129MVA全空冷水輪發電機通風系統研究

丁大鵬，李廣德，朱 磊

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱150040)

目前研究全空冷水輪發電機通風系統的手段主要有場路建模計算、真機通風試驗及通風模型模擬試驗［1－3］。越南斯雷博克Ⅲ水輪發電機組是中國對外出口機組，單機容量為129 MVA，本文以這臺機組為例，通過理論計算與真機試驗相結合的方式，對機組通風冷卻系統進行研究，并用試驗結果驗證理論計算的準確性。

1 通風系統簡介

越南斯雷博克Ⅲ水輪發電機組采用雙路徑向無風扇端部回風結構。轉子支架、磁軛、磁極自身旋轉產生風壓，驅動冷卻空氣依次流經轉子支架入口、磁軛間隙、磁極間、氣隙和定子徑向風溝，在定子背部匯集，將發電機損耗熱傳遞給空氣冷卻器，與冷卻器中的冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經定子線圈端部進入轉子支架，從而完成一次密閉自循環過程。

針對這類通風系統特點，設計中需綜合考慮產生風壓頭、沿程風阻及過流面積3個方面。轉子支架尺寸直接影響壓頭的高低，其尺寸選取應在滿足通風系統所需風壓的前提下，以減小壓頭損失為主，避免不必要的風摩損耗。轉子磁軛風溝、風隙尺寸是影響風阻和過流面積的主要因素，在轉子強度允許范圍內，應保證轉子極間有足夠的過流面積。在工程實踐中，可通過調整疊片間隙的寬度來控制極間過流面積，對于較大容量機組還可在轉子磁軛上開徑向風溝來增加過流面積，改變每層疊片片數、疊片串整極還是串半極等手段均能有效改變極間過流面積的大小。

本例中轉子支架重心半徑2.1 m，轉子磁軛采用無徑向風溝，疊片間隙0.14 m，每兩片一疊，串一個整極的疊片方式。

2 通風系統計算

根據斯雷博克Ⅲ水輪發電機組通風系統結構，應用流場模擬軟件FLOWMASTER確定計算網絡，其中包括轉子支架、磁軛、磁極的壓力元件及風阻元件，定子入口、出口風阻元件，冷卻器風阻元件等。賦值計算結果如圖1所示。

圖1 通風系統網絡圖

從圖1中可以看出，總風量Q=63.48 m3/s，上端進風量Q=31.6 m3/s，下端進風量Q=31.9 m3/s，軸向風量分布比較均勻。但在氣隙兩端、極間軸向一些風隙處，漏風現象嚴重(氣隙兩端漏風約16 m3/s，占總風量25%)。為了提高有效風量，需對各漏風處采取有效措施，如安裝旋轉擋風板擋住部分氣隙及磁極軸向，同時在定子上加擋板，保證此處氣隙小于8 mm。另外，為了提高電機效率，可將擋風板伸至支架處擋住磁軛與支架間的縫隙，以使通風損耗有所降低。

通過電磁計算得出機組需冷卻器帶走損耗為1 863.8 kW，按照國家電機設計標準(溫升按28 K計算)計算公式如下:

式中:Q為總風量，m3/s;P為損耗，kW;C為比熱，J/(kg·K);ρ為密度，kg/m3;ΔT 為溫升，K。

計算電機所需風量60.51 m3/s，通風系統設計風量為63.48 m3/s，設計風量留有5%裕量，因此通風系統能夠滿足機組通風冷卻要求。

3 通風損耗計算

通風損耗是發電機運行中由于機組內部流動空氣與定轉子表面摩擦產生的損耗，也叫風摩損耗。通過大量真機試驗數據分析，總結出通風損耗經驗公式為

式中:nN為額定轉速，m/s;DR為轉子外徑，m;Q為總風量，m3/s;C 為常數，C=4.1 ×10－6。

按照式(2)計算，Pv=441.8 kW;nN=125 m/s;DR=10.423 m;Q=63.48 m3/s。

通風損耗約占總損耗23.7%，符合水輪發電機設計要求。

4 真機試驗

4.1 總風量測量

風量測量的目的是判斷電機風量是否與計算值相符。風量測量有多種測量方法，本試驗用“中速風表”測量冷卻器的平均出風速度，此風速值與冷卻器面積及冷卻器個數相乘，即得總風量為Q=v·s·n 。

