全空冷汽轮发电机通风冷却研究

1、全空冷汽轮发电机通风冷却研究摘要:介绍了东方电机在系列大型全冷汽轮发电机开发中所进行的通风冷却计算分析和试验研究工作.对通风系统研究的各种方法进行了介绍,对全空冷汽轮发电机通风冷却的要点和结构特点进行简要介绍.关键词:全空冷汽轮发电机;通风冷却;网络分析;cfd分析;模型试验;真机试验中图分类号:tm311;tm3014文献标识码:a文章编号:10019006(2008)o卜000108studyonventilationsystemoffullair.coolingsteam-turbo-generatorl/a0yi-gang,houxiao?quart(dongfangelectrica

2、lmachineryco.,ltd,618000,deyang,sichuan,china)abstract:thispaperintroducesthecalculationandmodeltestofthecoolingsystemoflargefullair?coolingsteam-?turbogeneratorindfem.themainstructurecharacteristicsoftheventilationsystemisdescribedbriefly.keywords:aircoolingsteam?turbogenerator;ventilation;networka

3、nalysis;cfd?analysis;modeltest;sitetest目前,主流的汽轮发电机冷却方式种类较多,从冷却介质分主要有水氢氢,全氢冷,双水内冷及全空冷等.从定子通风结构分又有单风区,多风区,正向通风与逆向通风等不同结构,而转子绕组内冷通风结构则有气隙取气斜流通风,附槽进风的轴一径向混合通风,附槽进风的全径向通风等方式,励磁绕组端部的冷却又分为轴向内冷,轴向+补风(所谓一路半通风),绕组间外冷(采用隔块形成风路)等方式.具体产品设计时需根据产品容量,电压等级,转速,绝缘等级及用户特殊要求等因素综合考虑其冷却方式的选择.相对于水轮发电机,汽轮发电机由于其体积空间狭小,体积能量密度

4、更高,冷却条件更加恶劣,对冷却系统的分析研究要求也更高.对于一个自主开发的新产品,其冷却结构能否满足发电机安全运行的需要,是否能将发电机各发热部分(主要指定,转子绕组及定子铁心)的温度控制在合理范围内,一直是设计者和研发人员关心的焦点之一.因此,在产品设计阶段,通过合理运用传统的或现代的,计算的或试验的,或通过对已经运行产品的实际运行数据来直接或间接预测和验证正在开发的产品冷却结构的合理性,是一项难度高,工作量大的研究工作.特别是对于流动与传热问题的研究,由于理论本身的局限性,注定了必须进行大量的试验和计算相结合的研究工作.东方电机全空冷汽轮发电机系列产品通风冷却技术研究正是这样一种多重手段交

5、叉运用的典型例子.它既采用有最传统的风路,热路计算方法,也有静态模型和动态模型的实验室研究和对电站运行中产品的真机实测.2000年以后,更引进了当今最前沿的流体与传热的数值仿真技术.这些研究工作在不同时期,对不同产品的开发设计工作提供了有力的支持.同时,也不断地积累数据,为下一次更大容量的产品开发建立了更高的平台.1冷却原理及典型通风结构赫1.1空冷汽轮发电机中的热传递收稿日期:200711-10作者简介:廖毅刚(1963一),男,1983毕业于湖南大学电机专业,东方电机有限公司研究实验中心主任工程师,教授级高级工程师.长期从事各类电机的通风冷却研究工作,先后主持过700mw级水轮发电机通风系

6、统研究,大型空冷汽轮发电机,大型贯流式水轮发电机等工作.汽轮发电机作为机电能量转换的装置,在不大的空间内进行着巨量的能量转换.在发电机内,由汽轮机输送过来的机械能98%以上转换成电能(假定发电机效率为98%),剩余2%的能量则以热的形式驻留在发电机内部,我们称其为损耗.发电机损耗的表现形式为疋,转子绕组和铁心及部分金属结构温度升高,当温度升高到一定程度首先将危及到绝缘材料的安全,进而危及金属结构件的安全,发电机将无法安全运行.发电机通风系统的主要作用就是疏导这部分损耗到发电机外部,即以不断循环的流动空气作为载体,将发电机各部分产生的损耗吸收到空气中,循环空气将损耗带至空气冷却器,将热能传递给二

