汽輪發電機轉子軸向-徑向通風冷卻系統流動特性研究

鄭東平, 胡曉紅, 袁益超

（1. 上海電氣電站技術研究與發展中心, 上海 201612；2. 上海理工大學, 上海 200093）

1 引言

轉子軸向-徑向通風冷卻系統是發電機轉子較常用的內冷方式。軸向-徑向通風是一種主要依靠高壓多級風扇維持氣體流動的通風方式。冷卻氣體由轉子兩端的風道入口進入到轉子軸向風道，經由轉子中部的徑向風道進入氣隙與由勵磁端流入的氣流混合，一起流至發電機汽端。由于軸向-徑向通風冷卻系統結構簡單，在兩級和四極汽輪發電機中都有廣泛的應用，如上海發電機廠開發的二極1000MW級火電發電機轉子以及四極1000MW級核電發電機轉子均采用了該通風系統，相關參數見表1。

大型汽輪發電機轉子由于旋轉的影響使測量極為困難，很難得到精確的結果，同時，實驗研究存在耗資大、周期長等弊端。CFD技術因具有成本低、速度快、可以模擬實驗研究難以實現的工況等優點而被廣泛應用于熱能動力、航空航天、機械等諸多領域。如應用于汽輪發電機中解決冷卻介質的流場分布和溫度分布問題，以實現通風結構的優化[1-3]。本文利用CFD軟件 FLUENT對汽輪發電機轉子軸向-徑向通風系統進行建模，采用RNGkε-湍流模型及多重坐標系對該發電機的氣隙及轉子徑向風道進行數值模擬，得到了汽輪發電機轉子氣隙的流場分布及各風道的流量分配規律。研究結果對汽輪發電機轉子軸向-徑向通風系統的設計及優化具有指導意義。

表1 轉子軸向-徑向通風冷卻系統主要情況

2 物理模型

在轉子軸向-徑向通風系統中，轉子各通風道內冷卻氣體流量的大小取決于轉子風道端部進口與氣隙中部處靜壓差的大小。壓差增大，流量增加，冷卻效果提高。轉子軸向-徑向通風系統因轉子各風道冷卻介質的不斷流入，氣隙中的速度由勵端至汽端是逐漸增大的，而靜壓則逐漸降低，即轉子風道出風口靜壓逐漸降低。同一端轉子進風口處靜壓相等，由此，因氣隙靜壓存在差異，以及各軸向風溝阻力不同，會影響轉子各風道內的流量分配。轉子中部氣隙處靜壓分布對轉子各風道流量分配的影響大小與轉子各風道阻力有關，若轉子風道阻力較大，則氣隙處靜壓分布對其影響較小，反之較大。

本文以四極汽輪電發電機轉子軸向-徑向通風冷卻系統為研究對象。研究對象轉子沿周向布置嵌線槽，如圖1所示。因本文主要研究軸向-徑向通風系統各風道的流量分配特性以及氣隙內的流場情況，所以模型是以轉子槽部嵌線槽建立的，不考慮護環下轉子端部和槽部的流量分配問題，模型如圖2所示。模型中由于轉子風道在高速轉動，所以將其作為旋轉部分建模；氣隙部分則為靜止部分建模。模型共有三種邊界條件：轉子各風道進口為壓力進口邊界；勵端氣隙進口為速度進口邊界；汽端氣隙出口為壓力出口邊界。

圖1 轉子嵌線

圖2 轉子CFD模擬物理模型

3 數學模型

本文在做旋轉模擬時，由于轉子通風道內的冷卻介質隨著轉子本體作旋轉運動，徑向存在加速運動，在直角坐標系下，直接求解很困難。因此，方程求解過程中，把靜止的直角坐標系轉換成以角速度Ω旋轉的相對參考坐標系。在參考坐標系下，旋轉的固體及其邊界處于相對靜止狀態，轉速為零。若流體的絕對速度矢量用u表示，相對速度矢量用ur表示，則在轉動參考坐標系中單相不可壓縮流體穩態流動的控制方程[4]為：