機組裝備12個冷卻器，單個冷卻器面積約為1.84 m2。發電機空載運行至額定轉速，流場穩定后采用中速風車測取其中6個冷卻器風速，試驗數據如表1所示。

從表1的試驗數據可以看出，機組總風量約為Q'=62.95 m3/s，與設計值 63.48 m3/s僅存在0.83%的偏差，這說明采用上述計算方法對水輪發電機通風系統總風量的計算精度很高，能夠滿足電機設計要求。

表1 風量測試數據

4.2 通風損耗測量

通風損耗測量的原理是在發電機空轉運行至額定轉速，達到熱穩定后，測得冷卻器帶走的損耗即為通風損耗。基于式(1)，冷卻器帶走損耗的測量方法有兩種:一種是測得冷卻器過流總風量和冷卻器前后風溫差;另一種是測量流經冷卻器的冷卻水流量和進出水溫差。因為本試驗已經測得總風量，所以在通風損耗測量試驗中采用了第一種測量方法［4］。

利用電阻法可以方便準確地測量出冷卻器前后的氣體溫度。電阻法是一種利用金屬的電導率隨溫度變化而變化的物理性質測量電機內溫度的一種方法，其阻值與溫度之間的關系為

式中:R1、R2為當溫度分別為 t1、t2時的直流電阻值。

用細銅線繞制尺寸略小于冷卻器的7個電阻網，其中6個作為熱風網，1個作為冷風網，并在相對穩定的環境中測得電阻網初始電阻值，如表2所示。

表2 電阻網初始電阻值溫度值

選取6臺冷卻器作為測量目標，在這6臺冷卻器熱風面安裝6個熱風網，測量熱風面風溫，冷卻器冷風面風溫由冷風網逐一測量。啟動電機空轉至額定轉速達到熱穩定后，對電阻網電阻值進行測量，并由式(3)計算出6個電阻網溫度值，如表3所示。

表3 電阻網測量值及溫度計算值

由式(1)計算求得通風損耗為

其中:Q=62.95 m3/s;C=1 020 J/(kg·K);ρ=1.12 kg/m3;ΔT=(36.41－30.36)=6.05 K。

試驗測得通風損耗Pv與計算所得通風損耗Pv'僅存在0.77%的偏差，這說明采用上述計算方法對水輪發電機通風損耗的計算精度很高，能夠滿足電機設計要求。

5 結論

1)通過建立風路網絡，模擬真機通風系統的方法得出機組總風量為Q=63.48 m3/s，并基于此總風量計算得出通風損耗Pv=441.8 kW。

2)通過對真機通風系統實驗，測得機組總風量Q'=62.95 m3/s，通風損耗Pv'=438.4 kW。

3)兩種方式得出的總風量和通風損耗相差10%以內，充分說明了這兩種分析方法的正確性。

［1］DRIESEN J，BELMANS R J M，HAMEYER K.Finite－Element Modeling of Thermal Contact Resistances and Insulation Layers in ElectricalMachines［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(1):15 －20.

［2］王海鵬，丁樹業，張曉利.大型發電機定子徑向通風溝流體流動特性研究［J］.黑龍江電力，2009，31(6):421 －425.

［3］丁樹業，李偉力，靳慧勇.發電機內部冷卻氣流狀態對定子溫度場的影響［J］.中國電機工程學報，2006，26(3):131 －135.

［4］丁大鵬，李廣德，安志華.抽水蓄能機組溫升與通風系統分析［J］，黑龍江電力，2011，33(3):225 －227.