn)在東方電機從事大型發(fā)電機通風
冷卻分析與試驗工作
廖毅剛(1963-),男,1983年畢業(yè)于湖南大學電氣工程專業(yè)本科,教授級高級工程師?，F(xiàn)在東方電機從事大型發(fā)電機研發(fā)及
科研管理工作。
張海波(1985),男,2008年畢業(yè)于中國科學技術大學能源與動力工程專業(yè),本科,工程師?，F(xiàn)在東方電機從事大型發(fā)電機通
風冷卻分析與試驗工作。
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方評論205.06.2第2卷Vol.29總第114期
 DONGFANG ELCTRIC RVIEW
對已被選擇的結構進行詳細的通風冷卻系統(tǒng)研究,
基于一元流動理論的整體通風網絡計算被廣
以獲得包括電機總風量、定轉子溫升水平及分布泛采用,其計算基礎是考慮能量損失的伯努利方
規(guī)律、通風損耗大小等在內的整體通風系統(tǒng)性能。程建模2):
本文所論述工作的價值在于:開發(fā)了適應于
 P.
 P:
z1++=x2+++h(1)
大型發(fā)電電動機特點的通風結構,積累了一定的
 pg2g
設計、計算和分析研究經驗,為后續(xù)更大容量、式中:z、Ppg、2g分別表示位置水頭、壓力
更高參數(shù)發(fā)電電動機的開發(fā)奠定了基礎。相對于水頭和流速水頭;h表示沿程損失和局部損失
以前工作的改進或創(chuàng)新之處如下:
水頭。
(1)確定了磁軛端部增加徑向葉片的軸徑向混
此外,流體在旋轉結構中流動時受到離心力
合通風+轉子磁極特殊冷卻結構整體通風型式,作用,其運動微分方程可表達為
實現(xiàn)了通風結構在發(fā)電電動機上應用的創(chuàng)新。
(2)-(
1aP=0
(2)設計了轉子磁極特殊冷卻結構,即除常規(guī)
 p
(2)
的極間流道外,其勵磁繞組背后還采用了架空結
22(-=0
構,形成又一空氣流道,從而可以進一步降低轉
通風元件的阻力特性對應于式(1),壓力特性
子溫升,以滿足大型發(fā)電電動機轉子磁極高強度對應于式(2),通過網絡法建模和計算,可得到發(fā)
散熱的要求。
(3)對轉子磁極特殊冷卻結構進行了詳細分析電機通風系統(tǒng)相應的流量、風速、壓降等重要
計算,改進后的方案可以有效降低勵磁繞組平均參數(shù)。
通風網絡計算利用通用流體、傳熱一維計算軟
溫升達30%
件 Flowmaster完成。通過計算分析與對比選擇,確
(4)通過對相似比1:2.5的整體旋轉動態(tài)模型定了圖1所示的該發(fā)電電動機整體通風結構方案。
和1:1的轉子磁極特殊冷卻結構靜態(tài)通風模型試
風路優(yōu)化措施包括:
驗,全面研究了該發(fā)電電動機的實際通風性能。
(1)轉子磁軛上下端部配置一定高度的徑向葉
1整體通風方案的選擇與計算
片與電機主要徑向過流通道相配合,保證電機實
際運行時總風量滿足要求的同時,各部位風量、
整體通風方案的選擇是發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)風速分
設計的重要環(huán)節(jié)?；诓煌脑O計經驗,不同的
(2)磁極線圈特殊冷卻結構和極間擋風板布置
生產廠家對相同轉速和容量等級的電機可能選擇
的優(yōu)化,使轉子線圈獲得最佳冷卻效果。
不同的通風型式,如在300MW等級的發(fā)電電動機
設計開發(fā)過程中,自循環(huán)通風結構、外加風機通
風結構、軸向或徑向通風為主的通風結構都被采
用過,見表1
表1通風結構對比
電站轉速/(rmin-1)
通風結構
黑峰
300
