空冷汽輪發電機轉子溫度分布

2018-03-24 10:08:48王芳崔璐璐徐洪祥

哈爾濱理工大學學報 2018年1期

王芳　崔璐璐　徐洪祥

摘要：為了研究汽輪發電機轉子溫度分布情況，以某型空冷汽輪發電機轉子為研究對象，建立三維物理模型。依據CFD原理，利用合理的基本假設和邊界條件，對轉子內冷卻介質和固體部件的溫度場進行數值求解，分析轉子的溫度分布。計算結果表明轉子線圈溫度最高達到了102℃，位于轉子直線段的端部，沒有超過溫度限制；轉子線圈整體平均溫度為88.0℃，廠方試驗值為87.5℃，誤差為0.57%，所得結果為汽輪發電機的安全運行提供保障。

關鍵詞：汽輪發電機；空冷；轉子；溫度分布

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.003

中圖分類號： TM311

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0013-05

Abstract：In order to study the temperature distribution of the turbogenerator rotor， an aircooling turbogenerator rotor is aimed as the research object， and a threedimensional model of the rotor is established. According to the principle of CFD， basic assumptions and boundary conditions are selected， temperature field of cooling medium and solid part in rotor is solved numerically， and the temperature field distribution law of rotor is analyzed. The calculation results show that the highest temperature of the rotor winding temperature reached 102℃ which is at the end of the rotor line segment， and does not exceed the temperature limit. The wholer rotor winding draw temperature is 88.0℃ and the manufacturer test value is 87.5℃， the error is 0.57% compared with the generator for test data provided by the manufacturer， which guarantees the safe operation of turbogenerator.

Keywords：turbogenerator；aircooling；rotor；temperature distribution

0引言

隨著社會發展進程的逐步加快，對電力的需求與日俱增，對空冷汽輪發電機的需求不斷上升。汽輪發電機轉子溫升直接關系到機組的性能和經濟指標，同時還影響發電機的壽命和運行的可靠性。汽輪發電機轉子溫升計算是汽輪發電機設計的最主要內容之一 [1-5]。

本文以某型空冷汽輪發電機轉子作為研究對象，對電機轉子冷卻介質和各固體部件的溫度場進行研究。根據CFD原理 [6-7] ，建立轉子結構的物理模型和數學模型，選擇合理的基本假設和邊界條件，在3000r/min的穩定工況下，應用Fluent軟件對轉子溫度場進行計算 [8] ，根據以上各計算結果，著重分析了轉子內流體的溫度分布規律和主要固體部件銅線圈、絕緣、槽楔的溫度分布規律?？己送L系統的散熱能力，保證機組安全可靠運行。

1通風系統和物理模型

轉子采用軸徑向通風，冷空氣在發電機高壓風扇加壓后進入到轉子端部線圈下的氣室，分成兩個風路，一路進入副槽，冷卻空氣在副槽流動的過程中在流進轉子各個徑向風道，最后進入氣隙；另一路在轉子端部線棒的軸向進風口和端部進風口進入轉子線圈內部風道，其中一部分沿著軸向線圈內部風道流動進入轉子徑向風道，一部分沿著線圈內部風道流向轉子曲段，最后經轉子端部線圈下部的風道進入氣隙。

該汽輪發電機轉子有32個槽，沿周向對稱分布分為四組，每一組放置編號為1～8的8個不同的轉子線圈。由于電機左右對稱，選取風阻最大，冷卻效果不好的8號轉子槽的一半作為三維物理模型和分析對象。轉子溫度場計算模型如圖1所示。

圖1溫度場求解物理模型

2數學模型

電機內的流體視為不可壓縮流體，流體的流動處于湍流狀態。流動要受到質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制約，湍流控制方程采用k-ε兩方程模型 [9-10] 。

（ρφ）t+div（ρUφ）=div（Γgradφ）+Sφ

式中：φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量；Γ為廣義擴散系數；Sφ為廣義源項。

3基本假設和邊界條件

3.1基本假設

1）忽略重力和浮力對流體的影響；

2）轉子內流體為定常流動狀態；

3）轉子內流體作為不可壓縮流體處理；

4）流體的雷諾數很大，采用湍流模型求解；

5）線圈主絕緣、層間絕緣各自的材料物性均相同；

6）電機內各固體部件之間完全接觸，熱源密度按照損耗平均分布考慮。

3.2邊界條件

1）材料物性參數為常數，其中匝間絕緣材料、銅繞組、槽楔、轉子鐵心、護環的熱導率λ數值分別為0.3、387.6、202.4、31.8、44，單位均為W/（m·K）；

