中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機熱流耦合溫度場數(shù)值模擬研究.pdf

1、開發(fā)和利用低水頭及超低水頭的水力資源，中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機組是最佳的機組型式。由于中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機組受制于安裝空間和結(jié)構(gòu)形式，相較于其它類型的水力發(fā)電機，隨著單機容量的不斷提高，其結(jié)構(gòu)更緊湊，通風(fēng)散熱條件更差，各部件溫升更高，嚴重影響發(fā)電機的正常使用壽命和運行的可靠性。因此，在發(fā)電機設(shè)計、制造過程中，需要準確計算和分析發(fā)電機的溫度場分布。然而，以往在計算發(fā)電機熱源損耗及其內(nèi)部溫度時主要依靠傳統(tǒng)公式和設(shè)計經(jīng)驗，無法準確描述

2、發(fā)電機內(nèi)溫度場分布。本研究以某一型號中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機為研究對象，利用數(shù)值模擬方法，從熱源損耗、多物理耦合場和通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度對發(fā)電機溫度場展開了計算和分析。
　　首先，根據(jù)發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)尺寸生成二維幾何模型；建立了二維電磁場有限元分析模型并確定了發(fā)電機試驗工況和額定工況下的勵磁參數(shù)和邊界條件；利用有限元法分別計算了發(fā)電機定子原結(jié)構(gòu)和兩種改造結(jié)構(gòu)的時均鐵耗分布。
　　其次，根據(jù)傳熱學(xué)、計算流體動力學(xué)以及多物理場

3、耦合理論，建立了發(fā)電機熱流耦合溫度場數(shù)值計算三維模型；以電磁場有限元計算得到的定子時均鐵耗以及UDF編程得到定轉(zhuǎn)子銅耗為熱源，計算了發(fā)電機在試驗工況下的溫度場；結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，驗證了所施加邊界條件的準確性；對額定工況下發(fā)電機的溫度場進行了計算分析并討論了入口冷卻風(fēng)速大小和定子有無軛部通風(fēng)孔對發(fā)電機各部件溫升的影響；對發(fā)電機定子通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)提出了增設(shè)齒部通風(fēng)槽、增大定子線圈截面、適當減少定子軛部通風(fēng)孔的優(yōu)化改進措施并分別進行了數(shù)值計算和

4、數(shù)據(jù)對比分析。
　　最后，基于優(yōu)化設(shè)計理論，運用DOE實驗設(shè)計方法對發(fā)電機定子通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)（定子軛部通風(fēng)孔、定子齒部通風(fēng)槽的大小、位置共四個參數(shù)）進行了優(yōu)化設(shè)計；最終獲得了定子通風(fēng)散熱的結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)，進一步降低了定子線圈最高溫升。
　　論文通過對發(fā)電機熱流耦合溫度場的研究，旨在利用有限元數(shù)值計算方法得到發(fā)電機內(nèi)部的溫度場分布，提高研發(fā)能力。數(shù)值計算結(jié)果與實際測量結(jié)果的對比數(shù)據(jù)表明，利用熱流耦合數(shù)值計算方法得到的發(fā)電機定轉(zhuǎn)