發電機定子水冷穩態的仿真分析

董韶峰,張少鋒,李蔭堂,彭惠蘭

(1.華北水利水電學院環境與市政工程學院,鄭州 450011;2.河南省電力科學研究院,鄭州 450052; 3.西安交通大學環境工程系,西安 710049;4.廣州航海高等專科學校,廣州 510330)

汽輪發電機定子冷卻設備是發電機的主要輔助設備之一,其冷卻效果是整個發電機安全、可靠運行的重要保障。在運行過程中冷卻水系統因堵塞造成設備升溫的事故時有發生,如果能夠預測設備在各種條件下的溫度分布,就可以在故障發生時及時做出準確的診斷,進行正確的事故處理。目前,相關的研究工作很多[1-2],本文主要討論內熱源和內孔堵塞對三維溫度場的影響。

1 仿真模型

1.1 物理模型

整個冷卻設備由三部分組成,圖1是其橫截面圖,冷卻水流經銅塊內部孔洞,所有銅塊均屬有內熱源發熱元件,銅塊外部由絕緣材料環氧粉云母包圍。橫截面縱向長約10 m。

對于圖1給出的物理模型進行以下假設:忽略銅塊之間的接觸熱阻,即認為整個銅塊區是連續的;忽略銅塊與云母間的接觸熱阻,即認為兩者是緊密接觸的;假定云母是各向同性的導熱材料;假定各種材料的物性不隨溫度改變;忽略外部散熱,即所有銅塊產生的熱量全部由冷卻水帶走。

圖1 橫截面實物圖

考慮到問題的對稱性,可以把上述物理模型的求解限定在圖2所示的區域,該求解區域橫截面總尺寸為91mm×26mm,內孔尺寸為2 mm× 5mm,內孔錯列縱橫中心間距分別為9mm和10 mm,絕緣層厚度為8 mm,總長為10 m。

圖2 物理模型圖

1.2 數學模型[3]

銅塊區域:

云母區域:

冷卻水區域:

式中:λcop——銅的導熱系數,W/(m·K);λmica——云母的導熱系數,W/(m·K);mf——水的質量流量,kg/s;cf——水的熱容,J/(g·K);A——銅塊的橫截面積,m2;l——管長,m;T——溫度,K;qv——銅塊內熱源強度,kW/m3。

1.3 邊界條件

out,out left和out right為絕熱邊界條件,即λ=d T/d n=0。Inter,inter left,inter right為耦合邊界條件,即界面兩側熱流量相等。

IN1—IN 14內部為冷卻水,按下式處理:

采用考慮入口效應的處理方法,表面傳熱系數h沿水流方向是不斷變化的[4]。

另外,也考慮了長期運行后水垢系數的影響,水垢系數R f取0.0004(m2·K)/W[5]。

2 計算方法

由于本算例是一個在計算范圍數量級上相差較大的三維問題,故需要把截面上的網格處理成細密網格(1 mm),而沿流動方向的網格劃分相對粗大(0.5m)。選取的物性參數如表1所示[6]。

表1 物性參數

設通過截面的水流流速:u=L/(60nab)

設小孔的當量直徑:d e=(4ab/(2(a+b))

式中:L——水流通過截面的流量,取7.5 L/m in;n——截面積上矩形小孔數,取28;a——矩形小孔的長,取5 mm; b——矩形小孔的寬,取2 mm。

可以得到u為0.446 m/s;d e為0.00286m。當水的黏度υf為0.556×10-6m2/s時,得到Re為2294,可以認為小孔內的流動為層流。

3 計算結果及分析

3.1 溫度場的分布

由于本文討論的是穩態問題,每個微元體的發熱量全部由內部冷卻水帶走,上游截面不向下游截面傳熱,所以z方向上不同截面溫度分布類似,只是數值區間不同而已,現以出口端面,長取10m截面上的溫度分布為例討論,參見圖3。