2）風扇的入口表壓為5000Pa，入口空氣溫度50℃。由于冷卻空氣在轉子內部的平均溫度接近65℃，所以定義此溫度下空氣物性，65℃時空氣密度密度ρ=1.045kg/m3，定壓比熱cp=1007J/（kg·K），熱導率λ=0.0293W/（m·K），動力粘度η=2.03×10-5kg/（m·s）；

3）根據廠方提供的發電機損耗數據，經過計算得到轉子銅熱源強度為q=284927W/m3，轉子鐵心熱源強度為q=65137W/m3；

4）方程組采用分離、隱式求解，針對旋轉流動，轉速為3000r/min，旋轉方向為汽端逆時針，壓力速度耦合選用SIMPLEC算法，方程離散采用二階迎風格式。

4求解結果及分析

4.1轉子內流體溫度分布特性

空氣經過高壓風扇的加壓后進入到汽輪發電機的內部，與發電機內部發熱部件進行熱量交換，冷卻介質溫度分布直接影響著發熱部件的溫度分布。所建立的8號轉子槽模型共有25個完整徑向風溝和一個半個風溝，分別對徑向風溝進行編號為1～26號，1～3號徑向風溝內的空氣是流自12個轉子軸向風溝，4～26號徑向風溝的冷空氣是來自副槽。

圖2為轉子徑向風道及副槽溫度分布。空氣最低溫度為51.7℃，最高溫度為102℃。冷空氣入口溫度為50℃，冷空氣在流經轉子端部氣室進入副槽的過程中，被轉子最下層的端部線圈和曲段線圈加熱，因此在到達副槽入口時，溫度略有升高，副槽內的空氣在沿軸向運動的過程中不斷的被兩側的轉子鐵心和墊條加熱，在到達副槽盡頭時，槽內的空氣溫度已經升高到68.6℃。從4、12、19、24號徑向風道放大圖可以看出進入徑向風道內的空氣溫度也在不斷的升高，同時因為副槽內空氣流速的降低，使得渦旋的范圍逐漸的減小，徑向風道內空氣的溫度分布更加均勻；1～3號轉子徑向風道內的空氣是流自12個軸向進風口，冷空氣從高壓風扇流入到軸向進風口的過程中會有摩擦生熱和被一些發熱部件的加熱，所以1～3號徑向通風道內空氣的溫度要高于4～26號，

最高溫度102 ℃出現在2號徑向通風道內。

圖3顯示的是軸向通風段的空氣溫度分布，1～3號轉子徑向風道內的空氣是流自12個軸向進風口，冷空氣從高壓風扇流入到軸向進風口的過程中會有摩擦生熱，也會被一些發熱部件加熱，致使進入軸向進風口的最低空氣溫度達到了52.4℃；如圖 4是12個軸向進風口平均溫度分布，從溫度分布上看，進口溫度是先升高，再降低，在12軸向進風口所處氣室由于電機結構和空氣流速的因素形成了一個渦旋，渦旋的產生使得空氣不能及時的進入風道而滯留在渦旋中，使得整體的空氣進入量降低，因此渦旋中心區空氣溫度高，沿著半徑的增大，溫度逐漸降低，4號和5號軸向進風口正處于渦旋中心附近，因此進口空氣溫度最高達到了63℃左右。

圖5為轉子曲段風道內空氣溫度分布。冷空氣在風道內運動的過程中不斷的與線圈發生熱交換使得空氣的溫度不斷的升高，由于線圈處于轉子端部，距離風扇入口很近，轉子端部風室的空氣溫度都很低，因此對端部線圈冷卻的效果比較好；線圈的冷卻主要靠風道內的空氣冷卻，冷卻效果不好，線圈的冷卻主要靠風道內的空氣冷卻，因此線圈的溫度較高，線圈內的空氣溫度也隨之升高，空氣的最高溫度為99.6℃，處于轉子曲段的端部。

圖6是轉子端部風室的溫度分布，由于距離風扇入口很近，空氣的最低溫度和入口的邊界條件接近為50.1℃，最高溫度在端部出風口附近的氣室內為97.0℃；軸向進風口和端部進風口所在部分的風區產生了兩個旋轉方向相同的渦旋，渦旋中心的域因為流動不暢，形成了一個高溫區達到了72.5℃，明顯高于渦旋外圍的空氣溫度，12個軸向進風口縱向排列正好貫穿這個渦流，12個端部進風口縱向排列處于渦旋的邊緣，因此軸向進風口進風溫度沒有端部進風口進風溫度相對均勻；氣室的其余空氣流通不好的地方溫度也比較高；端部出風口所處的氣室與風扇后的氣室不相同，內部產生的熱量主要靠轉子線圈內的冷空氣換熱帶走，因此整體的溫度較高，氣室內的最高溫度也是在這里。外部冷卻氣室內的空氣沒有軸向進風口和端部進風口所在氣室流動狀態好，處于這部分空氣與轉子固體部分的相對流速低，因此轉子線圈產生的熱量不能被及時的傳遞出去，處于外部冷卻氣室的轉子線圈溫度較高，同時也把與之接觸的空氣溫度加熱到比較高。

