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大型发电电动机通风冷却系统研究

文档作者：王超廖毅刚张海波文档来源：东方电气东方电机有限公司		点击数：	更新时间： 2021年03月23日
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 e.PDF. Copyright 2002-2019 Aspose Pty Ltd
方氣评01.02第29卷Vol.29总第114期
大型发电电动机通风冷却系统研究
王超廖毅刚张海波
东方电气东方电机有限公司,四川德阳18000
摘要:大型发电电动机具有转速高、体积紧凑、散热困难、要求正反转等特点。本文介绍了整体通风系统的选择和计算,
分析了通风冷却系统的CFD仿真、转子磁极冷却结构和定子温升特性,最后给出了动态通风模型试验和静态转子通风模型
试验结果。
关键词:发电电动机;通风结构;整体通风计算;CFD;模型试验
中图分类号:TM31:TM3
文献标识码:A
文章编号:1001-9006(2015)02-0041-06
 Research on Ventilation and Cooling System of Large Generator-motor
 WANG Chao, LIAO Yigang, ZHANG Haibo
 Abstract: Large revisible generator-motor has such characteristics as high rotating speed, compact structure, difficulties in heat
 dissipation and revisible running. In this paper selection and calculation of global ventilation system is introduced, and CFD
 simulation for the ventilation and cooling system, rotor pole cooling structure and stator temperature-rise characteristics are analyzed, and
 at the end of the paper, dynamic ventilation model test and static rotor ventilation model test are presented.
 Key words: generator-motor, ventilation structure: global ventilation caculation: CFD simulation; model test
与常规混流式水轮发电机通风冷却系统相比,要求改进的或新的通风系统与之匹配。由于常规
发电电动机具有以下特点:
混流式水轮发电机通风结构已被大量工程实践证
(1)电机转速高,可达到300r/min-500r/min,明是合理、可靠的,所以在此基础上进行局部结
高转速意味着通风损耗增加和散热难度增大。
构改型,以满足大型发电电动机冷却要求,是值
(2)电机运行在发电状态和电动状态时转向不得采用的技术路线。
同,需要分析该变化给通风系统带来的影响,且
本文简要介绍了东方电机在大型发电电动机
常规轴流风机叶片翼型不能被使用
通风冷却结构优化和系统研究方面开展的工作。
(3)转子磁极线圈每极热容量大,分析表明:这些工作主要包括:针对某300MW发电电动机对
该发电电动机实际运行时单位体积损耗和单位面不同通风方案进行对比、分析,初步确定适应于
积的散热强度会达到常规水轮发电机的1.5倍以该大型发电电动机特点的整体通型式及局部特
上。如何在保证电机总风量满足要求的前提下有殊冷却结构;然后利用整体通风计算、局部CFD
效解决励磁绕组的散热问题,面临巨大挑战。
仿真、1:2.5整体旋转通风模型试验和转子磁极特
其异于常规混流式水轮发电机的这些特点,殊冷却结构静态模型试验等手段相结合的方式,
收稿日期:2015-01-15
作者简介:王超(1982),男2006年毕业于华中科技大学电气工程及其自动化专业,本科,工程师。现在东方电机从事大型发电机通风
冷却分析与试验工作
廖毅刚(1963-),男,1983年毕业于湖南大学电气工程专业本科,教授级高级工程师。现在东方电机从事大型发电机研发及
科研管理工作。
张海波(1985),男,2008年毕业于中国科学技术大学能源与动力工程专业,本科,工程师。现在东方电机从事大型发电机通
风冷却分析与试验工作。
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 DONGFANG ELCTRIC RVIEW
对已被选择的结构进行详细的通风冷却系统研究,
基于一元流动理论的整体通风网络计算被广
以获得包括电机总风量、定转子温升水平及分布泛采用,其计算基础是考虑能量损失的伯努利方
规律、通风损耗大小等在内的整体通风系统性能。程建模2):
本文所论述工作的价值在于:开发了适应于
 P.