圖3 出口端面溫度場比較均勻

從圖3可以看出,盡管該截面各處溫度分布有差異,但是溫差小于1 K,在工程上可以忽略。截面溫度場比較均勻的主要原因,是銅塊區導熱系數和熱擴散率比較大的緣故,雖然外部絕緣材料導熱系數較小,但厚度相對較小。

3.2 堵塞的影響

圖4給出的是絕緣層外表面水平中心線上的溫度T沿z的變化規律,其中內部冷卻水的流速為0.446m/s,進口水溫為300 K,在14個內冷卻孔全通、IN1堵塞(堵1)、IN1和IN2堵塞(堵2), IN1—IN3堵塞(堵3)、IN1—IN4(堵4)情況下外表面上溫度的變化。

圖4 冷卻水為0.446m/s時絕緣外層水平中心線上溫度隨長度z的變化

從圖4可以看出,1個孔堵塞將會使出口截面溫度升高2～3℃,而且堵塞個數越多,溫升越高,說明各個堵塞孔之間會造成對溫升的協同效應。

為了研究冷卻水流速對堵塞效應的影響,把流速降到0.3568 m/s,其他條件不變,溫度變化規律如圖5所示,堵塞個數對溫升影響規律與圖4類似,但是流速低時每個孔堵塞將會導致出口端面最高溫度升高3～4℃。堵塞后溫度場的分布將發生變化,靠近堵塞孔處的溫度將比較高,堵塞孔的位置決定了截面溫度分布。

圖5 冷卻水為0.3568m/s時絕緣外層水平中心線上溫度隨長度z的變化

當堵塞孔位置比較分散時,堵塞造成的溫升效果沒有集中時顯著。但是,由于銅的導熱系數較高,截面的溫度差異并不大,見圖6。

圖6 堵塞IN 1和IN 2孔時出口端面的溫度分布

圖中給出的是冷卻水進口速度0.3568m/s, IN1和IN2堵塞時的出口端面的溫度分布。

3.3 內熱源強度的影響

作為內部冷卻介質的水,平均溫度沿流動方向的變化:

任意截面的能量守恒方程為:

式中:Tf——沿流動方向截面處的流體平均溫度,K; mf——冷卻水的質量流量,kg/s;L——z截面處的銅塊與水接觸的周長,m;Ts——z橫截面上銅塊與水交界面的溫度,K。

通過分析內熱源強度的變化對溫度分布的影響關系,計算內熱源強度q v為432.5 kW/m3,以及1.1～1.5倍q v流量時的溫度變化,結果見圖7。

圖7給出了絕緣外層水平中心線上的溫度變化計算結果,該處溫度沿流動方向的升高斜率,與內熱源強度大致成正比關系。

圖7 內熱源對絕緣外層水平中心線上溫度變化的影響

4 結論

(1)通過分析計算結果,表明流速或者冷卻水流量對絕緣層溫度影響較大,內熱源強度是造成溫度升高的關鍵參數。

(2)冷卻水流經銅塊內部孔洞遇堵塞,會造成定子溫度升高,超出設計值,堵塞個數越多,流速越慢,導致溫升加劇。

(3)計算結果同實際運行效果會存在一定的偏差,其原因是假設中忽略了各個銅塊之間的接觸熱阻。今后可以把這部分內容突出處理,以便得到更接近工程實際的解。

[1] 劉明軍,趙之軍,朱其遠.汽輪發電機定子冷卻水冷卻器的技術改造[J].動力工程,2001,21(1):19-21.

[2] 李和明,李俊卿.汽輪發電機定子冷卻水路堵塞時的溫度場分析與計算[J].中國電機工程學報.2005,25(21):163-168.

[3] 陶文銓.數值傳熱學(第二版)[M].西安:西安交通大學出版社,2001.

[4] 董韶峰,李蔭堂.常熱流密度矩形管內層流對流換熱系數的數值計算[J].能源技術,2010,31(4):70-72.

[5] 章熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2001.

[6] 張 通,饒保林.云母帶粘合劑導熱系數的研究[J].絕緣材料,2007,40(5):8-9.