（动力工程及工程热物理专业论文）大型汽轮发电机转子通风冷却研究.pdf

中文摘要 摘要 随着我国国民经济的快速增长和科学技术的迅速发展，电力需求在不断增加， 发电站的建设规模也在不断扩大。因此我国电力工业自二十世纪八十年代起进入 大机组、高参数、大电网的阶段。汽轮发电机是发电厂的主要设备之一，是电能 的直接生产者，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。随着汽轮发电机容量的增大和能量密度的提 高，转子、定子线圈损耗也在增加，因此会导致绕组的温度升高，甚至会超过允 许温度，其组件的可靠性会受到很大的威胁。为此，对发电机冷却系统的研究具 有重要意义。 本文以某1 0 0 0 m w 级大型氢冷汽轮发电机转子、定子为研究对象，建立了一 个半轴长转子、定子模型以及定子、转子单元模型。基于计算流体力学原理，运 用有限体积法进行三维紊流流固耦合传热的数值模拟。分析得到了发电机定子风 沟的流场结构以及流动阻力性能，得到了相应的阻力系数变化规律，为发电机转 子通风冷却模型的建立以及数值分析奠定了基础。同时分析得到了发电机转子内 冷却流体沿轴向流动及在转子径向风沟的阻力特性和流量分配情况及同工况下转 子内的传热特性和温度场特征，最终为发电机设计和优化提供理论指导依据。研 究表明：定子单元阻力特性系数随速度的增大而减小，且几乎随速度二次方关系 变化；对于转子单元的单双桥风沟结构，在计算的流量范围内，双桥风沟内壁面 平均换热系数比单桥风沟内壁面平均换热系数大1 0 0w ( n 1 2 k ) 左右；半轴长转子 的绕组、副槽、气隙温度沿轴向逐渐升高；绕组温度沿径向逐渐升高。本文研究 结果最终将为1 4 5 0m w 核能发电机开发设计提供理论指导依据。 关键字：汽轮发电机，转子，定子，耦合传热，数值模拟 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t hm er a p i dg r o 、矶ho fo u rn a t i o n a le c o n o m ya n dm er a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c l l i l o l o g y ，t h ed e m a n df o re l e c t r i c i t yi si n c r e a s i n ga n dt h es c a l e so fp o w e r s t a t i o n sa r ea l s o e x p a n d i n g c 1 1 i n e s ep o 、e ri n d u s t 巧h a se n t e r e dt h es t a g eo fl a r g e c a p a c i t ) ，h i g hp a r 锄e t e r ，a 1 1 d1 a r g ep o w e rg r i ds i n c et h e19 8 0 s t u r b i n eg e n e r a t o ri so n e o ft h em a i ne q u i p m e n t so fp o 、v e rp l a n ta j l dad i r e c tp r o d u c e ro fe l e c t r i c i t y ，a b o u t8 0 p e r c e n to fo u re l e c t r i c i t yc o m e s 仔o mt h et u r b i n eg e n e r a t o r t h ed e v e l o p m e n to ft u r b i n e g e n e r a t o rp l a y sa ni m p o i r t a i l tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t l y t h e r e f o r e ，w e n e e dt oi n c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h eg e n e r a t o rm o t o r w i t ht h et u r b i n eg e n e r a t o rc a p a c i t y i n c r e a s e s ，t h er o t o ra 1 1 dm es t a t o rc o i lc o p p e rc o n s 啪p t i o ni sa l s oi n c r e a s i n g s oi tw i l l 1 e a dt o l ew i n d i n gt e m p e r a t u r e ，a n de v e ne x c e e dt h ea 1 1 0 w a b l et e m p e r a n l r e t h e r e l i a b i l i t yo fi t sc o m p o n e n