180MW空冷汽轮发电机通风系统计算

李巧珍,徐国俊,张嘉康

(上海电气电站技术研究与发展中心,上海 200241)

1 前言

近年来,空冷汽轮发电机以其安装维护方便、辅助系统少等优势,成为汽轮发电机的发展趋势。

180MW空冷汽轮发电机转子为副槽径向通风直接冷却,定子铁心为轴向分区的径向风道冷却,定子绕组空气间接冷却。在发电机主要部件处,冷却风量分布合理与否将直接影响电机的性能指标、安全运行的可靠性及电机的使用寿命。因此分析计算研究发电机通风系统的风量风压分布,是汽轮发电机设计过程中必须重点考虑的问题之一。

2 通风系统介绍

整个发电机的风路分为三部分:第一部分从机座上设置的轴向管道将冷空气引到定子铁心背部的进风区,另一部分冷空气从端部定、转子之间的气隙进入,第三部分冷空气由护环下端部空间流入转子绕组。三部分气体在气隙汇合后经定子出风区的径向通风道流出铁心,再经定子铁心背部机座空间流入冷却器。如图 1所示。

由图 1的风路示意图转化成图 2的等效网络图。

3 计算假设及计算方法

3.1 计算的假设条件

通风计算前,根据电机通风系统的特点,作如下假设:

(1)发电机是中心对称的,计算以半个发电机为分析对象;

(2)冷却介质处于连续循环流动状态,流量和压力连续变化;

(3)空气为不可压缩流动,不计空气密度的微小变化;

(4)冷却介质流动随时间变化并不剧烈,可视为定常流动;

(5)忽略重力的影响。

3.2 计算方法

计算方法系发电机通风系统计算的传统方法网络节点法,即根据通风回路中气体的流向分别建立若干个节点,计算每个节点的阻力系数,继而建立等效网络,按交叉点处风量平衡和压力平衡建立方程组。即:

式中:

qi——与该节点相连各支路的冷却介质流量。

冷却介质流经某流道导致压力损失 ΔP:

式中:

ρ——冷却介质密度

F、υ——流道特征截面的面积、冷却介质流速

q—— 各支路流道流量

z—— 各支路风阻

ζ——阻力系数

阻力系数主要包括沿程阻力系数,局部阻力(主要指渐扩、渐缩、突扩、突缩、转弯等)系数、分流及合流阻力系数,它们与流道元件的结构及其内部冷却介质的流动状态有关。

4 计算结果

180MW空冷汽轮发电机通风系统的风量计算结果如图3所示。当风扇压力为 321.06mmH2O时,总风量的计算值为39.7m3/s(一半为 19.85m3/s)。

图3 半个电机的风量分布

图4为发电机通风系统示意图上的风量风压分布,其定子为四进五出通风,转子本体为变节距副槽轴向径向通风,转子端部采用蛇形风道通风,蛇形风道开在端部垫块上,并在大号线圈的端部圆弧部分的铜线上开有锯齿形通风孔。

图4 发电机通风系统风量风压分布

定子为四进五出通风结构,沿定子轴向共分布有 118个径向风道,图 5为半个定子 59个径向风道风量分布示意图。

图5 定子径向风道风量分布

转子本体为变节距副槽轴向径向通风,整个转子本体共分布有 36个径向风道,半个转子本体 18个径向风道风量分布如图 6所示。

图6 转子径向风道风量分布

铁心背压与气隙静压之间的压差计算值和试验值如图 7所示。

图7 铁心背压与气隙静压差

5 结语

(1)从发热角度考虑,由于定子端部磁通比较集中,发热量较大,所需风量也较大,该发电机的端部风量分配为定子端部散热提供了良好的通风。

(2)对转子本体而言,冷却介质沿转子副槽长度因转子径向风道逐步分流后,轴向流量逐步减小,轴向速度下降,从而使转子副槽轴向静压沿轴向不断升高,转子径向风量沿轴向也逐步增加。

(3)铁心背压与气隙静压之间的压差分布合理,计算值和试验值的比较显示,两者基本吻合。

(4)总风量的计算值为 39.7m3/s,设计要求为 40.5m3/s,两者计算结果接近,偏差为 1.98%。该发电机进出风区的风道分配合理,流量和静压分布满足发电机温升设计要求。发电机工厂性能试验结果表明,定子绕组、定子铁心、转子绕组等主要部件的温升均符合 GB、IEC相关标准要求。

[1]丁舜年.大型电机的发热与冷却[M].上海:科学出版社,1992.

[2]上海电气电站设备有限公司上海发电机厂,上海理工大学.大型空冷汽轮发电机通风冷却系统研究[R],上海:上海电气电站设备有限公司上海发电机厂,2008年.

[3]李巧珍,张嘉康,郑东平.空冷 180MW汽轮发电机通风试验报告[R].上海:上海电气电站设备有限公司上海发电机厂,2007.

[4]上海汽轮发电机有限公司,QF-180-2性能试验报告[R].上海:上海电气电站设备有限公司上海发电机厂,2007.