大型空冷汽轮发电机冷却研究

大型空冷汽轮发电机通风冷却研究李阳1，廖毅刚1，张海波1，黄群2（1. 东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳，618000；2.华能景洪水电工程建设管理局，云南景洪，666100）[摘要]本文阐述了一台大型空冷汽轮发电机在研发过程中进行的通风冷却相关研究工作。

针对一台大型空冷汽轮发电机采用大规模数值仿真分析方法对发电机通风冷却结构进行换热分析，研究冷却结构对发电机流场、温度场特征的影响关系，形成独特的冷却方案。

本文所述分析方法和研究结论，为大型空冷汽轮发电机的设计提供具有价值的参考。

[关键词] 大型空冷汽轮发电机；冷却结构；通风方案[中图分类号] TM311 [文献标识码] B [文章编号] 1000-3983(2014)07-0017-03Cooling Research for a Large Air-cooled TurbogeneratorLI Yang1，LIAO Yigang1，ZHANG Haibo1，HUANG Qun2(1.Dongfang Electric Corporation Dongfang Electrical Machinery Co. Ltd.，Deyang 618000，China；2.Huaneng Jinghong Hydropower Project Constructicn & Management Bureau，Jinghong 666100，China）Abstract：Cooling research for a large air-cooled turbogenerator is presented in this paper. According to large-scale numerical simulation of conjugate heat-transfer analsys on generator, a special cooling scheme for a large air-cooled turbogenerator is developed. The study method and conclusion is valuable for large air-cooled tuebogenerator design with similar-type ventilation structure.Key words：large air-cooled generator；cooling structure；cooling scheme0引言空冷汽轮发电机具有系统简单，安装周期短，启停方便，运行经济，可靠性高，维护检修方便等突出优点，近年来日益受到用户的欢迎，特别是在城市集中供热热电厂、余热发电厂，循环硫化床电厂以及燃汽轮机联合循环电站项目上显示出巨大的市场前景。

随着新结构、新材料和计算机辅助设计手段的运用，空冷汽轮发电机单机容量不断增大。

由于技术含量高，中大型空冷汽轮发电机已成为著名大公司保持竞争优势、占领市场的主力产品。

在发达国家中，80年代制造出单机容量200MV A级的空冷汽轮发电机，90年代增加到300MV A级，目前已开发出世界上最大的500MV A空冷汽轮发电机。

从90年代初开始，我国空冷汽轮发电机得到迅速发展。

除我公司外，国内电机其它制造商如济南发电设备厂、上海电机厂，哈尔滨电机厂等均积极开发大型空冷汽轮发电机。

国内空冷汽轮发电机单机容量从90年代中期50MW，历经60MW，75MW，100MW等容量等级，迅速提高到目前的单机350MW。

由于燃气一蒸汽联合循环电站具有效率高、清洁、节水、调峰灵活和建设周期短等优点，因此发达国家新增的火电装备约80％是联合循环机组。

与氢冷汽轮发电机相比，空冷汽轮发电机具有起停方便、对负荷变化特别是间歇负荷变化不敏感等优点，使其在联合循环系统中与燃气轮机配用特别适宜。

本文针对一台大型空冷汽轮发电机，基于计算流体力学和数值传热学原理开展发电机换热仿真工作，研究发电机通风冷却结构对其流场、温度场的影响关系，最终形成了独特的冷却方案。

文中所述分析方法和结论对大型空冷汽轮发电机的设计提供具有工程价值的参考。

1发电机通风冷却结构的设计原则通风冷却结构是空冷发电机设计的中心环节，同时也是最主要的技术难点。

其主要设计原则为：合理选择冷却风量。

由于发电机机内损耗全都由空气带走，就要求有足够的冷却风量，但风量过大，势必增大发电机的风摩损耗，降低效率，因而必须合理配置风扇，将冷却风量控制在合理的水平；合理分配冷却气流。

通风系统的关键是优化发电机内的风量分布，消除通风死角，尽可能使发电机各发热部件得到均匀冷却，改善主要发热部件的冷却，降低最热点的温度。

2通风系统原理该空冷汽轮发电机通风系统原理图如图1所示。

图1 发电机通风系统示意图该发电机通风系统采用正向鼓风定子多风区和转子副槽进风径向通风结构，冷却空气经风扇加压后部分空气在吹拂定子端部线圈后通过引风管分段进入铁心背部风区，经铁心风沟冷却部分铁心和线圈后进入气隙，与发电机转子出风汇合后再分段进入定子铁心出风区，经铁心风沟冷却铁心和线圈后汇入机座进入冷却器。

一部分空气在风扇和转子径向风道的离心风扇共同作用下进入转子护环，一部分进入转子端部线圈内冷风道，沿线圈风道流动到转子本体两端后经径向出风孔流入气隙，另一部分进入转子副槽，流经转子线圈上的径向风道后流入气隙。