t sw i l lb e 恤e a t e n e dg r e a t l y t h u s ，t h er e s e a r c ho nt l l e g e n e r a t o rc o o l i n gs y s t e mi si m p o i r t 趾t i n “sp a p e r ，t h er o t o ra 1 1 dt 1 1 es t a t o ro f1o o o m wo r d e r e dh y d r o g e n c 0 0 1 e d g e n e r a t o ra r er e s e 黜h e d al e n g t ho ft h e s e m i a x i sm o d eo ft l l er o t o r ，t o g e t h e rw i t h s t a t o rm o d e la 1 1 dt h es t a t o re l e m e n tr n o d e l ，i se s t a b l i s h e d b a s e do nc o m p u t a t i o r 谢n u i d d y n 锄i c s ， t l l et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nh e a tt r 狮s f e ro f n u i d s o l i dc o u p l i n gw a sp e r f o n n e db yu s i n gf i n i t ev 0 1 u m em e t h o d t h ev e t i l a t i n gd u c t f l o ws t n l c t u r ea i l df l o wr e s i s t a n c ep e d o m a i l c e ，o ft h es t a t o ro fg e n e r a t o r ，a r ea i l a l y z e d t h ev a r i a t i o n so fd r a gc o e m c i e n ta r eo b t a i n e d i tl a y st l l ef o u n d a t i o no f 缸恤e rs t u d yo n t h em o d e la n dn u m e r i c a l a n a l y s i s o ft h er o t o rv e n t i l a t i o n c o o l i n g r e s i s t a n c e c l 埘a c t e 打s t i c sa n dt h en o wd i s t r i b u t i o no fc o o l i n gn u i dw h i c hn o w sa l o n gm ea x i a la j l d r a d i a l 诚n dc h a i l l l e li n t h er o t o ra r ea n a l y z e d h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa n d t e m p e r a n l r ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t o rw e r ea c h i e v e da tt 1 1 es 锄eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s u 1 t i m a t e l y ，i tp r o v i d e s at h e o r e t i c a le v i d e n c ef o rg u i d i n gt 1 1 e g e n e r a t o r d e s i g na i l do p t i m i z a t i o n i ti se s 协b l i s h e dt l l a t ：埘t ht h es p e e dd e c r e a s e s ，t h er e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i cc o e m c i e mo ft h es t a t o ru 1 1 i ti n c r e a s e s ，a n da l m o s t c h a l l g e sw i t ht h e q u a d r a t i ci nt l l ev e l o c i t y f o rt h es i n g l eb r i d g ea 1 1 dd o u b l eb r i d g eo fr o t o ru i l i t ，a v e m g e h e a t 仃a i l s f e rc o e m c i e n to ft h e 谢n dt r e n c ho fd o u b l eb