（电机与电器专业论文）大型空冷汽轮发电机转子流场与温度场数值模拟.pdf

哈尔滨理工大学博士后研究工作报告 a b s t r a c t w i t ht h et u r b og e n e r a t o r sc a p a c i t yi n c r e a s i n g ，t h er e l i a b i l i t yo ft h e i r c o m p o n e n t sd e p e n d so nt h eh e a tt r a n s f e ra b i l i t yo ft h ec o o l i n gs y s t e m t h e r e f o r e ，t h ek n o w l e d g eo fd i s t r i b u t i o no fa i rv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e i n s i d ea l lt h ea i rr e g i o n si ne l e c t r i cm a c h i n ei se s s e n t i a l as i m u l a t i o nm e t h o d w a sp r e s e n t ，c o m b i n e dw i t hag i v e ne x a m p l eo ft h a to f15 0 m wt u r b o g e n e r a t o rw i t ha i rc o o l a n t i tc o n s i s t so f t w oa n dt h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a l m o d e l l i n ga n db o u n d a r yc o n d i t i o no fa i rt u r b u l e n tf l o wa n dh e a tt r a n s f e ri n a n db e t w e e nc o o l i n gd u c ta n dr o t o r 1 1 1 em o d e le q u a t i o n sw e r es o l v e db yt h e f i n i t ev o l u m em e t h o da c c o r d i n gc f d p r i n c i p l e a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw e r e c o m p a r e dw i t haf e wt e s td a t a t h em o r ea c c u r a t er e s u l t so fa s y m m e t r y t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no np e r i o d i cs u r f a c eo fr o t o ra n dd i r t r i b u t i o np r o p e r t y o fa i rm a s sf l o wr a t ea l o n gr a d i u sd u c ta r ea t t a i n e d t h ee f f e c to fi n l e tv e l o c i t y o ff l u i do nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dc o n f i g u r a t i o no fr o t o rd u c te t c0 1 1a i r m a s sf l o wr a t ew a sa n a l y z e d 1 1 1 er e s u l t sa r eh e l p f u lf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g n o f r o t o rc o o l i n gd u c t sa n dr u ns e c u r i t yo f d e c t r i cm a c h i n e k e y w o r d s ：l a r g et u r b o g e n e r a t o r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， v e l o c i t yf i e l d ，r o t o r 插图和附表清单 图2 - 1 “三维”流体力学示意图1 9 图2 2c f d 计算流程图2 1 图3 1 多路通风示意图3 5 图3 2 单路通风示意图3 5 图3 3 常规反向回路通风示意图3 6 图3 4 新设计的反向冷却回路通风示意图3 7 图3 5 定子槽楔下的轴向通风沟3 8 图3 - 6 空冷汽轮发电机通风系统3 9 图3 7 转子计算区域结构图4 0 图3 8 槽部线圈尺寸图4 0 图3 - 9 转子计算区域网格划分局部放大图4 3 图3 1 0 流体区近壁面无量纲距离y + 4 4 图3 1 1 转子沿轴向顶匝温度测点布置图。