此外还有一小部分空气经气隙入口处的挡风板间隙直接流入气隙3 通风系统网络计算网络通风计算将发电机通风系统的风路等效为一系列元件，然后构筑成整体网络模型，通过迭代求解节点方程组，得到发电机风路的风量、风速等数据的具体分布情况。

因发电机结构对称，半个发电机通风系统等效网络如图2所示。

图2 大型空冷汽轮发电机通风系统等效网络图基于图2展示的分析网络，计算发电机通风系统风量、风速分配。

发电机通风计算遵循以下两个基本定律：基尔霍夫第一定律，根据风量连续性原理，流入任何一个节点的所有风量代数和为零。

ΣQ=0。

基尔霍夫第二定律，沿任何闭合回路的风压降代数和为零。

ΣH=0。

依据上述原理，利用网络法对发电机通风系统进行计算后获得各部分的风量分配数据。

发电机通风系统网络法计算结果参见表1。

表 1支路号支路位置风量1 风扇100%2 冷却器100%3 转子30.35%4 定子66.36%5 气隙 3.29%4 定子单元空气流场、温度场CFD分析计算模型包括半个电机轴向长度定子一个槽对应的机座、定子铁心、定子线圈、定子绝缘和定子风路等结构。

定子单元流场、温度场计算模型如图3所示。

本文使用商业软件ANSYS的Fluent-CFD模块完成发电机热仿真计算。

图3 定子单元流场、温度场计算模型求解得到发电机定子稳态流场和温度场分布见图4和图5。

图4定子计算域空气流场示意（风速单位：m/s）图5定子计算温度分布（温度单位：℃）5 转子大号线圈空气流场、温度场CFD分析计算模型为发电机转子端部一个磁极下最长的单个线圈及附属风路，其通风结构的特点为在转子旋转产生的离心压头作用下，冷却空气从转子护环与转子转轴间空隙流入发电机转子端部，在端部绝缘挡块的分隔结构作用下，一部分空气经转子端部弧线段进风口进入线圈内部风道，冷却转子端部弧线段和直线段；一部分空气经转子直线段补风口进入线圈内部风道，冷却转子端部直线段，两路风沿绕组内风道流入转子本体的同一径向通风道，轴径向内部冷却转子端部线圈后经槽楔上的通风孔流入气隙。

此外在转子端部线圈弧线段利用绝缘挡块形成局部通风路径冷却线圈表面，在转子端部直线段利用绝缘挡块形成蛇形通风道冷却线圈表面。

转子大号线圈及附属风路流场、温度场计算模型示意图如图6所示。

图6 转子大号线圈流场、温度场计算模型示意图求解得到发电机转子大号线圈稳态流场和温度场分布见图7和图8。

图7转子计算域空气流场示意（风速单位：m/s）图8转子计算温度分布（温度单位：℃）经过多次基于CFD数值仿真技术的方案优化分析，最终提出定子多风区、转子径向通风的冷却结构。

6结论本文基于计算流体力学和数值传热学原理，通过ANSYS-CFD换热仿真计算，分析和研究了某大型空冷汽轮发电机的冷却方案。

对于本文所研究的大型空冷汽轮发电机而言，定子采用多风区的通风结构可以有效保证冷却风量的合理分配和定子温度的均匀分布；转子端部采用一路半内冷并结合表面通风冷却的方式，转子本体采用槽底副槽进风，径向全出风的通风方式有效的保证了转子冷却风量的合理分配和转子温度的均匀分布，计算结果表明，发电机总冷却空气流量设计合理，发电机内各部分的风量分配和风速分布合理，发电机定子线圈最高温升为75k，转子线圈平均温升为72k。

计算结果表明该通风冷却方案合理。

本文研究内容为大型空冷汽轮发电机组冷却系统研制和优化提供技术参考。

[参考文献][1] 丁舜年. 大型电机的发热与冷却. [M]. 北京：科学出版社,1992.[2] 陶文铨. 数值传热学[M]. 西安：西安交通大学出版社, 2008.[3] 魏永田，孟大伟，温嘉斌.电机内热交换. [M]. 北京：机械工业出版社,1998.[4] 廖毅刚，侯小全. 全空冷汽轮发电机通风冷却研究[J]. 东方电气评论,2008（1）：1-8.[5] FLUENT Documentation [M]. FLUENT Inc. 2006.[作者简介]李阳（1971-），男，高级工程师，1995年毕业于天津大学，从事大型发电机通风冷却分析与试验工作。

廖毅刚（1963-），男，教授级高级工程师，1983年毕业于湖南大学，从事大型发电机研发及科研管理工作。

张海波（1985-），男，工程师，2008年毕业于中国科学技术大学，从事大型发电机通风冷却分析与试验工作。