自循環(huán)、全徑向通風
白蓮河
300
自循環(huán)、全徑向通風
寶泉
500
軸套風扇、軸向為主
惠州
500
軸套風扇、軸向為主
天荒坪500
磁軛端部外加風扇、軸向為主
一熱
廣蓄期
500
外加鼓風機,軸向為主
圖1發(fā)電電動機整體通風型式
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方評論201.06.2第2卷Vol.29總第114期
采用此通風方案,該發(fā)電電動機實際運行時根氣流靜壓,使繞組背部風隙內的空氣風量、風
產生的總風量比實際需求留有接近15%的裕度,速增大,進一步提高散熱效率。
流經上下端部風扇風量比例占40%左右,內部壓3.2對比計算
降最大部位主要集中在定子風溝入口和轉子支架3.2.1計算模型及邊界
入口處。
對常規(guī)磁極線圈冷卻方案及改進方案進行溫
度場、流場耦合對比計算。計算采用流體力學計
2電機旋轉方向對通風系統(tǒng)的影響
算軟件 Fluent完成,求解方程滿足質量、動量及能
發(fā)電電動機采用密閉自循環(huán)的全徑向通風結量守恒定律和湍流運輸條件,統(tǒng)一表達為:
構,驅動空氣流動的壓頭由轉子和端部離心扇葉
 V()=()+S.(3)
旋轉產生。由于轉子支架為全徑向星型結構磁式中:中為通用變量,u為絕對速度矢量,為擴
軛和磁極的風道均為徑向通道,轉子端部的離心散系數(shù),S為源項。
扇葉亦采用徑向設計,所以這些特點保證了轉子計算模型包括了轉子磁軛環(huán)隙、轉子勵磁繞組、
順、逆時針旋轉時的離心壓力相同。同樣,通風磁極鐵心、磁極上托板、端部固定擋風板以及所述
結構的阻力特性也不會隨電機轉向的變化而發(fā)生結構件周圍的冷卻空氣區(qū)域,計算模型見圖3。
變化,因此,發(fā)電電動機轉向改變時,通風系統(tǒng)
總風量及風量分布規(guī)律相同,電機在發(fā)電機和電
動機兩種工作狀態(tài)下,冷卻效果也基本相同。這
一結論也被1:2.5旋轉通風模型試驗證實,該模型
圖示
在正反轉時風量測量值的變化不超過1%。
冷卻空氣
轉子端部和極周氣流
■磁燒組風口出風
3轉子磁極冷卻結構的研究與改進
轉子結構
3.1設計改進
口板擋風板
結合工程實際對該發(fā)電電動機轉子磁極線圈
磁繞組
■磁極上托
冷卻方式進行了以下改進:
■磁輪及磁輪環(huán)
■鐵心和極
(1)繞組與鐵心間布置散熱風隙,局部位置用
絕緣撐塊進行結構固定。相應冷卻風路見圖2。
圖3CD計算模型
計算采用的邊界條件包括:
(1)繞組損耗采用用戶自定義編程函數(shù)功能
UDF實現(xiàn)損耗密度隨溫度變化,這與以往通常采
用一個恒定的損耗進行溫升計算是明顯改進7。
(2)考慮轉子鐵心及繞組傳熱的各向異性。
圖2改進的磁極冷卻結構
(3)考慮高速旋轉時氣體的粘性作用。
3.2.2計算結果
這種冷卻結構將明顯增大勵磁繞組的有效散改進方案對磁極繞組溫升降低效果明顯,并
熱面積,為磁極線圈提供更好的冷卻條件。
被選擇用于該發(fā)電電動機通風設計方案。
(2)在上述措施基礎上,磁極極間布置一定高當電機作發(fā)電機額定運行時,磁極區(qū)域的流
度擋風板,增大極間氣流通風阻力,提高磁極極場及溫度分布見圖4和圖5
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 Velocity
00000
速度ms
2592693
05443
30
圖4磁極表面流場分布/(ms)
25
15
Max(℃)
圖7徑向通風溝內速度分布
 Max(C)
圖5勵磁繞組溫度分布
4定子溫升特性分析
定子溫升計算主要關注定子發(fā)熱部件最熱點