 P:
z1++=x2+++h(1)
大型发电电动机特点的通风结构,积累了一定的
 pg2g
设计、计算和分析研究经验,为后续更大容量、式中:z、Ppg、2g分别表示位置水头、压力
更高参数发电电动机的开发奠定了基础。相对于水头和流速水头;h表示沿程损失和局部损失
以前工作的改进或创新之处如下:
水头。
(1)确定了磁轭端部增加径向叶片的轴径向混
此外,流体在旋转结构中流动时受到离心力
合通风+转子磁极特殊冷却结构整体通风型式,作用,其运动微分方程可表达为
实现了通风结构在发电电动机上应用的创新。
(2)-(
1aP=0
(2)设计了转子磁极特殊冷却结构,即除常规
 p
(2)
的极间流道外,其励磁绕组背后还采用了架空结
22(-=0
构,形成又一空气流道,从而可以进一步降低转
通风元件的阻力特性对应于式(1),压力特性
子温升,以满足大型发电电动机转子磁极高强度对应于式(2),通过网络法建模和计算,可得到发
散热的要求。
(3)对转子磁极特殊冷却结构进行了详细分析电机通风系统相应的流量、风速、压降等重要
计算,改进后的方案可以有效降低励磁绕组平均参数。
通风网络计算利用通用流体、传热一维计算软
温升达30%
件 Flowmaster完成。通过计算分析与对比选择,确
(4)通过对相似比1:2.5的整体旋转动态模型定了图1所示的该发电电动机整体通风结构方案。
和1:1的转子磁极特殊冷却结构静态通风模型试
风路优化措施包括:
验,全面研究了该发电电动机的实际通风性能。
(1)转子磁轭上下端部配置一定高度的径向叶
1整体通风方案的选择与计算
片与电机主要径向过流通道相配合,保证电机实
际运行时总风量满足要求的同时,各部位风量、
整体通风方案的选择是发电机通风冷却系统风速分
设计的重要环节。基于不同的设计经验,不同的
(2)磁极线圈特殊冷却结构和极间挡风板布置
生产厂家对相同转速和容量等级的电机可能选择
的优化,使转子线圈获得最佳冷却效果。
不同的通风型式,如在300MW等级的发电电动机
设计开发过程中,自循环通风结构、外加风机通
风结构、轴向或径向通风为主的通风结构都被采
用过,见表1
表1通风结构对比
电站转速/(rmin-1)
通风结构
黑峰
300
自循环、全径向通风
白莲河
300
自循环、全径向通风
宝泉
500
轴套风扇、轴向为主
惠州
500
轴套风扇、轴向为主
天荒坪500
磁轭端部外加风扇、轴向为主
一热
广蓄期
500
外加鼓风机,轴向为主
图1发电电动机整体通风型式
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采用此通风方案,该发电电动机实际运行时根气流静压,使绕组背部风隙内的空气风量、风
产生的总风量比实际需求留有接近15%的裕度,速增大,进一步提高散热效率。
流经上下端部风扇风量比例占40%左右,内部压3.2对比计算
降最大部位主要集中在定子风沟入口和转子支架3.2.1计算模型及边界
入口处。
对常规磁极线圈冷却方案及改进方案进行温
度场、流场耦合对比计算。计算采用流体力学计
2电机旋转方向对通风系统的影响
算软件 Fluent完成,求解方程满足质量、动量及能
发电电动机采用密闭自循环的全径向通风结量守恒定律和湍流运输条件,统一表达为:
构,驱动空气流动的压头由转子和端部离心扇叶
 V()=()+S.(3)
旋转产生。由于转子支架为全径向星型结构磁式中:中为通用变量,u为绝对速度矢量,为扩
轭和磁极的风道均为径向通道,转子端部的离心散系数,S为源项。
扇叶亦采用径向设计,所以这些特点保证了转子计算模型包括了转子磁轭环隙、转子励磁绕组、
顺、逆时针旋转时的离心压力相同。同样,通风磁极铁心、磁极上托板、端部固定挡风板以及所述
结构的阻力特性也不会随电机转向的变化而发生结构件周围的冷却空气区域,计算模型见图3。
变化,因此,发电电动机转向改变时,通风系统
总风量及风量分布规律相同,电机在发电机和电
动机两种工作状态下,冷却效果也基本相同。这