r i d g e 、砌li sl a r g e rt h a nt h a to f s i n g l eb r i d g ew a l la b o u t1o ow ( m 2 k ) t h et e m p e r a n 鹏o ft h es e m i - a ) 【i sr o t o r 淅n d i n g s ，s u b s l o ta n da i r - g a pi n c r e a s e sg r a d u a l l ya l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o n t h er e s u l t s o ft h i ss t u d y 谢l le v e n t u a l l yp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt l l en u c l e a rg e n e r a t o r so f i i i 重庆大学硕士学位论文 1 4 5 0m w k e yw o r d s ：t u r b i n eg e n e r a t o r ，r o t o r ，s t a t o r ，c o n j u g a t e dh e a tt r a n s f e r ， n 眦e r i c a l s i m u l a t i o n i v 主要符号说明 主要符号说明 主要符号： 甜速度 州s 彳面积 m 2 丁温度 k c 比热 j ( k k ) “i 速度( i _ l ，2 ，3 ) 州s 】 y 运动粘度 m 2 s r p 雷诺数 聊质量流量【k g l l 】 q 风沟内表面散热功率【w 】 r 风沟内壁面平均温度 k 乃风沟进出口温度的平均值 k 及，方程的有效p r a n d t l 数的倒数 e 行有效粘度 m 2 s v i i p 密度 k g m 3 】 p 压降【p a 厂阻力系数 x ，笛卡尔坐标( f _ 1 ，2 ，3 ) 【m 甜流道特征速度 州s 动力粘度 坩( m s ) 收敛因子 h 平均对流换热系数【w ( m 2 k ) 】 t 觚线圈最高温度 k 仅。k 方程有效p r 觚d t l 数的倒数 t a 线圈平均温度 k 重庆大学硕士学位论文 v i i i l 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 自改革开放以来，我国的国民经济得到了快速增长，为此电力需求在全国各 地不断的增加。我国电力工业自二十世纪八十年代起进入大机组、高参数、大电 网的阶段，目前开始进入全国电网互联，实现资源优化配置阶段【lj 。如今全国的电 站建设与电网建设规模越来越大。白2 0 0 9 年4 月我国电力装机容量突破8 亿千瓦， 我国电力装机容量2 0 1 0 年再次迈上新台阶。2 0 1 0 年中期，我国电力装机容量突破 了9 亿千瓦。汽轮发电机是发电厂的主要设备之一，是电能的直接生产者，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u 】。 发电机的发展历史是在结构设计和工艺上不断地认识和改进，在技术上推陈 出新的创造性过程【l j 。尤其体现在转子、定子通风冷却方式上。早期发电机的定子 转子都是以空气作介质进行表面冷却。十九世纪末，全世界第一台l o o k v a 空冷 汽轮发电机在欧洲诞生，当时的空气冷却技术还不够成熟，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，空冷电机 结构不仅温升高，而且效率低【lj 。因此，随着电力工业的发展和进步，受当时技术 条件制约的空冷极限容量，已无法满足单机容量不断增大的要求。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，获得了良好的冷却效果， 突破了空冷机的容量极限，并以其高效率而得到迅速普及。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【1 、2 、 3 、4 】 0 汽轮发电机容量的提高主要通过增大发电机的尺寸和增加电磁负荷两种途径 实现。由于单机容量越大，电机运行的经济性能越好，而受到材料机械强度的限 制，电机结构部件的尺寸无法随着电机容量的增加而成比例的增加【3 “2 1 。所以， 近年来，汽轮发电机容量的增大主要通过增加电磁负荷实现。但增加电磁负就同 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，以提高其散热能力，从而将汽轮发电机各部分的温升控制在允 许范围内，保证其安全可靠的运行。因此，汽轮发电机发热与冷却就成为了重要 的研究课题，其流场和温度场之间流固耦合的研究具有重要意义【l j 。 重庆大学硕士学位论文 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国内外汽轮发电机技术现状 国内大容量空冷汽轮发电机的研制起步比较晚。