4 6 图3 1 2 转子本体及空冷通道内空气等温线图。4 7 图3 1 3 通风道内空气绝对速度、静压力等值线分布图。4 8 图3 1 4 副槽入口m 变化时转子本体及内部空气等温线图5 0 图3 15 额定工况转子本体及内部空气等温线图。5 2 图3 1 6 径向风沟中心距改变时转子本体等温线图。5 3 图3 一1 7 径向风沟中心距改变时风沟表面传热系数。5 4 图3 1 8 s 铲0 m m 径向风沟入口附近空气相对速度矢量图5 5 图3 1 9s 沪1 4 m m 径向风沟入口附近空气相对速度矢量图5 5 图3 2 0 副槽形状变化时转子本体及内部空气温度度分布5 6 图4 1 转子三维求解区域5 9 图4 2x = 0 处转子绕组1 至5 匝区域等温线云图。6 1 图4 3 沿x 轴不同截面转子及空气等温线图6 2 图4 4 沿轴向不同截面转子等温线图6 2 图4 5 风沟内绝对速度等值线分布6 3 图4 6 风沟内静压力等值线分布6 3 图4 7x - - 0 0 0 3 5 m 所在位置表面传热系数h 分布。6 3 图5 - 1 转子半轴向段通风道结构示意图6 8 目录 图5 2 中心截面附近部分流线图6 9 图5 3 湍流模型变化对质量流量分配的影响7 0 图5 _ 4 转速变化对出风口质量流量影响7 1 图5 5 出风口直径对流量分配的影响7 2 图5 - 6 副槽中心处截面变化示意图7 2 图5 7 副槽流通截面变化对流量分配的影响7 3 图5 8 转子绕组轴向温度分布7 3 图5 - 9 径向风沟数目变化对空气流量分配的影响7 4 图5 1 0 径向风沟宽度对流量分配的影响7 5 图5 1 l 楔下垫条形状及尺寸变化对流量分配的影响。7 4 图5 1 2 副槽入口速度变化对流量分配影响。7 8 图5 1 3 出风口面积平均速度分布7 9 图5 1 4 半轴向段通风道中空气相对速度等值线图7 9 图5 1 5 半轴向段通风道中空气静压力等值线图。8 0 表2 - 1 通用控制方程中各符号的具体形式2 7 表3 - 1 电机转子的基本数据4 4 表3 - 2 转子电流1 3 0 0 a 时沿轴向不同位置顶匝上的各测点温度。4 6 表3 3 转子电流1 6 0 0 a 时沿轴向不同位置顶匝上的各测点温度。4 6 表3 - 4 转子电流1 4 1 3 a 时沿轴向不同位置顶匝上的各测点温度4 6 表3 5 温度计算结果与实验测量值比较( m - - 4 0 r r d s ) 。4 9 表3 - 6 绕组温度分布特性( 1 3 0 0 a ) 。4 9 表3 7 绕组温度分布特性( 1 6 0 0 a ) 。4 9 表3 8 副槽几何形状改变时绕组温度分布特性5 6 表3 - 9 楔下垫条及槽楔出风口大小改变时绕组温度分布特性5 7 表4 - 1 副槽入口空气温度、入口速度对本体最高温度影响6 0 表4 2 转子槽内径向各绕组温度范围( ) 6 1 表4 3 转子电流变化时槽内最大温度( ) 计算值与测量值比较6 4 表4 _ 4 = 5 5 6 。c 转子电流变化时槽内绕组最大温度计算值6 4 表4 5 湍流模型变化对计算结果的影响6 5 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着我国国民经济的快速增长和科学技术的迅速发展，电力需求不断增加，电 网的建设规模也在逐步扩大。2 0 0 4 年，全国净增装机容量4 9 2 9 万千瓦，总装机容 量为4 4 0 7 0 千瓦，较2 0 0 3 年增长1 2 6 ，全国年发电量突破2 1 8 7 0 亿千瓦时，同比 增长1 4 8 ，机组单机容量越来越大。汽轮发电机是发电厂的主要设备之一，我国 约有8 0 的发电量来自汽轮发电机，所以，汽轮发电机的发展在电力工业的发展中 占有重要地位，特别是大型汽轮发电机，其应用前景越来越广泛【1 一。 长期以来，准确的温升计算是国内外发电机研究与设计制造部门多年来共同的 奋斗目标【引。温升过高或局部温升过高会影响到发电设备的安全性，严重时会使整 个发电设备烧毁，造成极大的经济损失：相反，如果温度过低，会造成铜、铁、绝 缘等材料的极大浪费，增加电机的制造成本。国内外大型汽轮发电机、水轮发电机 以及大中型异步电动机由于部件发热引起结构件严重变形，导致机组振动危及电机 运行安全的情况时有发生【4 】。因此，研究电机各部件温升，从而实现正确计算，可 以优化电机通风道结构，实现紧凑设计，具有重要的工程意义。 汽轮发电机容量的提高主要通过增大发电机的线性尺寸和增加电磁负荷两种途 径实现。然而在实际设计中，由于受到定子运输尺寸和转子锻件及转子挠度的限 制，汽轮发电机容量的增大主要通过增加电磁负荷实现。但增加线负荷就同时增加 了线棒铜耗，绕组的温度将升高，甚至超过容许温升。