一结论也被1:2.5旋转通风模型试验证实,该模型
图示
在正反转时风量测量值的变化不超过1%。
冷却空气
转子端部和极周气流
■磁烧组风口出风
3转子磁极冷却结构的研究与改进
转子结构
3.1设计改进
口板挡风板
结合工程实际对该发电电动机转子磁极线圈
磁绕组
■磁极上托
冷却方式进行了以下改进:
■磁轮及磁轮环
■铁心和极
(1)绕组与铁心间布置散热风隙,局部位置用
绝缘撑块进行结构固定。相应冷却风路见图2。
图3CD计算模型
计算采用的边界条件包括:
(1)绕组损耗采用用户自定义编程函数功能
UDF实现损耗密度随温度变化,这与以往通常采
用一个恒定的损耗进行温升计算是明显改进7。
(2)考虑转子铁心及绕组传热的各向异性。
图2改进的磁极冷却结构
(3)考虑高速旋转时气体的粘性作用。
3.2.2计算结果
这种冷却结构将明显增大励磁绕组的有效散改进方案对磁极绕组温升降低效果明显,并
热面积,为磁极线圈提供更好的冷却条件。
被选择用于该发电电动机通风设计方案。
(2)在上述措施基础上,磁极极间布置一定高当电机作发电机额定运行时,磁极区域的流
度挡风板,增大极间气流通风阻力,提高磁极极场及温度分布见图4和图5
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 Velocity
00000
速度ms
2592693
05443
30
图4磁极表面流场分布/(ms)
25
15
Max(℃)
图7径向通风沟内速度分布
 Max(C)
图5励磁绕组温度分布
4定子温升特性分析
定子温升计算主要关注定子发热部件最热点
位置及轴向温度分布是否均匀。转子温升计算得
Max(℃)
出的气隙内速度、温度分布将被用作定子温升计
图8定子温度径向分布规律
算的边界条件,其他传热介质物性及发热部件损
耗设置方法与转子温升计算所采用的类似,如铁
心导热率的各项异性、上下层线圈损耗的不同及
随温度变化等。计算所采用的模型见图6
轴向位置(端部一中间)
图9绕组RTD温度的轴向分布规律
5动态通风模型试验研究
5.1模型设计
通风模型设计及试验以相似理论为依据,针
对该发电电动机的特点,充分考虑制造和安装条
件,最终模型与真机比例确定为1:2.5。模型由定
子、转子、轴承系统、上机架、下机架、基础板
等组成,见图10和图11
图6定子温升计算模型
为保证模型流态与真机的相似性,通风模型
风沟流场和定子温升的计算特征见图7~图9。设计、制造和试验研究采取的措施包括:
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南方零氣评20.06.25第29卷Vol.29总第114期
确定为300r/min~500r/min并进行多个转速组合
的上升、下降等重复性试验,以减小试验结果的
离散性,确保试验结果真实可信。
当模型与真机间满足相似条件时,在不同转
速情况下各参数应用量纲分析的方法找出各物理
量之间的联系,可推导出其通风系统的基本参数
应符合下列规律,见(4)~(6):
v/Vn=(lln)(nn)(4)
H/H=(l/ln)2·(n/n)2(5)
/ =(L /Lu) ' (ny/ )(6)
/=(L,/.(/)(7)
图10模型转子
式中:L一特征长度(mm),n一特征转速(r/min)
H压差(Pa),Q一流量(m3s),P一通风
损耗(kW)。
5.2模型试验
开展的试验工作包括:
(1)测量冷却器出口风速以计算模型总风量,
获得真机实际运行时的总风量。
(2)测量定子各风沟出口风速大小,以获得真
机实际运行时风沟风速轴向分布规律。
(3)测量定子风沟进出口压力,结合定子出口
风速测量值,获得真机实际运行时定子风沟的阻
力特性。
图模型总装
(4)测量上下风道风量,以获得真机实际运行
时上下端部风量分配比例。
(1)采用先进的模型加工技术,如在转子磁轭(5)测量通风损耗以检验真机实际通风结构的
叠片、定子冲片和通风槽片采用激光切割,以保效率。