八十年代，最大单机容量仅 为3 0 m w 。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 水内冷或水氢冷却方式1 2 j 。为了尽快接近或赶上世界先进水平，我国于8 0 年代末， 从a l s t o m ( 原a b b ) 公司技术引进了“6 0 1 0 0m w 空内冷发电机制造技术 ，经 过技术改造，吸收消化，克服各种困难，先后按a l 2 s t o m 技术要求，完成了5 0 m w 、6 0m w 和1 0 0 m w 的样机试制，并批量投产【5 j 。进入九十年代以后，各电机 制造厂均开展了5 0 15 0 m w 空冷汽轮发电机研制【2 】 5 】【6 】| 7 】。 2 0 0 0 年以后，中国超大容量的发电机主要应用在核能发电方面，1 9 9 5 年，岭 澳一期项目建设，我国引进法国的技术，在东电公司的配合下，完成了9 0 0 m w 的 核能发电机的制造。2 0 0 4 年，东方电机与法国阿尔斯通公司签订了岭澳二：期 1 1 5 0 m w 核能汽轮发电机的联合设计和相关技术引进合同。2 0 0 8 年，该发电机的制 造已经完工。目前，在本团队的配合下，东电公司着手设计并制造1 4 5 0 m w 的核能 发电机。 在此期间，汽轮发电机的转子定子通风冷却技术被国内大量研究者所探究。如 路义萍等【8 】【9 】研究了转子风道结构变化对转子内线圈的温度分布的影响，并提出风 道结构优化方案；李德基等【lo 】研究了汽轮发电机氢气直接冷却转子的三维温度场 计算；l i 等提出了转子径向通风系统的通风计算方法；牟松等蚴研究了汽轮发 电机转子径向通风沟内三维流场的计算与分析；汤蕴璎、张大为【13 】用有限元法对 水轮发电机定子最热段三维温度场进行了计算；魏永田【1 4 j 对转子部分的温度场进 行了研究；李伟力等人结合流体相似理论采用六面体、八节点等参元方法对大型 同步发电机定、转子和端部的温度场开展了一系列的研究工作【l 5 】 16 】；杜炎森、 胡敏强等学者在求解温度场的理论方法和汽轮发电机端部电磁场及温度场等方 面作了大量的研究工作等等。因此，发电机的转子定子通风冷却技术的研究， 在国内研究具有重要的意义。 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 、，a 空冷汽 轮发电机隐极型转子问世【l 圳。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。b b c 公司在7 0 年代末制造出当时世界上容量：最大的1 3 5 m w 空冷发电机， 突破过去容量长期停留在1 0 0 m w 以下的局面，开创了空冷发电机向大容量发展的 新时代【1 9 】。到了8 0 年代，国外空冷发电机最大容量提高到2 0 0 m w 级的水平。之 后世界上已开发的单机容量最大的空冷汽轮发电机为a l s t o ap o 、e r 研制的 5 0 0 m w 空冷汽轮发电机 2 】。然而，此后大容量的核能发电机在国外已经声势浩大 1 绪论 的发展。1 9 6 8 年，西门子公司制成首台3 4 5 m w 核电汽轮发电机；1 9 7 1 年，k u w 公司制成首台6 6 0 m w 半转速机；1 9 7 3 年制造了1 2 0 0 m w 核电发电机；1 9 7 8 年制 造了9 0 0 m w 全转速的核能发电机【2 1 1 。在1 9 7 0 年代及1 9 8 0 年代，s i e m e n s 及k w u 公司共制造了2 0 多台6 6 0 m w 二1 3 6 5 m w 的半转速核电机组。2 0 0 7 年，西门子公司 制造了芬兰某电站1 7 2 0 m w 核电汽轮发电机，其潜在容量可达到2 0 0 0 m w 瞄j 。1 9 7 7 年，法国a 。a 公司制造了首台9 0 0 m w 核电机组，以后相继制造了 1 3 0 0 m w 二1 4 5 0 m w 核电机组。到1 9 9 0 年代初，a a 公司和阿尔斯通公司为法国研 制了3 4 台9 0 0 m w 机组，2 0 台1 3 0 0 m w 机组、4 台n 4 系列的1 4 5 0 m w 机组。2 0 1 0 年，法国阿尔斯通公司为法国某电站研制了1 8 0 0 m w 核电汽轮发电机1 2 引。 与国内学者对汽轮发电机转子定子通风冷却的探究相比，国外学者同样做了 大量的研究：国外a f m m o r 【2 3 】用有限元法解热传导方程求解转子三维温度场；美 国学者r e m a y l e 等人对电机定转子之间的气隙中流体流动进行实验和分析研究 【2 4 】；日本的氏家隆采用有限元法进行了旋转电机的通风风路等计算 2 5 】；印度的学 者m s r 面a g o p a l 等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【2 6 j 等等。 1 2 2 汽轮发电机通风冷却技术研究现状 汽轮发电机的冷却方式经历了多种变化过程。从最早的空气冷却发展到氢气 冷却，再到液体冷却，继而到目前研究的热点蒸发冷却。