位置及軸向溫度分布是否均勻。轉子溫升計算得
Max(℃)
出的氣隙內速度、溫度分布將被用作定子溫升計
圖8定子溫度徑向分布規(guī)律
算的邊界條件,其他傳熱介質物性及發(fā)熱部件損
耗設置方法與轉子溫升計算所采用的類似,如鐵
心導熱率的各項異性、上下層線圈損耗的不同及
隨溫度變化等。計算所采用的模型見圖6
軸向位置(端部一中間)
圖9繞組RTD溫度的軸向分布規(guī)律
5動態(tài)通風模型試驗研究
5.1模型設計
通風模型設計及試驗以相似理論為依據,針
對該發(fā)電電動機的特點,充分考慮制造和安裝條
件,最終模型與真機比例確定為1:2.5。模型由定
子、轉子、軸承系統(tǒng)、上機架、下機架、基礎板
等組成,見圖10和圖11
圖6定子溫升計算模型
為保證模型流態(tài)與真機的相似性,通風模型
風溝流場和定子溫升的計算特征見圖7~圖9。設計、制造和試驗研究采取的措施包括:
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南方零氣評20.06.25第29卷Vol.29總第114期
確定為300r/min~500r/min并進行多個轉速組合
的上升、下降等重復性試驗,以減小試驗結果的
離散性,確保試驗結果真實可信。
當模型與真機間滿足相似條件時,在不同轉
速情況下各參數(shù)應用量綱分析的方法找出各物理
量之間的聯(lián)系,可推導出其通風系統(tǒng)的基本參數(shù)
應符合下列規(guī)律,見(4)~(6):
v/Vn=(lln)(nn)(4)
H/H=(l/ln)2·(n/n)2(5)
/ =(L /Lu) ' (ny/ )(6)
/=(L,/.(/)(7)
圖10模型轉子
式中:L一特征長度(mm),n一特征轉速(r/min)
H壓差(Pa),Q一流量(m3s),P一通風
損耗(kW)。
5.2模型試驗
開展的試驗工作包括:
(1)測量冷卻器出口風速以計算模型總風量,
獲得真機實際運行時的總風量。
(2)測量定子各風溝出口風速大小,以獲得真
機實際運行時風溝風速軸向分布規(guī)律。
(3)測量定子風溝進出口壓力,結合定子出口
風速測量值,獲得真機實際運行時定子風溝的阻
力特性。
圖模型總裝
(4)測量上下風道風量,以獲得真機實際運行
時上下端部風量分配比例。
(1)采用先進的模型加工技術,如在轉子磁軛(5)測量通風損耗以檢驗真機實際通風結構的
疊片、定子沖片和通風槽片采用激光切割,以保效率。
證模型空氣流經主要部位邊界面的粗糙度與真機(6)測量定子繞組端部、匯流銅排、主引線及
相同。
中性點引線等,以檢驗真機實際運行時端部冷卻
(2)嚴格保證模型與真機之間對應各部位過流條件的好壞。
面積的相似關系,并對定子風溝、轉子磁軛環(huán)隙試驗總共采用近150個風速、壓力測點和1臺
等部位作合理等效,而非簡單的將過流通道的高高速多點數(shù)據采集系統(tǒng)相配合,以獲得模型整體
度比例縮小,以減小制造和安裝過程中帶來的的通風特性。測點埋設及采集系統(tǒng)見圖12和
誤差。
圖13。
(3)根據確定的模型試驗研究比例計算模型進5.3試驗結果
入自模區(qū)的臨界轉速,模型試驗時確保其轉速位根據通風模型試驗結果分析,得出的主要結
于大于臨界轉速的一個相當大的范圍內,使通風論如下:
模型試驗時工作在自模區(qū)內,達到流體流動狀態(tài)(1)發(fā)電電動機風路順暢,空氣流動情況符合
與真機相同。經計算,該發(fā)電電動機通風模型進設計要求,風量風速分布合理,能夠滿足發(fā)電電
入自模區(qū)的臨界轉速為62.7r/min,試驗轉速區(qū)間動機各發(fā)熱部件冷卻需求