連續方程：

運動方程：

式中：?為散度；ρ為流體密度；?為旋轉角速度矢量；r為轉動坐標系中微元體的位置矢量；p為作用于流體微元體上的靜壓力；τ為因分子粘性作用產生的作用于微元體表面的粘性應力；ρ(2?×ur+?×?×r)為科氏力；F為作用于微元體上的體積力。

對于湍流模型的選取，由于標準kε-模型用于強旋流或帶有彎曲壁面的流動時，計算結果與實際情況相比會出現一定偏差，因此，可以選用重正化群(RNGkε-)湍流模型或雷諾應力方程模型(RSM)。但考慮到對二維問題而言，采用RSM湍流模型意味著要多解3個Reynolds應力微分方程，計算量大，對計算機性能要求高，所以選用RNGkε-湍流模型。RNGkε- 湍流模型通過大尺度運動和修正后的粘度項，體現小尺度的影響，而使這些小尺度運動又系統地從控制方程中去除[5]。RNGkε-湍流模型與標準kε-模型相比主要變化是修正湍動粘度，考慮了流動中的旋轉及渦流的各向異性，從而反映了主流的時均應變率，可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。RNGkε-湍流模型是高Re數湍流計算模型，對于近壁區域應采用壁面函數法或低Re數的kε-模型與主流區的湍流模型銜接，采用標準壁面函數法與主流區銜接。

模型在氣隙內采用結構化四邊形網格，轉子通風道采用非結構化三角形網格，在轉子通風道內網格加密。在數值計算中采用標準kε-兩方程湍流模型，采用有限體積法求解方程。方程離散采用二階迎風格式，采用SIMPLE算法解決壓力與速度的耦合關系。方程求解控制參數相對誤差均為 1×10-3。各參數欠松弛因子為：壓力0.3、速度0.7、湍動耗散率0.6、湍動能耗散率0.8。在上述條件下，方程組采用分離、隱式求解，獲得收斂。

4 CFD模擬結果分析

4.1 轉子風道流量分配

為了便于分析不同情況下轉子軸向-徑向通風冷卻系統的流量分配特性，定義轉子風道流量偏差系數η為：

式中：Qi——第i轉子風道流量；

QA——所有轉子風道平均流量。

本文分別對靜態和動態情況下轉子風道的流動特性進行了模擬。靜態時轉子汽端和勵端各風道流量分布如圖3所示。從圖中可以看出勵端轉子風道的流量由上層至下層逐漸增加，而汽端轉子風道中的流量則逐漸減小。氣隙中的冷卻介質流量隨著轉子風道風量的不斷流入由勵端至汽端逐漸增大，如圖4所示。由此氣隙中的流量由勵端至汽端是逐漸增大的，而靜壓則逐漸減小，即轉子風道出風口靜壓逐漸減小。同一端轉子進風口處靜壓相等，因此，勵端下層風道的壓差驅動要比上層大，其流量大；而對于汽端則正好相反。

從圖3、4中還可以看出汽端轉子各風道流量較勵端大，這是由于流入勵端轉子的氫氣是由定子鐵心背部風道后經勵端轉子護環后流入，由于沿程阻力的作用，壓降較大，而汽端轉子風道的氫氣直接由氫冷器流出，壓降較小；同時由于氣隙中靜壓從勵端至汽端逐漸減小，造成汽端轉子風道進出口靜壓差大于勵端轉子風道進出口靜壓差，由此造成汽端轉子風道流量大于勵端轉子風道流量。

圖3 轉速為0時轉子各風道風速分布

圖4 轉速為0時轉子各風道及氣隙流場分布

動態時轉子汽端和勵端各風道流量分布如圖5所示。從圖中可以看出，動態時流量分布規律與靜態相似。動態情況下由于轉子高速旋轉，轉子各風道在徑向風道處均會產生離心升壓，離心升壓有利于風道中冷卻介質的流動。然而轉子風道中的冷卻介質因受到離心力和科氏力的作用，會形成二次流，二次流則會引起了轉子風道阻力的增加。此外，因離心升壓相對于各風道總壓差及二次流產生的附加阻力相對于總阻力均相對較小。因此，旋轉狀態下轉子風道的流量分配規律與靜態時基本相同。

