基于多場(chǎng)耦合計(jì)算的水輪發(fā)電機(jī)冷卻通風(fēng)特性分析與優(yōu)化.pdf

1、燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)是燈泡貫流式水電站的主體設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)尺寸大、電磁負(fù)荷高等特點(diǎn)，是目前水電站大中型水輪發(fā)電機(jī)的首選。然而，水輪發(fā)電機(jī)發(fā)熱一直是影響水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的一個(gè)主要因素，發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理，能否滿足發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的需要，成為要研究和解決的重點(diǎn)問題之一。
　　本文基于流體力學(xué)與傳熱學(xué)的基本理論，針對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)多場(chǎng)共同作用下的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)開展了理論研究工作。通過對(duì)燈泡貫流式水輪發(fā)電

2、機(jī)軸徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)在冷卻介質(zhì)是空氣的情況下的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，進(jìn)行了全三維數(shù)值模擬及分析，研究了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的各場(chǎng)量分布情況以及耦合相關(guān)性。并探究了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架軸徑向安放角對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架安放位置的變化對(duì)發(fā)電機(jī)軸功率的影響，揭示了轉(zhuǎn)子支架軸徑向安放角變化，冷卻氣體流量變化時(shí)定子和轉(zhuǎn)子及鐵心和繞組上的溫度分布特性。
　　通過對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)軸徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行機(jī)組測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的比較表明，

3、采用熱場(chǎng)（溫度場(chǎng)）、流場(chǎng)之間相互耦合的數(shù)值計(jì)算方法所得結(jié)果是可靠的。同時(shí)研究結(jié)果也揭示了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軸徑向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)在定子及繞組之間通風(fēng)孔間隙處存在有明顯局部高溫的原因。
　　本文提出了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架軸徑向安放角的概念，利用風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，采用基于渦流理論、葉素理論的Wilson方法對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并以MATLAB語言為工具編寫葉片設(shè)計(jì)的計(jì)算程序;為便于葉片加工制造，又對(duì)葉片徑向安放角α與軸向安放角β進(jìn)行修正，輸

4、出各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。
　　通過對(duì)葉片徑向安放角α與軸向安放角β的單相匹配的數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉片軸向安放角β=0°時(shí)，隨著徑向安放角的增加發(fā)電機(jī)內(nèi)部最高溫度有所下降，但數(shù)值較小;當(dāng)葉片徑向安放角α=0°時(shí)，隨著軸向安放角增加，發(fā)電機(jī)內(nèi)部最高溫度有所下降，較僅僅改變徑向安放角時(shí)下降的數(shù)值有所增加，但整體的溫度下降仍然不夠明顯。
　　通過對(duì)葉片徑向安放角α與軸向安放角β的雙向匹配的數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，在不采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)軸徑向支架安放

5、角α=6°，β=6°時(shí)通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)流動(dòng)更為順暢、流場(chǎng)分布更加合理，冷卻介質(zhì)的軸向流速和徑向速度有最佳匹配值。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在相同轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化后徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)使得定子及周圍流體所傳遞與輻射的能量有所減小，最終使得溫度場(chǎng)內(nèi)最高溫度與高溫區(qū)域均有所減小，最高溫度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在通風(fēng)量相同時(shí)降低約15℃-18℃，冷卻效果明顯;而葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)后，發(fā)電機(jī)軸功率的消耗不超過1‰。
　　通過對(duì)最優(yōu)轉(zhuǎn)子支架軸徑向安放角組合方案，非定常模式下多場(chǎng)耦合的研