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某大型立式水轮发电机通风散热的数值模拟

2014/2/19    来源:cd-adapco    作者:王铭  严锦丽  陈志祥      
关键字:通风系统数值模拟  温度场数值模拟  耦合场分析  
文章根据某大型混流式水轮发电机组的通风系统建立三维流场有限元模型,采用多重参考坐标系方法、多孔介质模型,对该密闭双路磁轭通风系统的流场进行了数值模拟,得到了通风系统的循环风量。以该循环风量为边界条件,对磁轭、磁极和定子组成的内流道进行了流固耦合场分析,计算表明磁极迎风侧的温度低于背风侧的温度,定子端部温度高于中间温度,定、转子温度在允许温度范围内,可长期安全运行。

0 前言

    水轮发电机在运行过程中产生的电磁和机械损耗使得发电机的温度升高。利用空气作为冷却介质,对水轮发电机组的主要部件表面如定、转子绕组以及定子铁心进行冷却是水轮发电机的主要冷却方式。电机内部的通风散热计算十分复杂,属于电磁学、传热学、流体动力学等多学科耦合问题。近十几年来,一些学者采用了通风网络法与有限元法相结合,对大型水轮发电机的通风和温度场进行了研究;也有一些学者研究了机组的三维流场,得到流速后采用经验公式计算散热系数,进而做温度场分析。本文使用有限元软件对某大型立式水轮发电机组通风系统采用整体通风计算和内流道流固耦合换热计算相结合的方法,结合电机各部分损耗,得到了定、转子的温度场分布。

1 通风系统的数值模拟

    1.1 通风系统分析模型

    分析对象为某电站250MW混流式水轮发电机,采用双路磁轭通风系统,磁极数52,转速为115.4r/min。冷却空气在转子旋转产生的离心风扇作用下由转子支架上下圆板上的风孔进入转子支架内,流经磁轭风道、磁极极间、气隙、定子风道最后进入定子机座,冷却气体经定子机座背部的空气冷却器冷却后,重新分上、下两路流经定子线圈端部进人转子支架,构成封闭自循环通风系统。其内部空气流场由连续方程、动量方程和能量方程控制。采用RNG k-ε湍流模型。该模型的湍流动能方程为:

湍流动能方程

    湍流耗散率方程:

湍流耗散率方程

    式中,k为湍流动能,ε为湍流耗散率,μeff=μ+μt,μt为湍流粘性系数,η=Sk/ε,S=(2SijSij)1/2。

    根据几何的周期性,计算区域为原几何模型的四分之一,数学建模时严格按照机组实际尺寸,如图1。电机通风系统分析时假定条件及边界条件如下:(1)空气平均温度40℃,物理特性参数为:密度1.128kg/m3;比热容lOOOJ/(kg·℃);导热系数2.64xl0-2W/m·℃;动力粘度19.2×10-6Pa·s;(2)对于整体通风计算,由于计算区域是封闭的,因此只须在周期面上设置周期性边界条件,其它各处默认为壁面;(3)采用多重参考坐标系法来模拟流体的转动部分,使其增加离心力和哥氏力进行定常计算;(4)采用多孔介质来模拟空冷器,多孔介质的特性参数由空冷器制造厂提供的流量压降数据拟合得到。

模型截面图

图1 模型截面图

    1.2 通风系统模拟结果

    图2和图3分别是柱坐标下等角度和等高度截面上的速度矢量图。速度分布体现了电机内的空气流动的路线,转子支架、磁轭和磁极转动时,气流从转子支架上、下通风口吸入,并在离心力作用下产生径向的相对速度。气流从空冷器流出后因受外壁的阻挡,气流分别进入上部通风回路和下部通风回路。在磁轭和磁极通风槽内存在明显的迎风侧和背风侧,迎风侧的速度大于背风侧的速度。计算结果收敛后检查通过空冷器的冷却气体流量为31.65m3/s,折算到整机的流量为126.6m3/s。

发电机通风系统速度分布图

图2 发电机通风系统速度分布图(m/s)

发电机通风系统速度分布图

图3 发电机通风系统速度分布图(m/s)

    图4和图5分别是柱坐标下等角度和等高度截面上的总压分布图。从图中可以发现总压从转子支架入口到转子外径是逐渐增加的,但在进入定子通风槽后急剧下降,这是由于转动部分的气流以切向速度为主,而进入定子通风槽后气流转变为径向速度为主,再加上定子通风槽通风面积的减小,从而产生了很大的局部损失。

发电机通风系统总压分布图

图4 发电机通风系统总压分布图(Pa)

发电机通风系统总压分布图

图5 发电机通风系统总压分布图(Pa)

2 温度场的数值模拟

    2.1 温度场分析模型与边界条件

    进行流固耦合传热计算时,对壁面附近的网格提出更高的要求,若采用通风模型的计算域作为流固耦合传热计算的计算域,生成的网格数目巨大,超过了现有的计算能力,同时考虑到所要求解的是定、转子的温度场,因此,将计算区域取为从磁轭入口到定子铁心出口。由于这一段流道在发电机内部,因此将其简称为内流道。对于内流道的计算,根据磁极的个数,选取1/52,同时考虑到上下对称,为了节省网格,计算区域只选取1/52的一半。该计算区域内流体和固体部分均生成网格,总网格数为18200000。图6和图7分别是内流道磁轭、磁极以及定子的固体部分网格和流体部分的网格。由于定子线圈端部不是被内流道的空气所冷却,因此内流道固体不包括定子线圈端部,计算时忽略定子线圈槽部铜与端部铜之间的热交换。

    根据整体计算得到的流量折算到内流道上,作为内流道的入口条件,在内流道的出口设置自由出流条件。

内流道固体网格

图6 内流道固体网格

内流道流体网格

图7 内流道流体网格

    2.2 热源与换热系数

    发电机内定、转子温度上升的原因是由于存在热源。其中,定子的热源有定子铁心和定予线圈。转子的热源主要有转子磁极和转子励磁绕组。各部分的损耗除以相应的体积就是计算所需的热源,各发热部件的热源以源项的方式加入。固体表面的换热系数根据流场计算的结果自动计算。

    2.3 温度场模拟结果

    图8和图9分别展示了等高度和等角度截面温度分布图。由图可知磁极线圈温度最高为110.5℃,迎风侧的温度比背风侧的温度低约8℃;定子线圈温度最高为109.7℃,且越靠近端部温度越高。计算结果表明,发电机定、转子温度在设计的允许范围内,并且有一定的安全裕度,可长期运行。

等高度温度分布图

图8 等高度温度分布图(K)

等角度温度分布图

图9 等角度温度分布图(K)

3 结论

    (1)米用STARCD能准确地模拟立式水轮发电机通风系统的流场分布,为发电机通风系统设计和优化提供有效依据。

    (2)利用通风系统分析结果计算散热系数,结合发电机的热损耗,使发电机流场和温度场进行耦合分析计算,能得到定、转子各部分的温度分布。

    (3)磁极极间存在明显的迎风侧和背风侧,迎风侧的温度低于背风侧的温度。定子呈现端部温度高、中间温度低的特点。定、转子温度在设计容许温度范围以内,可以确保发电机长期安全运行。

责任编辑:程玥
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