证模型空气流经主要部位边界面的粗糙度与真机(6)测量定子绕组端部、汇流铜排、主引线及
相同。
中性点引线等,以检验真机实际运行时端部冷却
(2)严格保证模型与真机之间对应各部位过流条件的好坏。
面积的相似关系,并对定子风沟、转子磁轭环隙试验总共采用近150个风速、压力测点和1台
等部位作合理等效,而非简单的将过流通道的高高速多点数据采集系统相配合,以获得模型整体
度比例缩小,以减小制造和安装过程中带来的的通风特性。测点埋设及采集系统见图12和
误差。
图13。
(3)根据确定的模型试验研究比例计算模型进5.3试验结果
入自模区的临界转速,模型试验时确保其转速位根据通风模型试验结果分析,得出的主要结
于大于临界转速的一个相当大的范围内,使通风论如下:
模型试验时工作在自模区内,达到流体流动状态(1)发电电动机风路顺畅,空气流动情况符合
与真机相同。经计算,该发电电动机通风模型进设计要求,风量风速分布合理,能够满足发电电
入自模区的临界转速为62.7r/min,试验转速区间动机各发热部件冷却需求
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束方氣评2015.06.25第29卷Vol.29总第114期
铜环、主引线及中性点处风速为3.0m/s,满足端部
发热部件的冷却需要。
6转子静态通风模型研究
发电电动机实际运行时,转子处于高速旋转状
态,极间流动状态复杂,在旋转模型上进行转子特
殊磁极极间流态测量存在一定困难。分析表明:用
静态模型进行发电电动机特殊磁极通风试验与真实
情况的主要区别在于前者不存在离心力和科里奥里
加速力的影响,离心力作用于光滑的表面时可能在
图12风速测点
流道中产生次环流,而实际上转子磁极内外表面是
粗糙的,因此实际电机运行时离心力引起的次环流
并不存在。由科里奥里力作用引起截面上二次流需
要相当长的通道(L/D>200),而电机中实际空气
流道并不满足这一条件(通常L/D<20),同样可以
认为由科里奥里力作用引起截面的二次流也不存
在。另一方面,当流体处于素流区时,由旋转引
起的沿程阻力变化几乎可以忽略,局部阻力实际
上与旋转与否无关,由此可以忽略旋转引起的附
加阻力,即可以用静止模型模拟真机。
基于上述考虑,采用图15静态模型开展了磁
极特殊通风结构的试验研究。
图13采集系统
(2)电机在正反转时产生的总风量比较接近,
相差不到1%,各部位风速、风量分布相似。
(3)模型折算风量值与真机计算风量值偏差为
5.1%,真机实际运行时产生的风量能够满足冷却
需要。
(4)发电电动机上下风道风量分配比例为
57.3%:42.7%,与端部损耗分布相适应。
(5)定子风沟轴向风速分布表现为两端低、中
图15转子静态模型试验研究
间高的规律,见图14。
模型上下2个风机分别用于模拟流经磁极端部
300mi
气流和极间气流,通过改变2个风机的转速,可实
 +350 rmin
 400 rimin
现流经磁极极间轴向风量和径向风量大小和分配
 -450 rmin
比例的调节。
0481216202428
通过试验,得到的主要结论包括:
定子风沟编号(自上而下
(1)极间设置挡风板后,流经磁极背部出风孔
图14定子风沟风速分布
风量、风速会较没有挡风板增加2倍以上。
(6)端部绕组风速折算至真机为2m/s-7m/s,
(下转第52页)
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方零氣评205.06.2第29卷Vol.29总第114期
件下的抗气蚀和磨损能力,也可以选择一次回火,锈钢的研究,即在13-4钢基础上,通过提高Mn含
以提高材料的硬度。但材料的硬度太高,对焊接量并调整热处理工艺来提高材料的硬度。但目前这
性能不利,因此在具体应用时需根据转轮的结构2种方案在成分设计和工艺技术上都还不能满足实
和服役环境来综合考虑。
际应用要求,需要进一步研究。
3转轮材料的继续探索
参考文献:
