大型空冷汽轮发电机通风系统三维流动与传热耦合计算

大型空冷汽轮发电机通风系统三维流动与传热耦合计算

0电机端部温度场的确定目前，国内外对大型空冷汽轮发电机的温度场进行的研究主要集中在电机的固定旋转内的通风沟上[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10]。然而，关于端部叶片的时空分布和液体流动对端部各结构的冷却影响研究很少。本文在流体力学理论、传热学理论和有限元方法的基础上,把电机端部各结构件视为端部流场中的绕流性物体,通过对其内部三维流体场的分析,在文献[9-14]的基础上,计算得到了流体流速的分布及端部各绕流物体壁面的散热系数,并应用此结果作为电机端部各部分温度场计算的边界条件,求解多风路系统中电机各重要部件的温度分布情况。对于空冷汽轮发电机(以下简称为电机),整个通风系统的要求是结构合理,以最经济的风量有效地把电机内部产生的热量散发出去。冷风进入电机经风扇鼓风后,气流分为3路:一路经定子线圈端部吹拂铁心两侧的结构件,进入定子机座通风管到达定子铁心背部,再流经定子铁心通风道进入气隙;另一路是直接进入气隙;还有一路是从转子护环下面进入,冷却转子绕组端部后,进入定子和转子之间的气隙。这三路气流在气隙会合后,经铁心的出风道,从铁心的背部出风区排出。只有端部三路风量合理的分配才能保证最高温升接近平均温升,以充分利用有效材料,提高出力。电机通风沟中的流体的速度情况直接影响电机的温度分布,所以要确定电机内部温度场,首先要确定上述三路风在电机端部各出风口的风量分配情况。因此,正确计算电机端部流场分布,对准确计算电机端部温度场很关键。1在子段模型和流畅流分析中1.1端部结构模型1.1.1护环内部构件结构电机端部结构如图1所示,主要由风扇、转子护环、位于护环内部的转子副槽出口、定子铁心和护环中间的气隙出口、轭背部各通风管出口、端部绕组、压板及压板与铁心之间的长压指和短压指组成,端部构件结构如图2所示。1.1.2数学描述1流体流动控制方程求解端部流体流动物理模型时,需利用质量守恒方程对流体流动进行控制,求解时假设流体不可压缩,故流体密度为常值,流体质量守恒方程如下:式中:ρ为流体密度,kg/m3;t为时间,s;u为流体的速度矢量。2端部流体动能恒压方程流体在端部域入口处有一定的速度,由于流体粘性的作用,端部域内流体流动需满足动量守恒方程。端部流体动量守恒方程如下:式中:F为流体受到的质量力,N;p为流体压力,N;μ为流体的粘性系数。3通用控制方程根据流体力学理论,采用标准湍流k-ε模型对流体进行描述。当流体不可压缩且处于稳定流动状态时,通用控制方程为式中:φ、V为通用变量;Γ为扩散系数;S为源项;ρ为流体密度。1.1.3转子铁心内固定板内风在电机端部通风结构中,冷风从风扇进入后,一路绕流流过端部绕组和压板表面,进入定子铁心背部的10个通风管中;一路直接通过转子护环和端部绕组中间夹缝进入电机的气隙;还有一路进入转子护环下面的铁心背部,进入电机转子绕组冷却转子导线(参见图2)。1.1.4电机流场的计算在文献[6,9-10]的基础上,作基本假设如下:1)由于电机中流体的雷诺数很大(Re>2300),流体属于紊流,因此采用紊流模型对电机内流体场进行求解。2)在标准大气压下,忽略电机内空气的浮力和重力对流体场的影响。3)电机内流场中,流体流速远小于声速,即马赫(Mach)数Ma很小,故把流体作为不可压缩粘性流体处理。4)由于只研究电机端部内流体稳态流动,即定常流动,因而方程不含有时间项。5)由于端部上下层线棒距离很近,故将它们作为一个整体考虑。6)忽略电机边段阶梯状铁心对气隙入口流体流速的影响。1.1.5端部受压板及转子结构边界条件的确定根据端路结构、流体流动和传热的特点,给出模型的求解边界条件如下:1)电机的冷却方式采用空气冷却,设定电机风扇入口处为质量流量入口边界条件。