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銅環(huán)、主引線及中性點處風速為3.0m/s,滿足端部
發(fā)熱部件的冷卻需要。
6轉子靜態(tài)通風模型研究
發(fā)電電動機實際運行時,轉子處于高速旋轉狀
態(tài),極間流動狀態(tài)復雜,在旋轉模型上進行轉子特
殊磁極極間流態(tài)測量存在一定困難。分析表明:用
靜態(tài)模型進行發(fā)電電動機特殊磁極通風試驗與真實
情況的主要區(qū)別在于前者不存在離心力和科里奧里
加速力的影響,離心力作用于光滑的表面時可能在
圖12風速測點
流道中產生次環(huán)流,而實際上轉子磁極內外表面是
粗糙的,因此實際電機運行時離心力引起的次環(huán)流
并不存在。由科里奧里力作用引起截面上二次流需
要相當長的通道(L/D>200),而電機中實際空氣
流道并不滿足這一條件(通常L/D<20),同樣可以
認為由科里奧里力作用引起截面的二次流也不存
在。另一方面,當流體處于素流區(qū)時,由旋轉引
起的沿程阻力變化幾乎可以忽略,局部阻力實際
上與旋轉與否無關,由此可以忽略旋轉引起的附
加阻力,即可以用靜止模型模擬真機。
基于上述考慮,采用圖15靜態(tài)模型開展了磁
極特殊通風結構的試驗研究。
圖13采集系統(tǒng)
(2)電機在正反轉時產生的總風量比較接近,
相差不到1%,各部位風速、風量分布相似。
(3)模型折算風量值與真機計算風量值偏差為
5.1%,真機實際運行時產生的風量能夠滿足冷卻
需要。
(4)發(fā)電電動機上下風道風量分配比例為
57.3%:42.7%,與端部損耗分布相適應。
(5)定子風溝軸向風速分布表現(xiàn)為兩端低、中
圖15轉子靜態(tài)模型試驗研究
間高的規(guī)律,見圖14。
模型上下2個風機分別用于模擬流經磁極端部
300mi
氣流和極間氣流,通過改變2個風機的轉速,可實
 +350 rmin
 400 rimin
現(xiàn)流經磁極極間軸向風量和徑向風量大小和分配
 -450 rmin
比例的調節(jié)。
0481216202428
通過試驗,得到的主要結論包括:
定子風溝編號(自上而下
(1)極間設置擋風板后,流經磁極背部出風孔
圖14定子風溝風速分布
風量、風速會較沒有擋風板增加2倍以上。
(6)端部繞組風速折算至真機為2m/s-7m/s,
(下轉第52頁)
46
方零氣評205.06.2第29卷Vol.29總第114期
件下的抗氣蝕和磨損能力,也可以選擇一次回火,銹鋼的研究,即在13-4鋼基礎上,通過提高Mn含
以提高材料的硬度。但材料的硬度太高,對焊接量并調整熱處理工藝來提高材料的硬度。但目前這
性能不利,因此在具體應用時需根據轉輪的結構2種方案在成分設計和工藝技術上都還不能滿足實
和服役環(huán)境來綜合考慮。
際應用要求,需要進一步研究。
3轉輪材料的繼續(xù)探索
參考文獻:
r-ni-mo馬氏體不銹鋼的出現(xiàn),將水輪機轉【柳偉,等清水和含沙水中2siMn和rl3M鋼的空
輪材料帶入一個新的紀元,為大水電的開發(fā)奠定【2]立3N5M銹鋼鑄件微觀組織的數(shù)值模擬
鋼鐵研究學報,2003,15(4):51-69
電設計開發(fā)的進步。盡管如此,Cr-ni-o馬氏體3]李殿忠,等三峽700MW級水輪機轉輪不銹鋼鑄件材料及
不銹鋼在應用中還是面臨一些問題,其中主要是
熱加工工藝研究與標準化
抗磨蝕問題。雖然比普通碳鋼有了飛躍進步,但【4劉曉婷,鋼的馬氏體相變]西安航空技術高等?？茖W校學
報,2002,20(3):57-59
磨蝕依然存在,導致水電機組在運行數(shù)年左右就[5]歌承偉,等 ZGOCRI3NI4MO馬氏體不銹鋼研制[]物理測