r-ni-mo马氏体不锈钢的出现,将水轮机转【柳伟,等清水和含沙水中2siMn和rl3M钢的空
轮材料带入一个新的纪元,为大水电的开发奠定【2]立3N5M锈钢铸件微观组织的数值模拟
钢铁研究学报,2003,15(4):51-69
电设计开发的进步。尽管如此,Cr-ni-o马氏体3]李殿忠,等三峡700MW级水轮机转轮不锈钢铸件材料及
不锈钢在应用中还是面临一些问题,其中主要是
热加工工艺研究与标准化
抗磨蚀问题。虽然比普通碳钢有了飞跃进步,但【4刘晓婷,钢的马氏体相变]西安航空技术高等专科学校学
报,2002,20(3):57-59
磨蚀依然存在,导致水电机组在运行数年左右就[5]歌承伟,等 ZGOCRI3NI4MO马氏体不锈钢研制[]物理测
必须对转轮进行停机修整。因此,进一步提高材
试,1992(4):13-25
料的抗磨蚀能力是今后研究的方向。目前的研究【6]王长娃多泥沙高水头电站水轮机生产技术措施和材料选择
集中在2个方面:
].西北水力发电,2005(1):7-10
(1)表面改性技术。在原有材料基础上,通过【7]慧仙国外大型混流式转轮的制造],大型件,199
(21):96-
10
表面改性,例如通过表面喷涂高硬度的耐磨层8]马热处理对OC3 3N4 MOMO马氏体不锈钢组织和性能的
提高表面硬度,从而提高磨蚀能力。但是表面硬
影响[J]特殊钢,1995.16(5):19-2
化层与基体的结合强度上目前还不是很令人满意,【9]马贵兴,等大型水轮机用16NI5MO不锈钢的性能研
长期冲蚀下存在脱落现象,还需进一步改进。
究[]大电机技术19973):33-40(+47)
(2)基体强化技术。进一步增强材料基体的抗10]马贵兴,等16-5不锈钢的成分和组织性能及应用,大
磨蚀能力,基本的思路是提高材料的硬度,并保持
电机技术,199):34用
较好的塑形和韧性。目前的研究方向有2个:一
]李新亚,等我国水轮机转轮用不锈钢材料的现状和发展趋
势[C],第九届中国铸造学术会议论文集,沈阳:东北大学
是16-5PH钢的研究,在16-5钢基础上,添加V和
出版社,1997
N形成沉淀硬化型不锈钢;另一个是Cr-i-Mn不
→→→→
(上接第47页)
(2)增加极间挡板后,定子风沟风速轴向分布
均匀性会略有下降,主要是由于增加极间挡风板参考文献:
后,流经极间中部风量有所增加,导致定子风沟]吴玉林,陈庆光,刘树红通风机和压缩机[M]北京:清
中部风速有所增大,中间高、两端低分布现象更华大学出版社,201
加明显。
[2]舜年,大型电机的发热与冷却[M].北京:科学出版社,1992
3]汪小芳水轮发电机通风系统的风阻网络解析法[J]浙江水
7结语
利科技,2011(6):21-22
 [4] FLUENT Doc
 ation[ M]. FLUENT Ine 2006
东方电机在某大型发电电动机通风结构开发[5]付敏,李伟力,张东,水轮发电机气隙内磁场和转子温度场
和冷却系统研究方面所开展的工作,使通风结构
计算[]哈尔滨工业大学学报,2003,35(9):1131-1132
和冷却系统较以前有了较大改进与完善。通过这[6孟大伟,周美兰,郭海训大型水轮发电机转子三维温度场
些工作,开发了适应于大型发电电动机特点的通
计算[]大电机技术。2001(4):5-8
机转子流
风冷却系统和转子磁极绕组特殊冷却结构,并为(7]路义大型空冷汽轮发电机转子流场与温度场数值模
后续更大容量发电电动机研制奠定了坚实基础。
拟[R],哈尔滨理工大学博士后研究工作报告2007:41-45
文中所述的通风冷却系统已成功应用于该8](日)江守一郎模型试验的理论和应用M],北京:科学出版
社,1984
300MW发电电动机上,机组通过了满负荷热稳定9]V、 Kotrba.电机径向通风沟的气流和传热[J]国外大电机
运行的考验。试验结果表明:该发电电动机通风1992(2)
冷却系统性能良好。
52

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