每一种冷却方式都各 有其优缺点。 空气冷却【2 7 】：空气冷却在结构上最简单，费用最低廉，维护最方便，特别是 适应目前环保( 例如，蒸汽联合循环发电厂) 和一些特殊场合( 例如，采用天然气作 为燃料的发电站) 的要求，这些显著的优点使得空气冷却首先得到了应用和发展。 氢气冷却【2 8 】：氢气的比重小，纯氢的密度仅为空气的1 1 4 ，导热系数为空气 的7 倍，在同一温度和流速下，放热系数为空气的1 4 1 5 倍。由于密度较小，在相 同气压下，氢气冷却的通风损耗、风摩损耗约为空气的1 1 0 ，而通风噪声亦较小。 氢冷电机的效率提高的同时还明显降低了温升。 全液冷却【2 9 】：液体的比热，导热系数比气体大，所以液冷的散热能力较气冷 大为提高。水是很好的冷却介质，它具有很大的比热和导热系数，价廉无毒，不 助燃，无爆炸危险。通水冷却的部件冷却效果极为显著，允许承受的电磁负荷比 空冷和氢冷高，从而提高了材料的利用率。 蒸发冷却【2 9 、3 0 】：蒸发冷却方式是利用冷却介质液体汽化吸热的原理来进行电 机冷却的。蒸发冷却从原理上说是一种最高效的冷却方式，汽化热大，所需流量 小，绕组各部分之间温差小，因此成为目前冷却技术研究的新方向。 重庆大学硕士学位论文 1 3 本文汽轮发电机通风冷却研究创新点 此前研究几乎都是针对转子局部特性进行研究。譬如，只对转子固体结构建 模，对流固交界面上的对流换热采用经验公式计算得到的对流换热系数进行处理 h 1 、4 4 1 。要么就是计算区域仅限于转子的一个轴向单元。以上这些研究不能反映风 沟内各处对流换热性能不均匀的本质以及转子温度的轴向变化情况。 在研究对象方面，大量文献中只研究转子部分，或只研究定子部分，这样的 模拟结果是不够准确的。因为发电机在运行过程中，转二子和定子是不可分开的， 两者相互影响。我们同样有必要把转子、定子看作一个整体，对其进行研究，只 是侧重点不同。同时，我们还可以得出转子与定子之间的气隙的压力、温度分布， 因为转子边沿的散热好坏严重影响转子线圈内部散热。这些也是大量文献没有提 及的。 1 4 研究目的及内容 1 4 1 研究目的 随着氢冷汽轮发电机容量不断增加，线圈尺寸加长，通风系统复杂，转子通 风系统属多风路冷却系统【3 引。为减小因通风不均引起的轴向温差，本文通过计算 机模拟实验的方法对某1 0 0 0 m w 核能发电机转子通风冷却过程和定子流动阻力特 性情况进行数值模拟，分析核能发电机在以一定的转：速转动过程中转子线圈风沟 内流体流动、传热特性，同时分析汽轮发电机转子副j 潜段风量分配规律，减小因 通风不均引起的温升，从而得到发电机转子通风冷却效率，为核能发电机转子及 定子冷却技术改造及结构优化设计提供理论指导，进而降低转子线圈作为内热源 的发热量，最终实现核能发电机发电效率高的主要目标。 1 4 2 研究内容 针对大容量氢冷汽轮发电机运行时的流体场和温度场之间相互耦合的复杂情 况，为了准确计算出转子线圈槽内氢气与线圈传热的温度场、转子轴向供风量的 均匀性、定子的流动阻力特性，本文以某1 0 0 0 m w 大型氢冷核能发电机八分之一 转子、定子半轴长为研究对象，建立转子本体副槽径向通风、轴向通风及单元定 子风道通风的物理结构模型。基于计算流体动力学( c f d ) 原理，运用有限体积 法进行三维紊流流场的数值模拟【3 4 1 ，得出进入转子本体线圈槽内通风道、转子副 槽通风道的空气量，同时得出单元定子通风道的流动阻力特性。针对转子本体， 提出单位绕组轴向长度供风量评价风量分布均匀性。针对定子，提出多孔介质模 型。本文的方法及结论对大型电机转子本体部分轴向通风与副槽通风长度优化设 计提供理论依据。 本文主要研究内容如下： 1 绪论 建立核能发电机定子单元风沟的气体流动的物理数学模型，并提出相应的数值 模拟方法和技术；通过数值模拟得到单个定子风沟的流场、压力场，进而研究定 子中流体流动阻力特性； 建立核能发电机两种转子单元风沟内气体流动、传热的物理数学模型，在1 ) 的 基础之上，将定子看作多孔介质模型，并提出相应的数值模拟方法和技术；通过 运用数值模拟方法，得到单元转子风沟的流场、压力场，温度场； 建立半轴长的一个槽的转子、定子及气体耦合传热的物理数学模型，并提出相 应的数值模拟方法和技术；通过运用数值模拟方法，得到半轴长转子、定子风沟 的流场、压力场，温度场； 通过分析，得到转子本体副槽风沟进出口流量分配，转子线圈传热量。 一 重庆大学硕士学位论文 = 一一 6 2 发电机定子单元阻力特性分析 2 发电机定子单元阻力特性分析 2 1 引言 本章研究的是定子部分的阻力特性，其目的是为了准确解析转子部分的通风 散热。因为发电机转子在高速旋转过程中，转子风沟介质流量分布及转子表面与 气隙内冷却介质之间的摩擦散热与定子部分的流动阻力特性是分不开的。 2 2 定子单元流动的物理数学模型 定子的流道是由片状的定子铁芯和垫条形成的空间。在每一个轴向位置，这 样的流道是沿周向均匀分布的，因此，只需研究周向一个流道或一个单元即可代 表定子单元的阻力特性。 一个定子单元流道结构如图2 1 所示。图中模型下部区域代表转子与定子之间 的气隙空间，模型的底面为旋转的转子外表面。