为此，必须采用更有效的冷 却技术、更准确的空气流量分布及温升计算方法，以提高其散热能力及计算结果的 准确性，从而准确的预测汽轮发电机各部分的通风量及温升，将其温升控制在允许 范围内，保证其安全可靠的运行。因此，汽轮发电机通风及发热耦合研究就成为越 来越重要的研究课题【5 j 。 大型发电机的通风及发热耦合研究属于计算流体动力学( 即空气动力学) 、计 算传热学、电机工程、电磁场理论和数值计算方法等学科的交叉学科 6 7 j 。由于转 子在高速旋转状态比静止状态下受力复杂，动量守恒方程中左端增加了一项，即科 里奥里力，加上大型发电机通风道几何结构本身的复杂性及材料的多样性，使得气 体在转子、定子及定转子之间的气隙内的流动及传热计算及测量非常复杂。 从电磁设计的角度来看嘲，为了提高电机的运行效率，节约能源，应该使单机 容量尽量向高等级发展，这样就使得电机的电磁负荷相应的提高，减少涡流和环流 引起的发热是电磁设计的主要任务。除了要尽量减少电机的损耗，还要保证电机的 哈尔滨理工大学博士后研究工作报告 各部分的损耗能够合理的分布。这样就要采用不同的方法来实现，例如为了使电机 的涡流损耗分布得比较均匀，需适当地调整电机股线的排列方式；为了减少环流损 耗股线要采用相应的换位技术。 从电机流体场的角度来看，要使冷却介质充分带走电机中产生的各种热损耗， 降低电机的温升，就必须对流体场进行充分的分析。电机内各个通风道风量( 特别 是端部) 分布的准确计算是非常必要的，可以通过计算沿轴向分布的各径向通风沟 内流体流量分布来验证电机通风均匀性，并且可以根据计算结果，对电机通风道结 构如出风口直径、副槽中心截面高度及径向风沟入口沿轴向的长度等进行改进和优 化设计，使电机通风结构达到最优设计，从而减小通风损失，提高发电机的效率。 从温度场的角度来看，温升作为电机实验的一个重要的测量指标，关系到电机 运行的安全性。但是电机温度的测量具有一定的局限性。因此，对于电机内温度场 的计算就显得非常重要。通过计算温度场可以确定电机任何位置的温升，也可以分 析电机内部各种绝缘对电机内温度场的影响。除此以外，当温度场不均匀时，电机 固体材料内部还将产生热应力的作用，可能造成电机结构件的变形损坏【9 】。 更为重要的是电机内电磁场、流体场、温度场以及应力场等相互影响，比如， 流体场直接影响温度场，温度场又影响热应力场，对相关物理量场进行耦合研究， 一可揭示电机内部物理场的变化规律及它们的相互影响和相互作用关系，为具有自主 知识产权的新型大容量汽轮发电机设计提供新方法和系统的理论，具有重要的科学 意义。 迄今为止，国内外关于大型电机通风发热研究方面发表的文章、著作还比较 少，国外相关先进技术均保密。国内制造厂需花费高昂的引进费用，才能得到其先 进技术。尽管国内各高校、大电机生产厂家和研究部门在电机发热与冷却理论研究 及实验研究方面已经积累了相当丰富的经验，但是，将其应用于电机制造方面还存 在不足，尤其是在大型空冷汽轮发电机的发热与冷却故障问题预测、定转子通风道 优化设计及通风均匀影响因素方面的研究还比较少，缺乏系统的理论及计算方法。 因此，该方面的工作还不能完全适应近代大型电机发展的要求。 1 2 文献综述 1 2 1 大型空冷汽轮发电机发展概况 发电机是电力工业的主要设备之一，采用空气冷却方式的发电机具备以下优点 n o 1 3 】： ( 1 ) 空冷汽轮发电机系统简单，易于维护，安全性好 第1 章绪论 汽轮发电机冷却系统以空冷系统最为简单，与水冷和氢冷发电机相比，不需要 水处理与制氢设备，辅助设备少，减少了设备环节，同时避免了漏水、漏氢弊端， 不会因为辅助系统失灵影响发电机的可用性，设备安全可靠性得到了提高。此外， 由于使用的冷却介质是空气，不需要补充冷却介质，无氢气爆炸的危险。 ( 2 ) 空冷汽轮发电机经济性高 空冷汽轮发电机由于不需要辅助系统，减少了投资，而且空冷汽轮发电机的运 行和维护比较方便，其运行费用低于效率相当的氢冷汽轮发电机。另外，大型空冷 汽轮发电机由于采用了一系列新的冷却技术，使其效率比以往的空冷汽轮发电机有 较大的提高，如2 3 0 m w 及3 0 0 m w 空冷汽轮发电机的效率已达到9 8 7 4 。 ( 3 ) 燃气蒸汽联合循环电站的迅速发展成为开发新型空冷发电机的重要动力 由于燃气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，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。随着燃气轮机大容量化技术取得巨大发展，刺激了市场对大容量空冷汽轮发电 机的需求。空冷汽轮发电机安装、运行和维护方便，起停迅速、容易，越来越受用 户欢迎。 空冷发电机的缺点是：随着容量增加，其电磁负荷和热负荷也相应地增加，导 致电机温度的升高增大，并且由于电机采用空气作为冷却介质，其冷却能力较氢气 和水相差较大，产生的风摩损耗大。因此，需要进行大容量汽轮发电机的空冷技术 创新设计及相关研究。 l 211 国内空冷汽轮发电机发展现状在上世纪六、七时年代，我国相继开发了较 大容量的氢冷、双水内冷和水氢氢汽轮发电机。当时中国处于发电设备技术发展的 幼年期，探索新型冷却方式以提高发电机单机容量成为潮流。