大型灯泡贯流式水轮发电机通风系统研究.docx

大型灯泡贯流式水轮发电机通风系统研究
1序言大型灯泡贯流式机组的特点是磁极数多、转速低，加之定子机座外径受限，通风空间极为有限，发电机风路上风阻较大等原因，靠转子自身的压头和自带风扇已无法产生足够的风量以带走发电机的损耗，因此该类型机组均采用外加风机的强迫通风方式。对于风路结构的总体设计、各处风量的分配、以及风机的选择均是设计灯泡贯流式机组的难点，也是东方电机公司重点研究与试验的课题。1998年该公司自行设计、制造的单机容量30MW的红岩子贯流式水轮发电机，借鉴了以往机组设计成功的经验，结合公司自身的特点，通风系统采用了国际上普遍采用的径、轴向混合通风系统，定子铁心采用背部气体冷却系统，发电机定子机座取消径向环板，采用利于气流畅通的轴向V形筋；为了使字子铁心温升沿轴向分布均匀，采用了铁心段沿轴向不等距分布；利用从国外引进及与高校共同开发的分析软件，用网络法对通风系统进行求解，用热路网络法进行整机散热冷却的求解，用三维有限元法进行局部最高温度区求解；通过几个电站(即安居15MW，流滩坝6MW，白龙滩32MW，红岩子30MW)的真机实测对计算进行了验证。为更准确地掌握大型灯泡贯流发电机通风冷却系统的规律，利用科研基地的优势立项进行专项研究，按1∶5的比例制作了红岩子发电机通风模型，并开展了大量的试验研究工作，取得了宝贵的数据。同时，在流滩坝、黄泥滩、红岩子、白龙滩等机组上对投入已经运行的灯泡贯流式水轮发电机进行了大量的真机实测，积累了更多的经验。2分析与计算2.1灯泡贯流式机组通风结构大型灯泡贯流式水轮发电机采用径、轴向混合通风系统。发电机上装设有鼓风机，作为通风系统的压力源。冷却发电机的空气从鼓风机的出口流出，进入发电机的内部，分成两路，一路进入转子支架后流向发电机的下游恻，这部分冷却空气大部分从下游极间进入气隙，另一部分在吹拂发电机下游端部线圈后，流向定子铁心背部的回风道；另一路冷却空气从转子支架经转子环状风沟吹过极间并通过发电机气隙后进入定子铁心通风沟，冷却定子后进入定子铁心背部的回风道。这两股空气带走发电机的损耗后在定子铁心背部汇合进入空气冷却器，在冷却器中进行二次热交换后重新进入鼓风机，重复下一次冷却系统的冷却循环。通风系统见图1。大型灯泡贯流式水轮发电机传热原理见图2。

2.2通风发热计算通风系统计算采用东电公司引进消化的发电机通风计算软件。该软件采用网络法进行计算，即把电机的通风系统等效成一个网络，网络的各个支路由发电机的风路组成，网络内含有压力源、风阻、几何参数等，综合解出这些网络即可求出发电机内各部位的风速、风量、风压等参数。典型灯泡贯流式发电机等效风路模型网络如图3所示。软件计算结果表明发电机总风量为49m3/s，定子风量达40m3/s，占总风量的80%以上，定子铁心直线部分和两端端部线圈的冷却空气流速均超过10m/s，转子磁极线圈附近的气流速度达到了20m/s，对于发电机的冷却是有利的。根据等效热路法的计算结果，选取定子槽内绕组温度最热段，利用三维温度场有限元分析方法进行分析计算，进一步研究各段各部分温度分布的情况，以确定发电机应采取的通风结构和形式。三维温度场有限元分析结果显示，采用定子铁心不等距分段的结构形式，定子线棒槽底最高温度为91.4℃，定子线棒槽中最高温度为106.1℃(冷风温度40℃)，均低于电机绝缘等级所许可的允许温度，且有一定的裕度。因此，从定子的通风冷却角度看，定子铁心采用不等距分段是适宜的。同时，转子绕组部分的最高温度在110℃左右，也低于电机绝缘等级所许可的允许温度，可以保证电机的安全运行。3试验研究3.1模型研究对于大型水轮发电机来说，其通风系统的研究除了进行计算外，模型试验是一种很重要的手段，它的优点是尺寸适中、制造经济、测试方便，能够在发电机设计制造的同时从模型上取得类似于真机实测的数据，从而对新型机组的研制有一定的指导作用。东电公司以红岩子30MW贯流式水轮发电机为对象设计制造了1∶5的真机通风模型，并在模型上进行了大量的研究试验，得出一些重要的结论。通风模型示结构意图如图4所示。根据模拟试验中模型压力—风量变化规律可以推算出真机的静态风阻特性曲线，见图5。发电机的6台风机安装在上游侧，由于每条风沟所处的位置不同，空气的流动状况也会有差异。定子风沟风速沿轴向分布规律的模拟研究结果见图6。可见，发电机定子风沟风速的分布呈现上游向下游逐步上升的规律，但风沟风速的绝对值基本上都在10m/s以上。由于发电机在设计是预见到了这种规律并采取了径向风沟沿轴向不等距分布的结构，其特点是风沟密度从下游向上游逐步增加，于是就形成了风速低的区域风沟密、风速高的区域风沟稀的格局，将有效地抵消风沟风速不均匀的影响，保证发电机定子铁心轴向温度的均