中部较窄的区域表示定子铁芯间 的流道，上部表示定子与外壳之间的环形空间。冷却流体从下部气隙进入定子铁 芯问流道，然后经上部气隙流出，其压降主要发生在定予铁芯间的流道内。从理 论上讲，流体压降或阻力损失由两部分阻力构成：一是流体流动摩擦阻力，二是 流体转向和流动截面改变引起的局部阻力。 本文首先建立定子单元流道内三维湍流流动的物理数学模型，并采用数值模 拟方法研究其流场结构和阻力特性，为发电机转子通风冷却模型的分析奠定基础。 图2 1 发电机定子单元流动模型 f 远21t h es t a t o ru n i to fg e n e r a t o rn o wm o d e l 重庆大学硕士学位论文 在三维笛卡尔坐标系中，以张量形式表示的描述流体流动特性的连续性方程、 动量方程分别如下： 连续方程： 婴：o( 2 1 ) d x 动量方程： 专c 肛一，= 专眦够毒十等卜弓够警卜詈 ， 由于定子单元流道内流速较高，气体流态处于旺盛紊流区。此外，由于流道 内气体转弯以及流道截面变化较大，对于这种存在大的流体应变率的情况，流道 内的湍流适宜于采用i 斟g 舡s 双方程湍流模型处理。 湍动能方程： 蠹c 腿护去卜够差，卜一胪 亿3 ， 湍动能耗散率方程： 去c 雕，= 去lc 筹， + c 1 。弘s 2 尸譬一r 亿4 ， 有效粘度鼬鼬驴一h 老嘉j 衔虬方程眨3 乏4 冲的系跏七 和口分别为功程、方程的有效p 啪d t l 数的倒数。 2 3 定子单元流动网格建模 定子单元流场模拟的几何模型完全按照实际流道几何结构建立，然后利用 g 锄b i t 软件对其进行网格划分。由于模型几何形状不十分规则，所以将流道几何模 型分割成若干个子模块，分别进行网格划分【3 5 1 。为了：最大限度地减少数值误差， 同时也为了控制计算区域网格划分单元数，加快数值计算的收敛速度，在网络划 分时完全使用六面体单元网格。在进行计算区域离散的时候，采用了容积拆分的 方法，将整个计算区域分离成若干块。网格建模时，在壁面区域施加边界层网格， 以保证湍流模型及壁面函数法的适用性。 计算模型网格划分情况如图2 2 所示。模型的总网格数为1 2 0 1 8 0 万左右( 在 求解器中利用网格白适应技术调节网格密度) ，其网格倾斜度最大不超过0 4 ，绝大 多数在0 1 以内。 2 发电机定子单元阻力特性分析 图2 2 定子单元网格模型( 局部) f i g 2 2g r i dm o d e lo ft h es t a t o ru n i t ( 1 0 c a l ) 2 4 数值方法及收敛策略 对于定子单元内湍流流动的三维控制微分方程，采用b a l i g a & p 砒m _ k a r 提出的 控制容积有限元法( c o n 仃d 1v 0 1 眦eb a s e df i n i t ee l e m e n tm 劬o d ，c v f e m ) 进行求 解，控制方程的对流项采用心e 和c h o w 提出的二阶上风格式进行离散，扩散项采 用线形插值多项式进行计算。速度和压力偶合采用s i m p l e 算法处理。 对于定子内不可压缩气体流动，模型入口采用速度进口边界条件，指定入口 边界流速、密度以及黏度等物性参数。流体出口为等压力边界。湍流的处理采用 r n g 舡湍流模型。 为了准确模拟流体在壁面的阻力特性，采用加强型壁面函数法模拟壁面湍流 特性。这对壁面处网格密度提出了更高要求。在迭代计算过程中，壁面网格密度 进行自适应调整。即根据计算结果调整壁面附件网格密度，使得壁面y + 1 5 范围。 由于流速较高，湍流强度大，需要对迭代计算过程采用欠松弛技术进行适当松弛。 本文中速度欠松弛因子可取到0 4 0 5 ，湍流动能和湍流耗散率的欠松弛因子取为 0 6 ，并采用s n p l e 算法求解。 针对具体工况进行调试，每个工况一般需要迭代5 0 0 0 6 0 0 0 次左右方能达到给 定的收敛准则。 2 5 定子单元流场计算结果 2 5 1 氢气物性参数计算 由于在定子内氢气的压降与绝对压力相比很小，因此定子内的氢气按定常不 重庆大学硕士学位论文 可压流体考虑。实际运行中，从转子气隙入口至定子出口之间有一压降，该压降 约为2 5 0 8 0 0 p a 左右。然而，氢气的绝对压力为4 x 1 0 6 p a 左右，因此氢气压降占绝对 压力的比例小于0 0 1 。由于氢气压力变化引起的氢气密度变化很小，因此，计算 过程中氢气当成定常不可压流体来进行处理，氢气物性按表2 1 所示考虑。 表2 1 氢气物性参数 t a b l e 2 1h y d r o g e nm a t e r i a lp a r a m e ：t c r s _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 压力密度 动力粘度运动粘度导热系数质量热容 ( 塑尘( 圣逍)( 旦垒：堂f 建盟( 巡) ( 燮) 4 0 1 30 4 3 0 9 11 0 8 0 5 3 1 0 。52 5 0 7 5 5 1 ( ) 。