尽管这些产品在其生 产过程中不断改进和提高，庞杂的辅助系统，材料利用不充分，以及不适应后工业 时代对发电机产品性能高可靠性、可用率和安装、运行、维护成本最低的要求。因 此，新型空冷机组以其安全可靠、简单、易于维护的冷却系统结构成为发电设备发 展的一个新趋势。 国内大容量空冷汽轮发电机的研制起步比较晚，并且技术落后。八十年代，最 大单机容量仅为3 0 m w ，仅相当于先进国家5 0 年代水平【3 ，1 4 1 。由于冷却技术的限 制，5 0 m w 及更大容量的汽轮发电机都采用氢冷、双水内冷或水氢氢冷却方式。 进入九十年代，各电机制造厂均开展了5 0 - , - 1 5 0 m w 空冷汽轮发电机研制。例如： 1 9 9 3 年，济南发电设备厂引进a b b 公司技术，试制成功国内首台6 0 m w 空冷发 电机，随后，相继开发了3 0 m w 、5 0 m w 、1 0 0 m w 和1 3 5 m w 空冷汽轮发电机， 2 0 0 5 年底，6 0 余台1 3 5 m w 空冷汽轮发电机投放市场，并有多台出1 3 ，2 0 0 4 年， 哈尔滨理工大学博士后研究工作报告 2 2 0 m w 空冷汽轮发电机试制成功，在河南登峰热电厂投入运营，2 0 0 6 年1 月，国 内首台采用引进反向空气冷却技术的最大容量3 3 0 m w 空冷发电机在济南发电设备 厂样机试验取得成功【，1 1 】；上海汽轮发电机有限责任公司继研制了6 0 m w 空冷汽 轮发电机之后，又引进西屋公司1 0 0 2 0 0 m w 级空冷汽轮发电机技术，成功开发了 1 2 5 1 3 5 m w 空冷汽轮发电机，并在上海石化热电厂和山东济宁电厂投入使用；哈 尔滨电机厂有限责任公司在相继开发6 0 m w 、1 0 0 m w 和1 3 5 m w 空冷汽轮发电机 后，又研制了1 5 0 m w 空冷汽轮发电机。东方电机有限责任公司目前已形成具有自 主知识产权的6 0 1 6 5 m w 空冷汽轮发电机系列，日前与迁安大唐热电有限责任公 司正式签订了迁安热力综合利用电厂工程2 2 0 m w 级空冷汽轮发电机供货合同， 2 0 0 7 年2 月交货。哈尔滨电机有限责任公司的3 5 0 m w 空冷汽轮发电机正在研发 中。 1 2 1 2 国外空冷汽轮发电机发展现状早在十九世纪末，欧洲首开生产汽轮发电机 的先河，第一台1 0 0 k v a 空冷汽轮发电机隐极型转子问世【3 引。直至上世纪4 0 年 代，空冷电机的制造技术趋于成熟之时，人们发现当容量超过5 0 - - 6 0 m w 后，当时 的空冷电机结构不仅温升高，而且效率低。所以，1 0 0 m w 级的空冷汽轮发电机很快 被后来居上的氢冷系列的电机所取代【9 】。同样是为了突破气体外冷式汽轮发电机容 量的提高所带来的发热严重、材料利用率降低等结构设计与工艺上的局限性，在上 世纪5 0 年代出现了氢气直接冷却的应用及5 0 至6 0 年代水内冷技术的成熟发展，并 被认为是汽轮发电机技术一系列革新的几个划时代的里程碑【5 , 1 2 】。 随着绝缘材料、结构材料、导电材料和导磁材料的发展以及计算机辅助设计技 术应用，再加上移植大型氢冷汽轮发电机制造技术，最近2 0 年，国内外恢复了对 空冷汽轮发电机的兴趣，空冷技术重新受到人们的重视，其单机容量越做越大。国 外一些大公司纷纷开发了1 0 0 5 0 0 m w 的空冷汽轮发电机。b b c 公司在二十世纪 七十年代末制造出当时世界上容量最大的1 3 5 m w 空冷汽轮发电机，突破了过去空 冷发电机容量长期停留在1 0 0 m w 以下的局面，开创了空冷汽轮发电机向大容量发 展的新时代。到了八十年代，空冷汽轮发电机最大容量提高到2 0 0 m w 级的水平。 目前世界上已开发的单机容量最大的空冷汽轮发电机为瑞士a b b 公司( 已并入法 国阿尔斯通公司) 研制的5 0 0 m v a 空冷汽轮发电机。该电机特点如下i l o 】： ( 1 ) 反向抽风冷却装在转子两端的螺旋桨式轴流风扇是从转子里面向外抽 出热风并输向冷却器进行冷却。这种反向式抽风冷却可以避免风扇本身耗功发热的 热量也被输进转子内部，从而可使转子有效部分的温升进一步降低1 0 k 左右。 ( 2 ) 双层特型槽楔采用双罗贝尔完全换位的定子线棒嵌入铁芯槽内后，由 具有“工”字型截面的双层特殊形状的槽楔固定，双层槽楔本身所形成的两个平行 第l 章绪论 的轴向冷却通道，还能使气流呈u 形流动，可将轴向中部的转子热气流排出。 ( 3 ) 高效轴流风扇装在转子两端的螺桨式轴流风扇经过计算机进行了流态 可视化解析，具有精确的几何形状、极低的流体损失和较高的效率。该风扇带有经 过优化的导流器和扩压器形状，并经过试验台上进行试验验证。实现了u 形流 动。 ( 4 ) 圆形导风叶轮根据流体力学研究，重点在于转子进风口部分的结构设 计。在转子护环与轴之间装设圆形导风叶轮可使转子线槽在切向具有均匀的气流和 温升，同时还能减小风口处的压力损失。导风叶轮对转子槽间的气流分布有较大影 响，它使冷却介质的切向分布非常均匀，提高了转子的热利用率，使转子槽间的热 应力相等。 ( 5 ) 耐热h 级绝缘a b b 公司经过进一步改进，达到了h 级标准。新开发 的h 级绝缘达到i e c 6 0 5 0 5 电机绝缘系统的评估及鉴定的标准，在耐热方面又 提高的温度在2 5 k 以上。转子绝缘n o m e x 纸具有h 级绝缘能力。 ( 6 ) 光纤式测温器在定予线棒主绝缘中装设了导线直径小于l m m 的光纤 温度传感器，不仅对槽内部分铜线，而且对端部绕组和联接部分进行了温度测量。 这些新开发的工具和新元件，在高压电势作用下和高压真空整浸过程中都没有出现 问题。 1 2 1 3 国内外空冷汽轮发电机主要差距目前，国内通过首先引进国外的技术，然 后消化吸收的方法，已成功开发了各种系列的空冷汽轮发电机。但是。国外的关键 技术保密，需花费昂贵的代价购买专利技术。与国外相比，我国需在如下方面缩短 与国外的差距 1 0 ，1 2 】： ( 1 ) 提高绝缘性能国内绝缘材料的热导率低，应提高绝缘材料的热导率并 达到h 级耐温等级( 1 8 0 c 以上) 。 ( 2 ) 优化通风道及通风机械设备对于高速旋转的螺桨式轴流风扇，国外采 用计算流体动力学( c f d ) 新技术进行精确的优化设计，把其损耗减到最小，效率 达到最高。另外，反向的抽风冷却及双层特型槽楔技术均值得参考。 ( 3 ) 改善结构工艺，缩短生产周期目前，国内的电机生产周期较长、成本 较高，主要原因就在结构工艺比较复杂。此外，国外公司的专业化生产程度较高， 很多装置都属定点外购，发电机定子与转子是分别在异地平行生产等。这对国内电 机制造业生产的组织与管理层面应有启迪。 总之，国内空冷汽轮发电机设计及制造技术与国外相比，无论在管理层面还是 在技术层面均存在一定的差距，其中空冷技术落后是一个重要原因。因此，空冷技 术的研究对于我国空冷汽轮发电机的发展有着重要的现实意义。 哈尔滨理工大学博士后研究工作报告 1 2 2 大型电机温度场研究概述 电机运行过程中，由于场间的相互作用( 如电热转换、电磁转换及各种摩擦) 将使高品位的能量转换为热能，称为损耗。运行着的电机损耗一般分为【8 】：( 1 ) 机 械摩擦损耗；( 2 ) 定、转子绕组及励磁电损耗；( 3 ) 磁损耗；( 4 ) 铁芯和绕组的附 加损耗等。其中前三种损耗为主要损耗。损耗是温度场计算过程中的热源，其数值 随空间位置及时间变化。一般稳定发热工况，损耗分布确定，且损耗由电机设计过 程中的电磁计算给出，热计算时为已知数据。 电机内的损耗一部分被电机元件吸收，使电机元件温度升高；另一部分通过导 热方式，由内部高温处传递到温度较低的冷却介质的交界面处，再通过对流换热方 式由冷却介质把热量带走；还有一部分能量通过电机的外表面以辐射换热方式传递 给周围的物体。电机热计算中，辐射换热因数量较小，往往忽略不计。 温度场计算及研究是电机设计中的主要任务之一。此外，当大中型电机过负荷 运行、进相运行、不对称运行及冷却系统故障、铁芯故障、绕组故障及绝缘故障时 均会引起电机温升超过允许范围，温升数值是状态监测与故障诊断中非常重要的判 据之一f 4 】。因此，准确地给出电机的温度分布是非常重要的。 在电机中，关于温度场的研究分为以下几种：( 1 ) 温度场计算方法研究；( 2 ) 采用现有的某种温度场计算方法或计算软件，针对电机转子、定子或整机的周期性 区域进行温升计算，即计算方法应用算例；( 3 ) 温升测量方法试验研究，用于状态 监测及故障诊断，( 4 ) 通过测量得到的表面温度，基于传热反问题研究方法，估计 绝缘材料的导热系数、边界上的对流散热系数【1 5 l ，或重新构建温度场等1 16 j 。其 中，关于温度场的计算方法应用研究较多。电机中的温度分布计算方法分为以下几 种：简化公式法、等效热路法、求解导热微分方程的数值解法( 又称为温度场 法) 。其中数值解法又分为有限元法【1 7 - 1 8 j 等多种计算方法。以下分别介绍电机温度 场计算方法、方法的优缺点及应用等研究成果。 1 , 2 2 1 简化公式法简化公式法比较简单【3 t 8 】。2 0 世纪7 0 年代以前，电机的热计 算主要以简化公式法为主。电机制造厂常用其计算铁芯及绕组的平均温升。各种散 热系数均由根据结构相同或相似的电机温升试验得到的试验关联式计算。与现代计 算方法相比，简化公式法的缺点是很多假定不尽合理，不能给出电机内详细的温度 分布，自然无法给出过热点的位置及数值，不能适应现代大型电机的设计要求。 1 2 2 2 等效热路法为了简化计算【1 4 1 ，等效热路法实质是采用直观的电路图模拟 电机中的传热与流动问题，通过热电类比，采用人们熟悉的电路理论中的公式求解 热问题。等效热路法假设所有热源和热阻采用集中热源和等效热阻代替，将温度场 转化为按照集中参数原则画出的等效热路图进行计算。等效热路图绘制是热计算的 第1 章绪论 一个重要步骤，应尽可能考虑影响电机的一切因素。采用该方法的计算结果比简化 公式法的准确性有所提高，但由于计算时假设铁芯硅钢片及绕组铜的热导率为无穷 大，无法得出其内部的详细温度分布、最高点位置及温升，该方法仍然是不合理 的。