空气密度选取为1.225kg/m3,然后根据电机给定的设计风量47m3/s计算出流体的质量流量。2)对组成整个端部区域壁面的内表面Sw及压板、绕组、转子护环外表面Sn,给定流体流速边界条件:u=0。3)由于端部模型只对流体的流动情况进行模拟,求解方程组中不含有能量方程,不会涉及温度项,故不需要给定冷却介质入口温度边界条件。4)端部各风路出口压力边界条件给定:轭背部出口压强为108.090kPa;气隙出口压强为104.856kPa;转子副槽风路出口压强为105.903kPa。1.2铁心与铁心各出口速度分布及分布根据上述基本假设和给定的边界条件,采用流体力学有限元计算软件对模型进行求解。计算得到的三路风出口的速度分布结果如图3所示。可以看出气隙出口的风速最大,这是由于流体流经的通道个收缩型的风道(转子护环和端部绕组中间的路径,参见图2),风道入口处面积较大,出口处面积较小,并且电机采用的是轴流式风扇,进入气隙的一路风的静压最大,从而使此出口处风速最大。对比气隙和转子副槽出口处的风速,铁心背部风速最小,原因在于其出口面积较大,而且流体在此处的静压力比上述两出口处都小。值得注意的是,图3(b)中同一个出口截面处的速度不相等,出口面的边缘速度比其几何中心的速度小,且速度相差很大。这里选取铁心背部速度梯度方向上的速度值,得到铁心背部出风口流体的轴向横截面上的速度分布,如图4所示。图4中横坐标X为出风口的尺寸坐标。可以看出速度呈现出梯形形状流动,在壁面上时流体速度为0,但靠近壁面时速度急剧上升,在很小的距离范围内速度从0上升到28m/s,之后流体速度变化趋于平缓,流体在流道中部速度达到最大,两侧基本为对称分布。根据图4即可计算出流过铁心背部横截面处的平均风量。同理,可得到气隙和转子副槽出口的平均风量。电机端部各个出口处的风量分配计算结果如表1所示,总风量为28.77m3/s,并以此计算结果作为下文电机多风路求解模型各风路速度入口的边界条件。为了确定端部各结构件周围的散热系数,需要首先了解端部各结构件周围的速度分布。图5给出了空气流经电机端部绕组和压板时的速度分布:端部绕组迎风面约为15~23m/s,背风面约为6~12m/s;绕过压板表面的速度大约为6~12m/s。另外,压指之间的空隙中也有空气流过,但由于端部模型相当复杂,只能用适当的假设来进行简化,故忽略了一些端部的细节模型。以下的电机多风路耦合求解模型,将确定上述计算速度范围内端部结构件的散热系数,及不同散热系数时电机内温度的分布情况。2假定单风道通风系统模型2.1电机多风路通风系统物理模型的建立在定子轴向方向上,认为电机中心处截面为绝热面,两侧对称分布;在定子周向上选取一个槽和两个半齿,认为垂直周向处两侧截面都为绝热面。据此,确定电机多风路通风系统物理模型如图6(a)所示。图中x表示定子周向方向,y表示定子径向方向,z表示定子轴向方向。2.2主流道的通风结构数学模型1流体的量恒方程在多风路模型求解温度中,除要满足方程(1)~(3)外,还须满足如下能量守恒方程:式中:U为流体的速度矢量;u、v、w为流体的速度分量;ρ为流体的密度;h为流体的比焓;T为流体温度;λ为流体的导热系数;Sh为流体的内热源;Φ为由于粘性作用机械能转化为热能的部分,称为耗散函数。2电机内密封件导热系数电机内流体域与固体域热量传递满足热传导方程,其表达式如下:式中:kx、ky、kz分别为电机内结构件在x、y、z方向的导热系数,W/(m⋅K);q为结构件内部热流密度,W/m3。2.3子结构槽低温电机内关于流体流动形态和物理性质的假设和1.1.4节相同。对于电机多风路模型温度场求解还需作基本假设如下:1)槽楔近似当作与槽同宽,槽内的所有绝缘热性能均认为与主绝缘相同。2)考虑定子绕组铜耗时,上层线棒与下层线棒的损耗按照各股线的平均值加以考虑。