圖5 轉速為1500r/min時轉子各風道風速分布

4.2 氣隙切向速度分布

四極發電機額定負荷運行時，轉速為1500r/min，此時在沿氣隙軸向不同位置：距勵端 1米處（XL）、轉子中心（XC）、距勵端1米處（XQ）垂直截面的中心線上，氣流切向速度分布見圖6。在勵端（XL），因軸向速度較小，且氣流速度分布均勻。切向速度沿氣隙高度方向近似呈雙曲線型分布。切向速度在轉子表面附近的氣流層中，急劇降低可達50%以上；在氣隙高度徑向方向上，切向速度變化較大的范圍占氣隙高度的5～40%左右，集中在轉子表面附近。與之形成強烈反差的是，定子內圓表面附近的氣流層切向速度在其半徑方向上幾乎保持不變，其數值接近于0。

在轉子中心(XC)及汽端(XQ)的切向速度的分布與勵端則有很大的差別。在轉子中心(XC)，因轉子各風道內冷卻介質垂直流入氣隙內，使得靠近轉子一側切向速度略有增加，隨后才逐漸衰減。在轉子汽端(XQ)，氣流切向速度沿氣隙高度雖也是從最大值變化至0，但其變化減慢，在氣隙中部仍能維持較高值。

圖6 氣隙不同位置處切向速度分布

4.3 氣隙軸向速度分布

在氣隙不同位置的截面上，氣流軸向速度分布如圖 7所示。在勵端（XL），因氣流較均勻，氣隙軸向速度基本沿氣隙截面中心線對稱，大致在氣隙中心高度處達到最大值。此外，還可以明顯看出，除了定子、轉子表面之外，氣流軸向速度沿氣隙高度方向基本不變。在轉子中心(XC)處，因氣隙內的氣流隨著轉子風道不斷流入流量增加，流速增大。且從圖4中可以看出，轉子風道流入氣隙過程中是垂直于軸向流入氣隙的，因此，在此處，氣隙軸向速度沿氣隙高度方向上是逐漸增加的。到了汽端(XQ)，隨著氣流的不斷擴散，氣隙軸向速度漸漸趨于均勻。

圖7 氣隙不同位置處軸向速度分布

5 結論

綜上所述，可得結論如下：

(1) 通過對模擬結果的分析發現，轉子嵌線槽中各匝線棒中的冷卻氣體的流量因氣隙內流場的不均勻會產生流量偏差，且勵端和汽端上下層轉子冷卻風道流量分布規律相反。氣隙內流場的不均勻對轉子各風道流量分配的影響大小與轉子各風道阻力有關，在本文算例中因轉子風道流通截面較小，且風道較長，阻力較大，因此，各風道的流量偏差較小。

(2) 從氣隙內流場結果表明，轉子半軸向通風系統其定、轉子氣隙各段軸向速度和切向速度因轉子風道內冷卻介質不斷流入使其分布非常不均勻。

(3) 采用 RNG k-ε模型模擬汽輪發電機的氣隙流場，其結果符合流體力學基本規律，比較直觀的反應了氣隙中的流場分布，為改進設計提供一定參考。

[1]韓家德，馬賢好，路義萍，等.汽輪發電機轉子徑向空氣流量分布數值計算[J].中國電機工程學報，2007，27(32)：72-16.

[2]Nagano.S，Kitajima.T，Yoshida.K etc. Development of world’s largest hydrogen-cooled turbine generator[J]. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference，2002，（2）SUMMER：657-663.

[3]William R.Mccown，Philip D.Winnie，LONW.Montgomery. Trends in electric generator development[C]. Proceedings of the American Power Conference 1997，Chicago, 857－864.

[4]王福軍. 計算流體動力學分析(第一版)[M]. 北京:清華大學出版社, 2004.

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