其优点是方法直观，容易理解，公式较简单，工作量较小，便于工程计算，计 算精度比简化公式法高，可用于指导电机的设计、制造及粗略的估计平均温度等。 1 2 2 3 温度场数值解法 电机内的热交换可以用导热微分方程式连同边界条件构 成完整的数学描写。温度场数值解法就是利用计算机及现代数值计算方法求解电机 内的热传递问题。根据求解思想的不同，温度场数值解法可分为：等效热网络法 1 9 - 2 0 有限差分法、有限元法及有限体积法等。其中，等效热网络法又称为网络 拓扑法，并且该方法使用较广泛。 近几十年来，随着计算机技术和数值传热计算方法的发展，电机温度场数值计 算技术也得到了不断提高。与实验研究方法【8 】相比，数值解法的主要优点是能以较 少的费用和较短的时间预测出有实际意义的研究结果，可以进行变结构、变物理参 数的优化研究，特别对投资大及周期长的大电机来说，该优点尤为突出。如果将数 值计算与实验研究相结合，在优化计算基础上进行实验研究，将有助于实验方案的 设计及改进，并且能减少实验的盲目性，减少实验工作量，从而缩短实验周期。当 然，试验研究是数值计算无法替代的。然而，在电机高速旋转状态下，有些物理量 很难测量，即使能够测量，测点有限，并且一般均存在测量误差，此时，采用数值 计算的方法进行温度场、速度场及压力场的研究就显得非常重要。 ( 1 ) 等效热网络法 早在1 9 5 8 年，由近藤一夫等提出等效热网络法【嘲。等效热网络法是应用图论 原理，通过网络的几何拓扑结构进行温度场分析的一种方法。其计算方法是：曲 按照计算对象的实际结构特征及其他条件确定求解区域，然后按不同材料所占区域 进行剖分，网格的疏密程度根据计算要求决定，网格越密，计算结果越准确；b ) 运用局部参数集中的原则，即集总参数法【2 1 - 2 2 1 ，假定所有的网格单元的参数包括 热源、温度及物性参数等都集中在节点上，节点之间为热阻，即用等效电路模拟热 传递问题，将所有的等效电路网络综合一起便得到描述问题整体的等效热网络图； c ) 计算损耗、热阻等网络参数，处理边界条件；根据基尔霍夫直流电路定律，列 出网格节点温度的方程组：d ) 采用数值求解方法，利用边界条件，求解关于温度 场的代数方程组。最终求得各节点温度。该方法具有物理概念明确、网格划分灵 活、计算过程简便及易于场和路结合等优点，很适合于电场、磁场及温度场，特别 是便于工程技术人员掌握。但需要有丰富的工程计算经验及正确的网络参数设置， 才能获得满足工程要求的计算结果。 1 9 8 0 年，南京航空航天大学的庄心复【1 9 】首次介绍了等效热网络法，并利用该 哈尔滨理工大学博士后研究工作报告 方法求解某航空发电机转子的温度场；在此基础上，1 9 8 9 年，又采用等效热网络 法 2 3 j 求解循环油冷却航空交流发电机定、转子的三维温度场，并且提出先分别计算 定、转子的温度，然后通过气隙组合进行整体计算，该方法节省计算时间。 1 9 8 6 年，中国科学研究院的李德基等【2 4 1 选取汽轮发电机氢气直接冷却转子的 1 8 半轴向段为研究对象，采用等效热网络法，进行三维温度场计算；在此基础 上，1 9 8 9 年，李德基等i 巧】进行转子三维非稳态温度场计算，把等效热网络法扩展到 求解电机非稳态导热问题。同年，方日杰等f 2 6 l 开发了采用2 9 节点计算大型水轮发 电机定子温度场等效热网络法，并编程计算，该方法特点是计算简单，运行耗时 少。但是，客观的评价，节点数太少，计算结果的准确性将受限。 1 9 9 0 年，哈尔滨大电机研究所范永达等【2 7 】针对2 0 0 m w 汽轮发电机的l 8 转子 和通风沟，绘出等效热网络图，编制计算程序并算得单元体上的温度分布及温升； 1 9 9 2 年，杨春芳等【2 8 】建立了外水冷式电动机的等效热网络图，计算过程中考虑了导 热系数、绕组的电阻率随温度的变化。 以上文献在壁面与冷却介质的交界处，多数采用第三类边界条件，把流体温度 及散热系数作为已知量，而实际上，边界处的固体壁面温度、冷却介质温度及散热 系数均随空间位置发生变化。 1 9 9 3 年，浙江大学的石中文、许承千等【2 9 】结合轴径向混合通风的大中型异步 电机，应用等效热网络法，求解通风网络，首先建立等效风路图，编程计算各风阻 及各径向风沟的风量，然后采用有限差分法，对轴向全长，半齿、半槽内的任意壁 面与空气节点建立关于温度场的有限差分方程，并提出空气与壁面间的对流换热系 数的一种工程计算方法，计算时空气温度场与电机温度场两者间通过边界上的牛顿 冷却公式相互耦合。该文介绍的方法成功实现了通风、温升一体化计算。2 0 0 0 年，张新波等1 3 0 】在文献【2 9 】基础上，研究电机本体及空气温度场，同时采用有限差 分法求解，并通过固壁与空气的边界进行耦合，在方法上更先进了。同时，进行多 台计算结果与实验结果的比较。2 0 0 1 、2 0 0 2 年，杨平西、许承千等1 3 lj 针对船用隐极 发电机混合通风风路的结构，建立多元二次非线性回路压降方程组，引入函数风阻 使之降幂成为多元一次非线性方程组，以解算出各等效风路的空气流量，引入气体 热流，构造非线性节点热流方程组，以算出定、转子求解域中各节点温度。 