7、次循环水,最终由水把热能带出发电机外,这样就完成了一个完整的冷却过程(见图1).图2为定子采用单风区结构,转子径向通风结构空冷汽轮发电机通风结构示意图.2发电饥空冷系统图1发电机内的损耗及其疏导图2定子单风区,转子全径向通风结构发电机通风系统1.2三风区通风结构发电机通风原理简述采用定子三风区通风结构的空冷汽轮发电机见图3.发电机定子铁心分为三个风区,其中二风区处于定子中段,为进风区;一,风区处于定子两端,为出风区.发电机内的冷却空气由安装在轴两端的轴流式风扇来驱动循环.空气经过风扇加压后主要分为两路,一路经过气隙进入一,三风区的定子铁心风沟,冷却一,三风区铁心后通过机座进入冷却器;另一路气体

8、吹拂定子端部线圈后通过引风筒进入二风区铁心风沟,冷却二风区铁心后进人气隙,经气隙进入一,三风区定子铁心风沟,与从两端气隙进入的空气一道冷却一,三风区铁心后通过机座进入冷却器.此外,还有一小部分气体在进入气隙之前,直接进入定子两端的边段铁心风沟后再进入冷却器.图3定子三风区结构,转子轴向通风发电机通风系统转子线圈采用带附槽的空气内冷方式,所谓内冷就是在转子线圈内开有通风道,发电机运行时,冷却空气在这些通风道内流动,直接与线圈铜线接触进行热交换,带走线圈内产生的热量.转子线圈的内冷风道分为两部分:槽部直线部分和端部部分.空气在转子径向风道离心风扇作用和两端轴流风扇的共同驱动下进入转子护环下,其中一

9、部分进入端部线圈内冷风道,并沿着线圈内风道流动到转子本体相对于定子一,三风区的位置,通过径向出风孔排至气隙;另一部分进入转子本体槽下方的附槽,通过附槽上的径向通风道将气体引至转子线圈的直线部分,气体沿轴向流过一定距离后,再由径向出风道排至气隙,空气在轴向和径向流动过程中,与铜线进行热交换,完成转子绕组的冷却过程.1.3发电机内主要传热方式在发电机内的传热主要有两种形式:热传导与对流换热.前者主要指固体之问,后者主要指气一固之间.对于两种传热形式,可以按以下规律进行描述:对流换热能力主要与气一固两相问的接触面积,气固两相平均温差和表面散热系数相关,其中表面散热系数与传热表面的几何特征(形状,粗糙

10、度等),气体物理特性和表面气体流动情况等因素有关,发电机内部的空气流量,流速分布直接影响到表面散热系数大小进而影响传热效果:p=a?s?at式中:卜换热量,w;一固体表面换热系数,w/m?k;5一表面散热面积,m;一固体与气体接触面的固一气温差,k.热传导则与传热路径物质的热传导系数,传热路径长度,传热路径横截面积和路径两端温差相关:p=式中:尸l_换热量,w;a一固体热传导系数,w/m?k;5一传热路径横截面积,m;,j一传热路径长度;一固体传热路径上的温差,k.通风冷却研究目的是在发电机内热源确定的情况下通过运用计算与试验的手段掌握发电机内冷却介质的流量,流速,压力及其分布,并分析冷却介质

11、与发电机发热部件的耦合热交换情况,以便在产品的设计阶段对冷却系统进行合理设计和优化,确保产品开发成功.2通风系统网络计算这是一种简单快捷的发电机通风计算方法,广泛地应用于各种电机的通风系统计算.国内外主要的发电机制造厂大多采用这种计算方法进行常规通风计算.计算时将整个发电机通风系统看成一组互相关联的流体通道,并用风阻来代替实际的通风管道,建立起准确的通风网络后再对风路网络进行求解,同时结合发电机风扇的特性进行迭代计算,最终得出通风系统工作点的各部位的流量,风速,压力等参数.2.1风路计算的基本定律风路计算必须同时满足以下2个基本条件:(1)基耳霍夫第一定律根据风量连续性原理,流人任何一个节点的

12、所有风量代数和应等于零.q=0(2)基耳霍夫第二定律沿任何闭合回路各支路风压降代数和应等于零.=0依据上述原理,运用网络方法对通风系统进行整体计算可得到各部分的流量,压力数据.发电机通风计算等效网络如图4所示.tl南封转子风沟出口i6l轴向人口f24出转子端部58线圈端部58线圈进lfl5转人口图4某空冷汽轮发电机通风系统计算网络2.2某全空冷汽轮发电机通风计算的结果见表1.从计算结果可见,该发电机总风量为73m3/s,一,三风区的铁心的人口风速为43rids左右;中问二风区的铁心槽口处风速仍在40m/s左右,低于一,三风区.但由于二风区内流动的是冷风,会弥补风速带来的影响.3采用cfd方法分