3)定子铁心齿部损耗和定子铁心轭部损耗分别在定子齿部和轭部中平均分布。4)电机各固体部件间接触良好,认为接触热阻为0。5)不考虑转子旋转时对电机定子及气隙内流体流动和结构件温度的影响。2.4模型的建立和求解根据多风路通风结构、流体流动和传热的特点,给出边界条件:1)1号和2号热风区出口给定为压力出口边界条件,压力为1个标准大气压。2)入口1、入口2、入口3、气隙入口以及转子流量入口均给定为质量流量入口边界条件,且考虑流体经风扇温升的影响入口1、入口2、入口3、气隙入口流体温度给定为45℃,转子流量入口流体温度是根据文献计算得到的。3)模型中的铁心齿部、铁心轭部和上层绕组、下层绕组、长短压指、压板均给定为热源体。4)在电机多风路求解模型中,由于是流体流动方程和能量方程耦合求解,求解域内流体和电机内固件的交界面为散热面,散热系数由流体流动方程、能量方程和传热方程经过耦合迭代得到,故不需要再加散热面边界条件。但在求解域中端部各部件没有和流体耦合处,需要给出散热面边界条件为式中:n为法向向量;T为电机温度;Tf为流体温度;sD为模型中的散热面,包括端部绕组的迎风面Scf和背风面Scb、压指和压板与轴向和径向垂直的面Sy(参见图2)。5)电机模型中热源的中心剖面处,采用绝热边界条件处理,如模型中的2个半齿处,绝热边界条件为式中:sj为模型中的绝热面,包括s1(定子铁心段轴向中心面)、s2(线棒轴向各端面)、s3(轭对称中心面)、s4(齿对称中心面)、s5(长压指和压板侧面);kn为垂直与物体表面的导热系数。3不同热态下电机定远三维温度场的计算结果和分析3.1不同端部热风面的热分析在1.2节中,通过计算得到空气在电机端部各结构件周围的速度分布范围,再根据空冷汽轮发电机求解散热系数的经验公式可求得端部绕组迎风面Scf、背风面Scb、压板与轴向和径向垂直面Sy的散热系数的范围,该经验公式为式中:α为表面散热系数,W/(m2⋅K);ws为流过电机表面的风速。为了探究端部散热系数不同时,对电机端部及其相邻区域温度场的影响,分别选取根据图5计算出的端部绕组迎风面、背风面和压板表面流体速度范围,从速度范围中,选取了速度的最小值、中间值和最大值,代入式(8)得到了3组散热系数,用此3组散热系数作为多风路求解模型端部各结构件散热面的边界条件,分析不同端部散热系数对电机内温度分布的影响。这3组散热系数分别为:1)当端部绕组迎风面风速为15m/s,背风面和压板散热面风速为6m/s时:端部上下层线棒迎风面的散热系数αcf=105W/(m2⋅K);端部上下层线棒背风面的散热系数αcb与压板表面的散热系数αy相等,αcb=αy=55W/(m2⋅K)。2)当端部绕组迎风面风速为18m/s,背风面和压板散热面风速为8m/s时,αcf=122W/(m2⋅K),αcb=αy=67W/(m2⋅K)。3)当端部绕组迎风面风速为23m/s,背风面和压板散热面风速为12m/s时,αcf=150W/(m2⋅K),αcb=αy=89W/(m2⋅K)。3.2不同最热段的热风对电机股线和冷却介质的影响根据3.1节计算出的3个散热系数和表1提供的入口处的边界条件,利用多风路模型计算出不同散热系数时定子各结构件的温度。图7给出了取不同散热系数时电机内绕组温度沿轴向分布情况,Z为电机轴向尺寸。图中的曲线表示散热系数分别为55,67,89W/(m2⋅K)时,上层、下层线棒轴向几何中心线上的温度分布情况如“上层55”表示上层线棒散热系数为55W/(m2⋅K)。由图可知,上层线棒散热系数取最小值时对应的股线温度最高,散热系数取最大值时,对应的股线温度低;下层线棒散热系数不同时温度分布趋势与上层线棒一致。经过分析可知,图7中散热系数的值对距离端部铁心约0.6m区域内上下层股线的温度影响较大,大于0.6m后,温度不再随散热系数的变化而变化,3条曲线在大于0.6m以后基本重合。