空冷電機設計的新方法

李 芳

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

電機的發熱與冷卻是一種涉及到流體力學、傳熱學、網絡理論、測試技術、電磁學、電機工程等多種學科領域的綜合學科。

空冷電機通風系統設計在過去比較普遍地存在盲目性，常常在成品實驗時才發現溫升過高，即使改進也要付出很大代價，造成浪費。以前在真機上測量冷卻風量、風壓、繞組溫升等與電機輸出功率、轉速等參數的關系，整理出來以后，再將其外推來預測新機型性能。由于時代的發展，用戶要求尺寸減小、效率提高，就必須進一步提高冷卻性能預測精度。隨著電機容量增加，通風冷卻難度就增加。因為電機內冷卻介質的流場處于高紊流狀態，旋渦流動十分復雜，并存在隨機性，很難給出精確的邊界條件。通風系統的計算，理論上可通過求解N-S 方程及流體連續性方程來確定冷卻介質的三維流動情況。由于流動性非常復雜，許多流動現象和機理，至今仍不完全清楚，邊界條件難以確定，無法精確求解此類流程。傳統工程算法包括估算法、圖解法或試探法、網絡法等，通常采用風路圖代替實際通風流道，輔以模擬實驗，歸并風路中各風阻來確定流量和風速，但難以適用于復雜的通風系統。圖解法和試探法都要進行近似和簡化，必然影響到求解精度。網絡法在解決比較復雜的通風系統時有一定優越性，但數學模型復雜，編程計算困難，還要進行簡化處理。

電機工業發展的最大特點是單機容量和尺寸的不斷增加。容量的增加要求電流密度和磁通密度的增加，就受到材料性能的限制。電機功率與其有效長度的4 次方成正比，而電磁損耗卻與該長度的3 次方成正比，電機越大，該損耗的增加變緩。所以電機發展的大型化能夠獲得更高的效率。電磁損耗轉換為焦耳熱量后，由通風冷卻介質通過熱交換帶走。電磁損耗與被帶走的熱量之比，與電機有效長度成正比，當電機增大，長度增加后，損耗與帶走的熱量之比增大，這就要求加強通風冷卻來進一步增大被帶走的熱量。

大型電機通風冷卻的實驗數據很難獲得，只能綜合應用縮小比例的相似模型進行實驗，并用網絡法和三維流體動態數值解析方法，來改善風量分布的均勻性，以便控制溫度，避免溫度過高而影響電機壽命。其主要技術難點是冷卻效果和冷卻均勻性，避免不均勻冷卻導致結構部件熱脹變形或溫升超標。

1 風量的優化

大型凸極同步發電機的傳統設計方法沿襲前蘇模式，把“每極容量”作為衡量和選擇冷卻方式的指標。當該比值低于9 000kVA/極時，采用空冷;超過該比值時必須采用水冷。在與國外合作過程中，發現“每極容量”的界限不能全面反映電機內部熱交換機理，其概念相對模糊。不管水冷、空冷，最根本的是要控制機組溫度。

另一個傳統舊觀念認為通風冷卻的“風量越大越好”，即使很小的機組也加有很多風扇，用來降溫。然而這會導致通風損耗增大、主機效率降低、風量不均等缺點。強化通風冷卻并不等于單方面追求增加風量，而是有效地改善風量分配，使溫度分布均勻，達到限制最高溫度、延長絕緣壽命和發電機壽命的目標。為了增加風量而增加風扇，不能達到預期效果。通過計算和電站實測證明，即使不采用風扇也可以達到冷卻目的，而且效果更好。通風冷卻結構設計不應片面追求大風量，而是合理的適當的總風量，風量分配和風速都要均勻。這種新的設計理念實現了由粗放轉向更精細、更合理、更科學。

2 流態解析法

網絡法是通風冷卻計算的分析工具，它采用等效的風阻和風路;在進行熱分析時，則采用等效熱阻和熱路方法，并通過網絡將它們結合起來。風阻和傳熱系數可從比例相似模型中獲得。通風計算及溫度場分布，必須建立模擬計算網絡，編制計算程序，給出總風量及風量分配，并進行三維溫度場研究，直觀地分析各點溫度分布云圖，以便優化結構設計。采用網絡矩陣法計算可給出總風量、風量分配、通風損耗等參數。采用整體三維有限元結合的方法計算溫度分布，并根據溫度場計算結果調整通風系統結構尺寸。經過反復迭代，最終給出優化方案。采用三維熱網絡計算溫度場時，熱阻則采用有限元和熱路方法計算。如果熱網絡的節點之間有絕緣材料，就不適用熱路法(因其結果誤差較大)，必須采用有限元法。

等效“風路法”是將直流電器回路中的基爾霍夫法則套用于通風冷卻的風路方法，它是目前最廣泛應用的方法，可以掌握風路內的流態，提高冷卻性能的精度。然而該法是以真機或實驗等經驗數據為基礎，其精度不能超出經驗范圍。要想進一步提高精度，只能采用流態解析法。流體動態數值解析法以描述質量守恒、動量守恒、能量守恒的基本方程為基礎，能彌補單憑經驗進行設計時的不足，是優化設計的有效工具，也是網絡法的補充手段，同時也可獨立作為一種工具來計算流體、傳熱、溫度甚至通風損耗，它的解析精度較高。