13、析发电机内气体流动与传热d题目前,国际上主流cfd软件都具有丰富的物理模型,先进的数值计算方法和强大的后处理功能,cfd软件充分利用当代流体与传热等知识库,以巨量的计算为依托,对流动与传热过程进行全3潦表1空冷发电机通风计算主要结果方位的计算机数值模拟,这很大程度上弥补了传统计算方法中简化过多的缺点.所有的cfd软件都能适用于我们所遇到的各种流动状态如层流,紊流,亚音速,超音速流动等.软件中提供了丰富的传热模型供选择,如自然对流,强迫对流,流体与固体的耦合传热,固体的热传导和辐射等.cfd商业软件强大的后处理功能也是它的一大优势,它可以将计算结果用图形,等值线,矢量图甚至动画的形式进行生动的演

14、示.东方电机目前采用的fluent软件是世界主流的cfd分析软件,该软件过去曾广泛应用于航空航天,军事工业,石油化工等行业.东方电机在2000年左右在国内率先将cfd分析引入大型发电机通风与冷却的分析,使大型发电机内空气流场与温度场的分析手段及准确度有了重大进展.目前,东方电机在水轮发电机,汽轮发电机,交直流电机及特种电机的开发研究中,fluent软件发挥了重要作用.大型空冷电机内的换热过程主要是强制对流的气体与固体问的耦合传热,其传热效果的好坏与耦合面的流场情况,气体和固体的物理特性等众多因素有关,其物理,数学模型较复杂,用cfd软件内的系列模型选项来确定,在选择模型时,分析者需对所分析的物

15、理问题有清楚的认识,如问题的主要物理过程,主要边界条件及某些量的预先估值范围等等.电机的通风散热是三维计算问题,因此计算模型的三维建模,边界条件给定时要求准确,这就要求技术人员必须对电机的结构,结构件材料和电机内的损耗分布情况有清4楚的认识.由于大型电机的体积庞大,几何形状复杂,还包含有旋转部件,计算工作量巨大,因此在计算分析时我们常常利用发电机轴向,周向的对称关系,对流场与温度场进行有代表性的局部分析.经过多年的计算一试验对比修正,目前东方电机对发电机温度场的计算精度可以达到5%以内.(1)采用cfd方法对汽轮发电机内的空气流场(见图5)和温度场(见图6)进行三维分析,可以得到发电机内各部分

16、空气流动和热交换效果,进而可以在产品设计阶段预估发电机运行后的温度情况,在此基础上可以对其冷却结构进行优化和vvectorscdo时velo岫fm)lzcuorsureteerkoet(c图某发电机内空气流速分布图6某发电机内温度场薰图7转子线圈径向风道内流场ctousct町柙n|efcl0.0l80.0i60.0140.0l2耋薹o006o.0040(x】2()ltts转子线圈温度分布图9径向风道流速轴向分布仿真结果8070_瞳6o唇5040鹾3o呸20lo0图10径向风道流速轴向分布模型实验结果羹等嚣磊嚣凳篙要票警紫-c约大fd姜作为一种现代研究手段,软仟谀一:重霎簇制襄磊喜妻喜数:罢.萎

17、;为不同容量和结构形式的严品通珀以从54.1静态模型试验研究静态模型研究的优点是模型制造容易,成本低廉,测量元件埋设和测量易于实现,模型材料可以采用木材,金属或其它易于加工和成本较低的材料.模型可以按l:l或略小如1:2比例制造,图13为1/32周向尺寸的发电机通风静态研究模型.由于没有转动部件,不需要拖动装置,因此模型运行比较简单,通风采用试验风洞提供形成流场在压头,通过调节风洞工作状态来改变模型的输入压头,从而获得所需要的模型空气动力特性(或流阻特性).静态通风模型研究一般采用局部模拟的方法针对发电机关键部位的流场进行模拟研究.近年来,我们主要针对空冷汽轮发电机转子轴一径向通风结构,转子全

18、径向通风结构,定子端部区域,气隙入口区域等动态测试不易实现的部位进行研究.通过静态模型研究得出的流场分布结果(见图14),可以较准确地分析发电机6图131/32发电机周向通风模型图14发电机流场模拟试验结果三风区结构定子铁心风沟风速分布图“5553524441b3333l292tm220it614l2lb风沟编号从边段铁心风沟到二风区中心图15定子铁心风沟风速分布试验结果图瑙相应部位的温度分布状况,进而指导产品设计和优化.图15为发电机风沟风速的轴向分布规律.从中可明显看出,二风区的风沟风速相对较低,在相对于转子出风的两个区域及与二风区相邻的区域风沟风速偏高.有趣的是,风速相对较低的风沟内流动