50 1 7 9 61 0 4 1 5 6 2 5 2 定子单元流场分析 本节对定子单元流场特性进行分析。在转子与定子气隙内，既有氢气的轴向 流动，还有部分从转子流出的氢气，且气隙内气流有旋转运动。为简化起见，只 考虑气隙内轴向进入的气流，但考虑转子外沿即模型底面的旋转效应。计算的入 口气流速度依次为0 7 、0 8 、0 9 、1 0 、1 1 州s ，可以折算出相应的定子单元入口速 度依次为：2 6 2 2 、2 9 9 7 、3 3 7 1 、3 7 4 6 、4 1 2 l 州s 。而定子单元径向风沟入口气流 速度的设计值为3 1 9 耐s 。系列计算工况的设计主要是考虑计算点处于设计值附近 范围，以适应在设计点附近速度的变化。 如图2 3 所示为模型入口速度o 9 州s 即定子单元径向风沟入口气流速度为 3 3 7 1 州s 时计算得到定子单元模型中心截面上的压力分布。由图可见，定子单元 的压降主要发生在气隙至定子风沟入口这个环节，其次是进入定子径向风沟的起 始段。气隙至风沟的压力损失主要是由于流道截面变化导致的局部阻力损失。气 流进入径向风沟的起始段，由于流速较高，因此该段内的阻力损失主要是摩擦阻 力损失。 1 0 2 发电机定子单元阻力特性分析 暇i 鬻2 一+ o ： 2 啦e 十0 2 2 1 6 e + 0 2 10 0 e + 0 2 16 如+ 0 2 13 8 e + 0 2 ；辩日1 1 1 e 柚2 麓冀篓： l 豁30 3 e + 0 1 黼i72 2 e + 0 0 l 蘑菇18 8 e + 0 1 “鞘4 4 9 e + 0 1 联| | | 互。 图2 3 定子单元流道压力分布 f i g 2 3p r e s s u r ec o n t o u ri nt h ef l o wc h 锄e 1 图2 4 为定子单元流动的速度矢量图。由图可知，定子单元内的流量主要分配 在中间的三个流道上。在三个中间流道以外的左右两个流道有部分流体分流且在 分叉口下方存在一定程度的涡旋。 图2 4 定子单元流场速度矢量图( 局部) f i g 2 4v e l o c i t yv e c t o ri nt h es t a t o ru n i t ( 1 0 c a l ) 2 5 3 定子单元阻力特性分析 定子单元流场计算的目的是得到其阻力特性。工程中流道阻力特性通常用阻 重庆大学硕士学位论文 力特性系数来表示。流动阻力特性系数定义如下【3 6 】： 厂= 卸( 丢肛2 ) ( 2 5 ) 式中，卸表示定子单元进出口总压差，即阻力损失( i ，a ) ；p 为流体密度( k g m 3 ) ； 铭表示流道特征速度。这里，特征速度可以取定子径向风沟入口处的速度。 如表2 2 所示，经过一系列计算，得到不同入口速度下定子单元阻力特性。 图2 5 为根据表2 2 绘制得到定子单元阻力系数随流速变化关系曲线。由图可 见，定子单元阻力特性系数随速度的增大而减小，且几乎随速度二次方关系变化。 在后续研究转子通风冷却特性的时候，该阻力特性系数将作为转子通风冷却模型 的输入条件。 一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j薹i一一一一一一一一一一一一 一一一一雌吣。他m 2 发电机定子单元阻力特性分析 图2 5 定子风沟阻力特性系数 f i g 2 5c u r v eo fp r e s s u r ed r o pc o e m c i e n to f g t a t o ru 1 1 i tv e r s u sv e l o c 时 2 6 小结 通过对发电机通风冷却系统定子单元的数值分析研究，掌握了发电机定子风 沟的流场结构以及流动阻力性能，得到了相应的阻力系数变化规律，为发电机转 子通风冷却模型的建立以及数值分析奠定了基础。 重庆大学硕士学位论文 一一 1 4 3 发电机转子单元耦合传热特性分析 3 发电机转子单元耦合传热特性分析 3 1 引言 本章考察两种不同结构的转子单元风沟，通过对比分析哪种通风结构对转予 线圈的散热能力强，从而为1 4 5 0 m w 核能发电机的设计提供理论指导依据。 3 2 转子单元流动传热的物理数学模型 模拟发电机转子单元流动传热特性的目的是掌握不同氢气流量范围内转子单 元的冷却传热特性及局部温度分布特征；另一方面，对风沟阻力特性的研究可以 得到风沟阻力特性数据，为通风网络分析提供基础数据。此外，还需对不同风沟 结构的阻力特性进行对比。 转子单元模型包括周向和轴向一个风沟单元及其所代表的转子、线圈、槽楔、 垫条、绝缘等结构，如图3 1 所示。冷却流体氢气白副槽入口流入，然后经径向风 沟流向气隙。气隙入口处另有一股氢气轴向流入，与风沟流出的氢气混合后，一 部分通过定子流出，另一部分轴向流出。线圈部件发热功率由设计损耗给出，氢 气在流经线圈内风沟和气隙时被加热，线圈及其它固体结构被冷却。单元模型中， 气隙两侧为周期性边界条件，固体部件四周为对称绝热边界条件。定子部分的阻 力特性根据第二章分析得到的结果计算。 