自一里電站定子端部鐵心過熱數值模擬

李家海，李 超，周其彬

（四川華能涪江水電有限責任公司，四川 成都610065）

1 引言

自一里水電站位于四川省平武縣火溪河上，為引水式水電站，廠房內裝有兩臺立軸混流式水輪發電機組，設計水頭445 m，單機容量65 MW，于2006年投產發電。水輪機型號為HL（E）-LJ-215，發電機型號為SF-J65-10/4050，額定轉速600 r/min。自一里電站機組大修清洗定子過程中，發現定子鐵心上下端部有過熱痕跡，為分析發電機過熱原因，采用計算流體力學（CFD）方法對發電機內風道空氣流態進行數值模擬。

2 模型建立

發電機三維模型結構較為復雜，轉子和定子形成的風道繪制難度大，劃分計算域和繪制網格難度大、耗時長，動網格計算迭代工作量極大，普通計算機短期內不可完成。因切向風對通風溝冷卻影響較小，應該重點關注徑向風和軸向風，故采用簡化的二維模型進行計算，將平面劃分為有磁極平面和無磁極平面計算域。采用SOLIDWORK軟件建立1：1比例模型，并根據計算要求簡化。定子鐵心以外線棒和引線壓板之間間隙簡化為2個通風口，定子通風溝自上而下進行編號（1～45號）。發電機上下部視為兩側對稱，取上端進行對稱計算，使用對稱邊界條件，繪制出有磁極平面和無磁極平面計算域，見圖1。

圖1 無磁極平面計算域和有磁極平面計算域（圖中陰影部分）

3 網格劃分

采用ANSYS軟件自帶ICEM劃分網格，網格采用非結構化網格，未使用局部加密。1號和2號通風溝出口局部網格劃分見圖2。

4 計算過程

采用ANSYS軟件自帶Fluent計算，計算域進口采用速度進口，按照設計風量48 m3/s，進風面積2.826 m2計算，進口速度取8.5 m/s。出口采用自然出流。

5 結果分析

圖2 模型局部網格劃分

水輪發電機中的損耗熱，除了極少部分通過大軸傳出，絕大部分都是通過壁面和冷空氣之間的熱交換傳遞給冷空氣，再由空氣冷卻器將熱量散出。散熱系數在工程中認為主要和空氣流動的速度有關。散熱系數經驗公式：

式中：α為表面散熱系數，單位W/（m2K），ws為表面風速，單位m/s。

據此公式可通過對定子各部空氣流速的分析了解其散熱狀況。利用Tecplot數據后處理工具，對重點關注的通風口通風情況進行分析，主要對風速和風壓進行分析。

（1）有磁極平面計算域

X方向風速見圖3。

圖3 X方向風速

由圖5可知：定子1號和2號通風溝X方向風速數值為負值，存在空氣回流現象，因計算采用對稱邊界條件，故可知定子1號、2號、44號和45號通風溝均存在回流現象，回流風為熱風，表面冷卻效果差；定子中部通風溝X方向風速較大，且為正值，通風溝表面散熱系數大，冷卻效果好。

根據計算結果，對1～5號通風溝進出口進行重點分析。

1～5號通風溝進口風速見圖4。

圖4 1～5號通風溝進口風速分布

由圖4可知：1～5號通風溝存在較為嚴重的回流現象，呈現從1～5號回流風速越來越小的趨勢，1～2號通風溝回流現象特別嚴重，從6號開始不再回流，由對稱性可得41～45號通風溝風速分布情況；6～40號通風溝風向正常，全為+X方向。

定子端部通風溝出口風速見圖5和圖6。

圖5 1～11號通風溝出口空氣流態（除隔板外白色為渦流中心）

由圖5和圖6可知：1～11通風溝出口端空氣流態紊亂，有多個渦流。最大渦流在1～5號通風溝出口處，中心為圖7中上部白色區域，旋轉方向為逆時針方向。1～5號通風溝出口正好與渦流旋轉方向相反，且回流風速受渦流在-X方向的風速分量大小影響而從上到下依次減小。

圖6 1～2號通風溝出口風速分布

通過定子鐵心以外線棒和引線風道出口風速分布見圖7。

圖7 通過定子鐵心以外線棒和引線風道出口風速分布

由圖7可知：通過定子鐵心以外線棒和引線風道出風口風向為+X方向，該層無風流向下一層的風道。

（2）無磁極平面計算域

無磁極平面計算域風壓分布、X方向風速分布和Y方向風速分布分別見圖8、圖9和圖10。

由圖8～圖10可知：無磁極平面計算域風壓和風速分布較為均衡，滿足發電機冷卻要求。

通過以上對有磁極計算域和無磁極計算域的分析可知：有磁極區域1～5號通風溝進口壓力低，出口存在嚴重渦流是導致1～5號通風溝發生回流的主要原因。形成渦流的主要原因是空氣間隙中部和兩端壓力分布差異較大，各通風溝出口風速差異較大，且在通風溝出口端過風面積發生改變時風向呈發散態勢，各通風溝出口風發生撞擊形成多個渦流。

圖8 風壓分布

圖9 X方向風速分布

圖10 Y方向風速分布

6 真機通風試驗情況

為進一步確定發電機定子端部過熱的原因，組織專業廠家對機組進行真機通風試驗。真機通風試驗結論：發電機在額定轉速運行，測得發電機冷卻總風量為74.78 m3/s，上風道進風量測量值為41.42 m3/s，下風道進風量測量值為39.31 m3/s，上下風道流態均較為紊亂；定子通風溝均勻布置15個測點所測風速不均勻，且沒有規律性。

數值模擬和真機通風試驗的結果高度吻合，趨勢一致，進一步論證了發電機定子內部風量分布不均勻，風速差異大，流態較為紊亂。

7 結論

定子端部通風空氣流態紊亂，定子通風溝存在較為嚴重的風量分布不均勻、流態紊亂現象，導致定子端部鐵心冷卻未達到預期效果，是造成定子上下端部鐵心過熱的主要原因之一。