19、的均为冷风,而风温相对较高的区域f相当于原五风区结构中的二风区位置)则风沟风速明显偏高,这一现象对于均衡定子铁心温度的轴向分布是有益的.整体来看,并没有哪条风沟存在明显的堵塞现象.由转子风路静模试验数据看出:各轴向通风槽内的风速分布比较均匀(见图16),说明转子通风结构可使冷却空气均匀分布于各通风道内,具图16转子各条轴向风道内风速对比分布(横坐标为风道编号)有较好的冷却效果,转子线圈温度分布相对较均匀.4.2动态模型试验研究与静态模型相比较,动态模型由于其结构更加与真机相似,发电机通风结构的转动部分与静止部分的相互影响能真实地体现来.但动态模型的设计,制造和运行更为复杂,特别是转子部分,由于

20、其运行转速要达到3000r/min,除要求通风结构的仿真特点外,对其结构强度也有很高的要求.实践证明,虽然动态模型造价更高,系统更复杂,但由于它能更完整地模拟汽轮发电机的整体通风系统,因此其研究能力明显高于静态模型,同时,其改造,重复利用价值也更高.东方电机针对200mw级全空冷汽轮发电机设计制造了1:2的动态通风模型研究装置,见图17,其规模,拖动系统,测试系统,结构的可变性等方面均达到了国际水平.在该模型上,我们进行了大量的多风区正向通风结构模拟试验研究,还进行了逆向通风结构模拟研究,发电机内空气压力分布测量等,见图18,取得了大量有价值的图171:2汽轮发电机动态通风模型图18发电机端部

21、区域压力分布测试结果数据,为空冷汽轮发电机设计及其后的结构优化,改型提供了宝贵的技术支持.试验结果表明,当定子采用多风区结构时,转子出风孔位置如果处于定子进风区区域时会对定子进风造成不良影响,而当定子采用全出风结构时,定子风沟风速受转子出风的影响较小,从模型试验的定子风沟风速的分布上看(见图19),几乎看不出转子的影响.转子槽部采用附槽径向通风结构,由于在靠近转子中心线附近的附槽内静压力升高,因此这些区域的径向风道空气流量明显大于靠近端部区域的风道,结合cfd分析结果可以看出同样的规律,见图20.从流场计算来看,这种分布对于槽部线圈温度分布影响很大,因此在转子通道设计时通过调节径向出风孑l孑l

22、径的办法来控制冷却风量的分布,达到了较好的效果.图19发电机定子风沟风速轴向分布s045.-40叠35三302520i5l0s0图2o转子径向风孔出风速度分布4.3空冷汽轮发电机真机试验研究真机试验是验证发电机性能的最有效的方法.在产品投人运行后,为了验证发电机通风冷却结构的有效性,确认发电机能够在额定负载下安全稳定地运行,同时,通过试验更加深人地了解空冷结构的特点,如发电机温度及其分布,发电机内空气流量分布,发电机内空气压力分布等,几年来我们在山东,陕西,四川等省对已经投人运行的55mw,60mw,135mw,150mw,220mw及400mw燃机空冷方式下的真机通风与温升开展了试验研究工作

23、,获取了大量宝贵的真机数据.通过对这些数据的整理,分析,一方面验证了设计阶段所采用的计算,实验方法所得结论的准确性,以便对这些方法进行修正,使之更加准确可靠;另一方面对每个产品通风冷却结构的总结分析都为下一个新产品的开发提供了更多的参考数据,使得东方电机空冷汽轮发电机产品的通风冷却性能趋于优化和成熟.图21与图22为某发电机定子风沟风速与发电机定子铁心温度的真机测试结果,从中可以看出它们的对应关系.“5结语_经过多年的开发,东方电机全空冷汽轮发电机已形成50220mw的产品系列,其中针对不同容量和用户需求,定子通风结构上既有采用单风区结构,也有采用三风区,五风区结构;转子既有采用轴向通风结构,也有采用全径向通风结构.不管采用哪种结构,在产品设计阶段均进行了详细的计算分析或试验研究工作.因此,这些新产品投运均是一次成功,为东方电机赢得:一一ii一一-;一一l1234567891011213415