2 0 0 0 年，清华大学的王步来等【3 2 1 对y 系列三相异步电动机进行通风改造设 计，由纯径向通风或混合通风改为轴向通风，画出通风、发热的风路图和热路图， 通过编程算得平均温升，并与试验比较，认为计算合理。其缺点是不能给出最大温 升，仍然不能满足大型电机温度场计算精度的要求。 总之，随着时间的推移，等效热网络法考虑的问题越来越全面，节点数也不断 增加，成功地进行定转子通风及温升一体化计算，非常适合于工程应用。此外，国 第1 苹绪论 外也常采用该种方法进行温度场计算【3 3 】。因此，该方法得到了工程界的普遍应用。 实际上，简化公式法、等效热路法及等效热网络法的实质是相同的，都是进行 热电类比，采用成熟的电路理论求解热问题，只是针对具体问题简化的程度不同而 已，其中等效热网络法须采用计算机编程求解。 ( 2 ) 有限元法 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。其基本思想 是把具有无限个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元体的集合，求 解有限节点处的待求变量。 由于有限元方法边界适应性好，计算准确性高，能够详细的计算出电机温度 场，给出过热点的数值及位置。随着计算机运算能力的增强，有限元法目前已成为 电机内温度场计算的主流。缺点是边界处理较困难，随着计算机容量及计算速度的 提高，计算时间已不再成为问题。 早在1 9 7 6 年，a l i n o r 等l 7 】采用有限元法计算了大型汽轮发电机定子铁芯的三 维温度场，首次将有限元法引入电机温度场计算，为有限元法应用于电机温度场方 面的研究开创了历史的先河。此后，国外代表性文献如下。1 9 9 7 年，日本的氏家隆 一【3 4 l 采用有限元法进行了旋转电机的通风风路等计算；1 9 9 9 年，印度的学者m s r a j a g o p a l 等【3 5 j 对采用径向冷却的电机应用有限元法进行了变负荷情形下的温度场计 算，并分析了相关参数变化对温度场的影响，以便优化设计；2 0 0 0 年， e c m r e v i c h 3 6 j 在稳态、额定负荷下，r k r o k 在负载不对称情况下，分别对发电机转 子温度场进行了计算 3 7 1 ；i l k r o k 还对发电机运行时的故障诊断进行了研究【3 8 1 ； a d ig e r l a n d o 对大型感应电动机的定子绕组的温度场进行了计算【3 9 1 。以上研究结果 为电机的安全、经济运行及优化设计提供了技术保障。 国内，采用有限元法计算电机温度场起步较晚。根据研究机构和时间分类，具 有代表性的文献如下。1 9 9 0 年，上海交大的杨美伦、张景铸【4 0 】选取3 0 0 m w 汽轮发 电机的周向1 2 齿距、轴向取两个径向通风孔间的半转子为研究对象，热源主要考 虑槽内导线的损耗，采用三维有限元方法计算温度场。 1 9 9 0 年，东南大学的胡敏强等【4 1 】应用三维有限元法，求解了汽轮发电机定予铁 芯的三维温度场分布。通过解析计算方法，求出了电机定子铁芯各表面的散热系 数，指出损耗最大点并不是温升最高点。1 9 9 6 年，杜炎森、胡敏强等1 4 2 】应用三维有 限元法求解了汽轮发电机端部三维温度场，研究了冷却水管的尺寸、布置位置及管 内水速变化时的端部温度场分布，为进一步改进汽轮发电机端部结构设计提供理论 依据。但是，计算过程中，材料的导热系数采用等效导热系数，而不适当地导热系 数；1 9 9 8 年，黄学良、胡敏强等【4 3 l 提出了新的适合于电机温度场计算的圆柱坐标系 下的有限元模型，并应用模型对s f l 2 5 9 6 1 5 6 0 型发电机的定子铁芯三维温度场进 哈尔滨理工大学博士后研究工作报告 行了计算。 1 9 9 2 年，哈尔滨理工大学的张大为、汤蕴谬等利用有限元法计算了大型永轮 发电机在负载情况下定子最热段的三维温度场。其创新在于导热系数为各向异性， 采用三棱柱单元时泛函的格式，并且计算工况为负载情形。 1 9 9 8 - - 2 0 0 6 年期间，哈尔滨理工大学的李伟力等【4 5 】采用有限元方法，进行了 大量的电机温度场计算及分析。1 9 9 8 年，计算了考虑转子绕组匝间绝缘和忽略匝 间绝缘两种情况下，水轮发电机转子最热段的三维温度场，并分析了匝间绝缘对转 子绕组温度的影响；又以俄罗斯电力问题研究所生产的2 0 0 m w 汽轮发电机转子一 个闻距、半个齿作为研究对象l ，转子具有副槽和径向风沟，计算了转子半个齿 的二维温度场；分析了副槽通风的作用；计算了某水轮发电机转子一个磁极、半个 轴向段的温度场【4 ”，研究了转子迎风面和背风面不均匀表面散热系数对电机转子 中部及端部温度场的影响，以及转子磁极表面附加损耗大小对转子温度场的影响。 