必須對轉輪進行停機修整。因此,進一步提高材
試,1992(4):13-25
料的抗磨蝕能力是今后研究的方向。目前的研究【6]王長娃多泥沙高水頭電站水輪機生產技術措施和材料選擇
集中在2個方面:
].西北水力發(fā)電,2005(1):7-10
(1)表面改性技術。在原有材料基礎上,通過【7]慧仙國外大型混流式轉輪的制造],大型件,199
(21):96-
10
表面改性,例如通過表面噴涂高硬度的耐磨層8]馬熱處理對OC3 3N4 MOMO馬氏體不銹鋼組織和性能的
提高表面硬度,從而提高磨蝕能力。但是表面硬
影響[J]特殊鋼,1995.16(5):19-2
化層與基體的結合強度上目前還不是很令人滿意,【9]馬貴興,等大型水輪機用16NI5MO不銹鋼的性能研
長期沖蝕下存在脫落現(xiàn)象,還需進一步改進。
究[]大電機技術19973):33-40(+47)
(2)基體強化技術。進一步增強材料基體的抗10]馬貴興,等16-5不銹鋼的成分和組織性能及應用,大
磨蝕能力,基本的思路是提高材料的硬度,并保持
電機技術,199):34用
較好的塑形和韌性。目前的研究方向有2個:一
]李新亞,等我國水輪機轉輪用不銹鋼材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨
勢[C],第九屆中國鑄造學術會議論文集,沈陽:東北大學
是16-5PH鋼的研究,在16-5鋼基礎上,添加V和
出版社,1997
N形成沉淀硬化型不銹鋼;另一個是Cr-i-Mn不
→→→→
(上接第47頁)
(2)增加極間擋板后,定子風溝風速軸向分布
均勻性會略有下降,主要是由于增加極間擋風板參考文獻:
后,流經極間中部風量有所增加,導致定子風溝]吳玉林,陳慶光,劉樹紅通風機和壓縮機[M]北京:清
中部風速有所增大,中間高、兩端低分布現(xiàn)象更華大學出版社,201
加明顯。
[2]舜年,大型電機的發(fā)熱與冷卻[M].北京:科學出版社,1992
3]汪小芳水輪發(fā)電機通風系統(tǒng)的風阻網絡解析法[J]浙江水
7結語
利科技,2011(6):21-22
 [4] FLUENT Doc
 ation[ M]. FLUENT Ine 2006
東方電機在某大型發(fā)電電動機通風結構開發(fā)[5]付敏,李偉力,張東,水輪發(fā)電機氣隙內磁場和轉子溫度場
和冷卻系統(tǒng)研究方面所開展的工作,使通風結構
計算[]哈爾濱工業(yè)大學學報,2003,35(9):1131-1132
和冷卻系統(tǒng)較以前有了較大改進與完善。通過這[6孟大偉,周美蘭,郭海訓大型水輪發(fā)電機轉子三維溫度場
些工作,開發(fā)了適應于大型發(fā)電電動機特點的通
計算[]大電機技術。2001(4):5-8
機轉子流
風冷卻系統(tǒng)和轉子磁極繞組特殊冷卻結構,并為(7]路義大型空冷汽輪發(fā)電機轉子流場與溫度場數(shù)值模
后續(xù)更大容量發(fā)電電動機研制奠定了堅實基礎。
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文中所述的通風冷卻系統(tǒng)已成功應用于該8](日)江守一郎模型試驗的理論和應用M],北京:科學出版
社,1984
300MW發(fā)電電動機上,機組通過了滿負荷熱穩(wěn)定9]V、 Kotrba.電機徑向通風溝的氣流和傳熱[J]國外大電機
運行的考驗。試驗結果表明:該發(fā)電電動機通風1992(2)
冷卻系統(tǒng)性能良好。
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