3 表面散熱

大型電機的損耗、熱量，很少沿軸傳出，絕大部分通過壁面與冷風以熱交換方法傳遞給冷卻器散出。這就要求準確計算表面散熱系數。定子徑向通風溝氣流和傳熱是非常復雜的，旋轉的轉子通風溝槽，會對氣流產生離心力和科里奧力。氣流從轉子流到定子是沒有規律的，它在定子通風溝內構成復雜的熱交換條件。要想準確地給出定子三維溫度場的分布情況，就必須給出其表面散熱系數的精確計算公式。溫度場至關重要，由它可以計算應力場，決定各部件安全可靠性，它也是機組壽命考核的重要指標。溫度場計算的準確性，取決于表面散熱系數的準確性。電機發熱與冷卻技術中的關鍵因素就是散熱系數。特別是定子本體、通風槽、定子端部各面、轉子本體及端部的散熱系數，尤為重要。以定子半齒、半槽、半軸向長度為計算區域，采用三維有限元法計算了定子整體溫度場分布，進行了通風溝的風速和散熱系數以及端部散熱系數的測試，得到了實用曲線，并編入程序。

4 分離渦流動

最重要的設計原則是采取優良的通風冷卻措施，控制電機各部溫升、定子熱變形和熱老化。必須對電磁計算、結構、通風冷卻系統及絕緣系統等進行整體協調設計和優化創新。然而在理論研究方面，國內通常只在“單段”鐵心或線圈端部的局部上，進行有限元溫度場計算，而缺少沿著半軸向進行的完整分析、研究、計算，不能反映電機真實溫度場分布情況。新開發的計算程序解決了這些問題。它以通風槽的實際風速為基礎，進行三維溫度場計算。真機運行結果證明:計算值與實測值相符。

采用密閉雙路無風扇端部回風冷卻系統時，轉子磁軛、磁極就是主要壓力元件，無需設置風扇。由于軸向風量、溫度的分布上下對稱，所以只取半軸向區域即可。這種算法更能反映真實溫度分布情況，而且計算精度很高。它以各部位風速為基礎來計算散熱系數，能真正反映通風系統形式對溫升的影響，只需一次計算即可得到定子沿軸向、徑向、周向真實的溫度分布規律。根據實驗和理論確定的約束條件下的核心技術:(1)應用網絡法計算風速、風量、通風損耗;(2)采用流場計算、模型實驗及多年經驗來綜合確定散熱系數;(3)采用整體三維熱網絡計算溫度分布;(4)采用三維溫度場有限元方法計算局部溫度;(5)根據溫度場計算結果確定結構尺寸;(6)通過實驗來最終確定散熱系數

全空冷技術，除了定子以外，還包括轉子。大型凸極同步電機轉子通常采用成型散熱線匝拉制銅排，其散熱系數國外也只是估算。理論上，通過放熱微分方程、導熱微分方程、運動微分方程、連續性微分方程、初始條件、邊界條件等可聯立求解出散熱系數，但由于對流換熱過程的復雜性，往往難于求解出具體的函數式，即使是數值解也難以做到。轉子勵磁線圈截面為“七邊型”散熱結構，其形狀、尺寸對表面散熱系數影響很大。為得到準確的散熱系數值，就要探討通風系統內部的流動，尤其是分離渦流動機理。采用人工壓縮性方法、隱式近似因子分解格式及代數湍流模型，對轉子極間三維流場進行了數值模擬，給出了以分離渦流動為主的流場特性。通過拍攝的云圖可直觀地反映出散熱匝的速度分布，并將它與實測值進行了對比。實驗驗證結果表明，該算法具有很高的精確性、實用性。

5 相似學理論

由于掌握了大型電機通風冷卻設計的“相似推算法”，便實現了更加精確的逼近到位。按照相似學理論，采用縮小比例(1:5)相似模型進行模擬實驗，對風量、通風損耗和溫度進行測試分析，就可以達到上述目標，獲得結構最優化設計。采用相似模型可以驗證數學建模方法的正確性、通風設計的可行性、改進通風結構的合理性。相似模型設計的核心理論就是相似原理;應用的原則就是相似法則的放寬，保證模型與真機的通風特征和狀態的相似。采用量綱分析方法可以確定相似準則，其目的就是找出各物理量組合成無量綱數的方法。模型實驗的目的是近似地給出真機的物理規律。在轉速為100 ～350r/min 各種工況下進行了測試，結果滿足設計要求。通風損耗與空氣密度有關，測試值與計算值都應考慮到海拔對空氣密度的影響。相似模型的建模有兩種風路結構，即封閉式和開啟式。將數值解析法用于紊流時，需將模型進行離散，并劃分為有限網格，形成封閉式模型，這就可以用于變化的幾何結構，并使其優化。這種解析技術可將損耗、流場和溫度等的計算緊密結合起來，實現共軛傳熱，不需要在熱交換表面固定一個邊界條件，而設定邊界條件就要求給出表面溫度及其熱流量。

6 結語

采用上述通風冷卻設計新技術的龍灘、三峽等發電站的700 MW 全空冷電機已經投運成功、并網發電。它們都實現了總風量適宜、風量分配合理、風速均勻、冷卻效果良好的總體目標，而且機組運行穩定、振動、擺渡、溫升等性能指標均達到規定標準。

“大型電機三維溫度場計算程序”和基于相似學理論的“真機模型實驗驗證優化設計法”的開發、應用，以及世界最大全空冷電機的投運成功，填補了國內空白，打破了國外的高價壟斷，具有突出的經濟效益和社會效益。這種新技術應用于1 000MW 發電機項目上前景廣闊。