李伟力等不仅研究水轮发电机、汽轮发电机转子温度分布特征，而且还研究了各种 类型电机定子的温度分布，如采用三维有限元方法，计算了不同铁芯长的中型异步 电机考虑绕组股间绝缘与不考虑股间绝缘时的定子温度场 4 8 】；根据电磁场理论推 导了定子上、下层绕组属于同相槽和异相槽时，槽内各根股线的电阻增大系数表达 式，采用六面体八节点等参单元对三维温度场方程进行了离散，分析了涡流损耗分 布对定子绕组及铁心温度场的影响俐。 2 0 0 3 至2 0 0 4 年，上海交通大学的姚若萍1 5 0 1 、龚晓峰等【5 1 】采用有限元方法，先 后研究了蒸发冷却水轮发电机定子、转子三维温度场，计算了不带风扇和一端风扇 时转予和端环的温度分布，判断大型特种异步电机的通风结构性能。 2 0 0 5 年，中国科学研究院的温志伟、顾国彪1 5 2 1 以某同步电动机为例，采用三维 有限元法计算了实心转子的温度场，采用内、外两种冷却方式计算并比较，计算结 果对电机通风系统的设计提供了理论参考。 以上研究为各种电机热设计提供了丰富的经验和理论指导，但多数数值计算是 电机投入正常运行或故障情形下，经现场测量得到温度分布数据后，将计算结果与 实验结果进行比较，证明计算方法及计算结果较准确。实际上，制造厂家更希望在 新产品的研发设计阶段能够准确的预测电机内温度分布，为电机紧凑设计提供各种 理论参考。显然，这应是电机温度场研究工作者今后的主要任务之一。 ( 3 ) 有限差分法 有限差分法就是用截断的泰勒级数来近似表示导热微分方程中的偏导数项，针 对所有节点，建立关于节点温度的差分方程并求解i j 。 1 9 8 8 年，浙江大学的易大义、许承千等【5 4 l 将大型水轮发电机一个定子线棒划分 成3 2 9 个单元体，采用有限差分法离散能量守恒方程，建立节点温度场的代数方 程，从数学角度多方面讨论了温度场求解结果的唯一性、计算结果的误差及计算方 第1 章绪论 法的可靠性等。为详细了解定子线棒温度场提供了较佳、较完整的数据。该方法在 当时是较先进的方法，其缺点是对流换热边界单元的流体温度为定值。向隆万等【5 5 1 以3 0 0 m w 汽轮发电机的l 8 转子和通风沟为研究对象，共划分1 0 9 4 4 0 个单元，采 用有限差分法求解节点温度场，其中对流换热系数采用平均对流换热系数及局部对 流换热系数实验关联式。 1 9 9 4 年，中科院的徐松、顾国彪等1 5 6 j 采用有限差分法进行了5 0 m w 蒸发冷却 汽轮发电机瞬态负序能力的计算机仿真研究。 由于电机结构的复杂性，采用有限差分法时，几何结构经常简化，温度场计算 很难与电磁场计算耦合等原因，很少采用有限差分法计算电机温度场。 ( 4 ) 有限体积法 有限体积法又称控制体积法，是近年来发展非常迅速的一种离散化方法。其基 本思想是：将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体 积，将待求解的微分方程对每一个控制体积积分，从而得出离散方程。根据积分区 域的选取方法，有限体积法属于加权余量法中的子域法，从未知解的近似方法角度 分析，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。因此，有限体积法的基本思想是 子域法加离散1 5 7 1 。 上述多数文献只研究电机本体温度分布，并没有研究冷却介质流动过程中的温 度变化，并且采用零维的平均换热系数计算三维温度场，显然，计算精度还有待提 高。随着数值计算技术的发展，近年来，针对研究区域内的固体及流体分别建立描 述温度场的能量守恒方程，对流体同时建立质量守恒方程及湍流流动输运方程，描 述湍流流动的速度场、压力场及湍动耗散等，对流散热系数采用换热微分方程数值 求解，其中散热系数是空间位置的函数，采用有限体积法离散后的方程组可获得收 敛解。该方法是目前求解电机内温度场、速度场等较好的方法。 2 0 0 0 年，m s h a n e l 等【弼】采用基于有限体积法的f l u e n t 软件研究电机内的空气 流动和对流换热，强调控制空气流动是降低通风损失和优化槽内绕组温度分布的最 基本的步骤，认为c f d 软件在流动和热分析的某些方面具有不确定性，仍然处于 开发阶段，特别是电机领域，选取正确的湍流模型和运动模式都是很重要的。讨论 了流动的稳定性、周期性及对称性设置；另外，还分析了网格的质量、湍流模型选 取及其对计算结果的影响等。 2 0 0 5 年，上海交大的陈琳、姚若萍等【5 9 1 针对定子采用全浸式蒸发冷却、转子内 部转子采用轴向通风冷却的异步电机，利用有限元方法计算固体内部温升，而转子 与气隙边界的散热系数采用计算流体动力学有限体积法，即湍流流场和温度场耦合 计算方法，计算转予温升。该方法应用到一台3 1 5 k w 电机转子二维轴对称区域并 进行分析。其中，边界条件入口速度的数值对计算结果影响很大。 2 0 0 5 年，哈尔滨理工大学的李伟力删、周封【6 1 】等根据计算流体动力学理论， 哈尔滨理工大学博士后研究工作报告 建立了定子径向通风沟内流体运动微分方程，给出了二维流体场的求解域和边界条 件，在流体场计算的基础上，将不同入e l 风速和不同入射角的径向通风沟内流场和 散热系数的分布分别进行了比较和分析；2 0 0 6 年，靳慧勇、李伟力等建立了定子 三维流场、温度场的数学物理模型1 6 2