4.2轉子內主要固體部件溫度分布特性

汽輪發電機轉子發熱部件主要有線圈和鐵心，其他主要結構如槽楔、絕緣是不發熱的，但是受到發熱部件的影響，它們也有一定程度溫度的升高，溫升會直接影響發電機內部各個部件的機械性能。

轉子線圈是發電機內溫升較高的部件，該汽輪發電機轉子每個槽有12層轉子線圈，每層線圈之間有絕緣分隔，如圖7為模型轉子線圈溫度分布。

轉子曲段線圈與冷空氣接觸的壁面導熱良好，同時線圈內部還有從端部進風口流入的低溫空氣，在內外雙重散熱的情況下，轉子曲段線圈的整體溫度比較低，在80℃左右；轉子端部最上層與護環接觸，護環本身并不發熱，溫度較低，因此線圈的熱量傳導給護環，溫度進一步降低，最低達到了58.4℃；端部出風口附近的線圈所處的氣室與風扇后氣室并不相通，氣室內的空氣是從端部出風口流出的空氣，溫度較高，線圈溫度升高達到了99.6℃；轉子線圈最高溫度為102℃，在轉子直線段的端部，即1～3號徑向風道處，冷空氣從軸向進風口流入到線圈內部風道，由于形成了渦旋，致使進入12個線圈內的空氣流量不均勻，空氣量變少，經過軸向線圈的加熱，使得進入1～3號徑向風道時空氣溫度比較高，線圈的升溫幅度明顯高于其他部分的線圈；4～26號徑向風道內冷空氣是來自副槽，空氣的溫度較低，一般在93.2～97.6℃之間；轉子線圈整體的平均溫度為88.0℃，工廠試驗值為87.5℃，誤差為0.57%，說明模擬計算結果是比較準確的。

在發電機等電氣設備中，絕緣材料是最為薄弱的環節。絕緣材料尤其容易受到高溫的影響而加速老化并損壞。本模型的發電機采用是F級絕緣等級，允許的工作溫度為155℃，圖8是轉子絕緣溫度分布，溫度最低為51.9℃，位置在下側軸向經風口，此處與進入線棒內的冷空氣直接接觸進行熱量交換，因此此處絕緣的溫度與冷空氣的溫度是相同的；絕緣的最高溫度也出現在1～3號轉子徑向風道附近，達到了102℃，沒有超過F級絕緣允許工作的范圍；曲段線圈的最高溫度出現在端部出風口附近，溫度達到98.8℃；徑向風道附近的絕緣由于直接受到空氣的冷卻，溫度略低，范圍在76.8～81.8℃，中間部分絕緣的溫度較高，轉子絕緣整體的平均溫度為87.4℃。

圖9是轉子槽楔溫度分布，槽楔位于轉子墊條上面，直接接觸氣隙，槽楔本身并沒有損耗的產生，熱量的來源主要是墊條和轉子鐵心，槽楔的材料是鋁，導熱系數相對較好，因此它的溫度分布受氣隙內冷空氣溫度分布影響很大，從圖9中可以看出槽楔的溫度分布在徑向方向上沒有什么梯度變化，而在軸向方向上梯度分布很明顯，最高溫度出現在槽楔的端部達到了84.4℃，槽楔整體的平均溫度為80.8℃[11]。

5結論

1）轉子徑向風道內流體的溫升趨于均勻，1～3號轉子徑向風道內空氣溫度較高，最高溫度102℃出現在2號徑向通風道內。

2）轉子曲段線圈的整體溫度比較低，在80℃左右；端部出風口附近的線圈溫度較高，達到了99.6℃；轉子線圈最高溫度為102℃，在轉子直線段的端部；線圈整體的平均溫度為88.0℃，工廠試驗值為87.5℃，誤差為0.57%，模擬計算結果較準確。

3）絕緣的最高溫度為120℃，絕緣采用F級絕緣，工作溫度為155℃以下，因此絕緣沒有超溫。

參考文獻：

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