另外,还可以看出电机股线在靠近端部区域处6条曲线温度下降都比较明显,这表明进入气隙内的冷风对靠近端部处股线的散热起主要作用,股线大约有30℃的温度降,而端部散热系数对这部分区域温度的影响,要比气隙入口处冷却介质对它的影响小的多,不同散热系数时最大温差仅有3.3℃。对此种电机而言,由于其最热段在靠近端部区域处,不同的散热系数对其最高温度有一定的影响。从表2中可以看出,选取不同的散热系数计算时,电机内最高温度发生了变化,温度相差最大达0.8℃,并且随着的散热系数的减小,最高温度逐渐远离坐标原点,向端部移动。散热系数最小时最高温度分布范围比最大时向端部移动0.038m。3.3不同热风系数的热流密度和热风由于端部漏磁场的影响,压板上的热流密度很大,且该电机压板采用不锈钢材料,材料本身的导热系数较小,如果表面散热效果不佳,会引起压板温度分布不均匀,从而产生热应力引起形变。图8给出了散热系数从小到大取值时,温度计算的结果。从图8(a)可知,散热系数最小时压板的温度最高,且温度分布不均匀,表现为中部温度高,两侧温度低;图8(b)中温度分布较均匀,但是中部温度仍较高;由图8(c)可知,散热系数最大时温度分布趋于均匀,温度在轴向远离铁心处均匀减小。但选取不同散热系数时对压板温度影响较大,同一位置处最大温差接近20K。图9给出了压指和压板沿轴向的温度分布曲线,采样线的位置如图8(a)所示,Z轴区间[1.7,1.75]为短压指所在位置。由于短压指热流密度很大,在数值上和电机绕组在同一数量级上。而它的两侧一边是铁心轭部,一边是压板,热源密度比它小一个数量级,并且铁心轭部紧邻通风沟,散热效果较好,所以在坐标轴起始位置3条温度曲线有一个明显的弯曲。Z轴区间[1.75,2.095]为压板所在的位置。当散热选取为系数为55W/(m2⋅K)时,由于压板散热系数较小,散热效果不好,虽然其热流密度比短压指小很多,但却因为散热不畅,热量聚集在压板内部,导致压板的温度高于短压指的温度,最高温度出现在压板上。中部温度较高,温度分布不均匀。表现为图9最上方的温度曲线中部凸起,两侧较低;散热系数为67和89W/(m2⋅K)的温度分布大致相同,只是散热系数大的温度更低。压板温度分布比较均匀,曲线平滑。从曲线的发展趋势上看,散热系数越大,曲线越接近线性,散热效果也越好。3.4晶圆级为热部分的铁心温度分布图10(a)为电机端部铁心齿部沿周向一个齿槽稳态时的温度分布。从图中可以看出,齿部铁心处温度高于此处股线温度,这是因为铁心沿周向截面的两面均为绝热面,散热不畅,而此处上下层股线温度受到端部股线良好散热的影响,温度明显低于齿部铁心的温度,这是铁心内的热量向内传入绕组引起的。在径向方向上,由于轭部热流密度小于齿部热流密度,从而也存在一定的温度差,所以铁心中一部分热量向上传到铁心轭部,向下经过铁心表面被进入气隙的冷空气带走,从而得到如图10(a)所示的台阶式温度分布。图10(b)为端部铁心齿部沿轴向一个叠片段的温度分布。可以看出,铁心右侧与其中部相比有较大的温差,这是由于铁心右侧紧邻通风沟,风速快,散热效果比较明显,但同时由于铁心轴向的导热系数很小,于是就导致了铁心在轴向上温度相差较大。而其左侧面的一部分上是压指,只留有很小的散热面,散热效果较差。所以,在轴向上边段铁心齿部温度分布趋势为,最热部分偏向电机端部。通过以上分析可知,电机端部铁心齿部最高温度靠近电机端部,端部不同结构件上散热系数必然会影响此处温度的分布。3种散热系数下,边段铁心的温度分布趋势和图10基本相同,只是最高温度值不同。散热系数最小时,端部铁心的最高温度为126.22℃;散热系数为67W/(m2⋅K)时,端部铁心的最高温度为125.4℃;散热系数最大时,端部铁心的最高温度为124.14℃。3.5入口流量边界条件将计算值和实测值进行比较,来验证计算的准确性。感温区域在距离端部0.6m左右的位置如图11