子 体 ( a ) 整体结构( b ) 双桥风沟结构 ( c ) 单桥风沟结构 图3 1 发电机转子单元耦合传热模型 f i g 3 1t h ec o u p l e dh e a t 仃a n s f e rm o d e lo ft h er o t o ru n i to fg e n e r a t o r 很显然，转予单元内的流动传热过程是一个三维流固耦合传热问题。本文建 重庆大学硕士学位论文 立转子单元结构内流固耦合传热的三维物理数学模型，采用数值模拟方法研究其 阻力和传热特性，掌握不同冷却风量下风沟阻力特性及转子单元温度分布特征及 其变化规律，为发电机转子通风冷却模型的分析奠定基础。 在三维笛卡尔坐标系中，以张量形式表示的描述流体流动特性的连续性方程、 动量方程分别如下： 连续方程： 罂：o( 3 1 ) 僦2 动量方程： 毒c 彤玛，= 毒c 等+ 等，一号够警卜鲁 2 ， 能量方程： 去卯= 去卜考， + 考卜十雾一差 限3 、 由于定子单元流道内流速较高，气体流态处于旺盛紊流区。此外，由于流道 内气体转弯以及流道截面变化较大，对于这种存在大的流体应变率的情况，流道 内的湍流适宜于采用r n c 融s 双方程湍流模型处理。 湍动能方程： 去c 以护去卜够差，卜一 4 ， 湍动能耗散率方程： 去c 觯) = 去f ( 考) i + c 1 。弘s 2w ：。p 譬础 ( 3 5 ) 有效粘度从呵由够h 亳嘉l 衍虬方程限4 a 5 肿的系凯后 和及。分别为七方程、方程的有效p 础d t l 数的倒数。它们由下式得到： 一心。， p 嚼 ( 3 6 ) 其中口。在计算及r ，优尼和优时分别取1 n ，1 0 和1 o 。式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) 中劝平均应变率张量的模，定义式为s ：卢丙，其札岛= 丢售+ 挈。方 。c 口户刁3 ( 1 一刁印o ) 占2 程( 3 5 、) 中r 由下式得出：月2 五孑厂t 。其中巧= s 七座，吼z4 3 8 ，程( 3 5 ) 中r 由下式得出： l + 叩。 克。其中巧2 一引，o2 电， 3发电机转子单元耦合传热特性分析 f = o 0 1 2 。模型中的常数q ，c s 和c 2 s 分别为o 0 8 5 ，1 4 2 和1 6 8 。 3 3 转子单元网格建模 转子单元耦合传热模型完全按照实际几何结构建立。对于流体区域，需要准 确解析其流场和温度场，因此流体区域采用精细的六面体单元进行网格划分，且 在壁面附近区域进行网格加密，近壁面网格间距最小0 2 1 1 1 1 1 1 。转子本体结构较规则， 也采用六面体单元划分网格。转子槽内的结构，包括槽楔、导条、垫条、槽底绝 缘、线圈等采用四面体和五面体单元进行区域离散。此外，在气隙内近转子外沿 约1 4 气隙厚度的同轴柱面设置为旋转参考系与绝对坐标系的交界面，交界面以内 的流体为旋转参考系统。计算模型网格划分情况如图3 2 所示，模型的总网格数为 2 0 0 万左右。 ( a ) 转子单元( b ) 风沟 图3 2 转子单元网格模型( 局部) f i g 3 2g r i dm o d e lo f 廿l er o t o ru n i t ( 1 0 c a l ) 3 4 双桥风沟结构转子单元耦合传热计算结果 3 4 1 材料物性及计算条件 如表3 1 所示，氢气物性任然按表2 1 所列常物性气体计算。发电机转子单元内 所涉及固体材料热物性参数。 重庆大学硕士学位论文 表3 1 电机材料热物性参数 7 i 、a b l e 3 1t h e n n 2 l l p h y s i c sp r o p e r t i e so fm o t o r 。- 。- 。l _ - l _ _ _ 。_ _ l 。- _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ l _ _ - _ 一_ _ - _ _ l _ - _ _ l 。l _ _ l _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 一 材料 密度，热传? 系数 比热 ! 堑：里：! ! 里：里：垦：! ! ! ：丝：! ：坚! ! 铜线 8 9 3 3 3 9 03 8 5 转子铁心7 8 2 23 74 4 4 转子槽楔2 7 7 01 7 08 7 5 绝缘材料 1 5 0 0o 2 0 o 2 41 7 0 0 此外，线圈匝间绝缘的厚度为0 5 2 m m ，槽侧绝缘层厚度为1 2 m m 。在f l u e n t 求解器内，绝缘层相应界面处应设置相应的绝缘层厚度，以考虑绝缘层的等效导 热热阻。 计算条件： 副槽入口氢气质量流量：0 0 0 8 、o 0 1 、0 0 1 2 、o 0 1 4 、o 0 1 6 、o 0 1 8 、o 0 2 k g s ， 入口氢气温度4 0 。 气隙入口氢气质量流率：0 0 7 2 k s ，相当于半轴长转子气隙轴向中间位置的流 量，速度约1 9 2 州s 。转子单元气隙出口质量流量为入口质量流量的2 3 2 4 ，相 当于转子端部气隙流入气体沿轴向均匀分配到定予部分。这样设置的目的是为 了能大致考虑气隙内较高气流速度对转子的冷却。