129MVA全空冷水轮发电机通风系统研究

丁大鹏，李广德，朱 磊

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040)

目前研究全空冷水轮发电机通风系统的手段主要有场路建模计算、真机通风试验及通风模型模拟试验［1－3］。越南斯雷博克Ⅲ水轮发电机组是中国对外出口机组，单机容量为129 MVA，本文以这台机组为例，通过理论计算与真机试验相结合的方式，对机组通风冷却系统进行研究，并用试验结果验证理论计算的准确性。

1 通风系统简介

越南斯雷博克Ⅲ水轮发电机组采用双路径向无风扇端部回风结构。转子支架、磁轭、磁极自身旋转产生风压，驱动冷却空气依次流经转子支架入口、磁轭间隙、磁极间、气隙和定子径向风沟，在定子背部汇集，将发电机损耗热传递给空气冷却器，与冷却器中的冷却水热交换散去热量后，重新分上、下两路流经定子线圈端部进入转子支架，从而完成一次密闭自循环过程。

针对这类通风系统特点，设计中需综合考虑产生风压头、沿程风阻及过流面积3个方面。转子支架尺寸直接影响压头的高低，其尺寸选取应在满足通风系统所需风压的前提下，以减小压头损失为主，避免不必要的风摩损耗。转子磁轭风沟、风隙尺寸是影响风阻和过流面积的主要因素，在转子强度允许范围内，应保证转子极间有足够的过流面积。在工程实践中，可通过调整叠片间隙的宽度来控制极间过流面积，对于较大容量机组还可在转子磁轭上开径向风沟来增加过流面积，改变每层叠片片数、叠片串整极还是串半极等手段均能有效改变极间过流面积的大小。

本例中转子支架重心半径2.1 m，转子磁轭采用无径向风沟，叠片间隙0.14 m，每两片一叠，串一个整极的叠片方式。

2 通风系统计算

根据斯雷博克Ⅲ水轮发电机组通风系统结构，应用流场模拟软件FLOWMASTER确定计算网络，其中包括转子支架、磁轭、磁极的压力元件及风阻元件，定子入口、出口风阻元件，冷却器风阻元件等。赋值计算结果如图1所示。

图1 通风系统网络图

从图1中可以看出，总风量Q=63.48 m3/s，上端进风量Q=31.6 m3/s，下端进风量Q=31.9 m3/s，轴向风量分布比较均匀。但在气隙两端、极间轴向一些风隙处，漏风现象严重(气隙两端漏风约16 m3/s，占总风量25%)。为了提高有效风量，需对各漏风处采取有效措施，如安装旋转挡风板挡住部分气隙及磁极轴向，同时在定子上加挡板，保证此处气隙小于8 mm。另外，为了提高电机效率，可将挡风板伸至支架处挡住磁轭与支架间的缝隙，以使通风损耗有所降低。

通过电磁计算得出机组需冷却器带走损耗为1 863.8 kW，按照国家电机设计标准(温升按28 K计算)计算公式如下:

式中:Q为总风量，m3/s;P为损耗，kW;C为比热，J/(kg·K);ρ为密度，kg/m3;ΔT 为温升，K。

计算电机所需风量60.51 m3/s，通风系统设计风量为63.48 m3/s，设计风量留有5%裕量，因此通风系统能够满足机组通风冷却要求。

3 通风损耗计算

通风损耗是发电机运行中由于机组内部流动空气与定转子表面摩擦产生的损耗，也叫风摩损耗。通过大量真机试验数据分析，总结出通风损耗经验公式为

式中:nN为额定转速，m/s;DR为转子外径，m;Q为总风量，m3/s;C 为常数，C=4.1 ×10－6。

按照式(2)计算，Pv=441.8 kW;nN=125 m/s;DR=10.423 m;Q=63.48 m3/s。

通风损耗约占总损耗23.7%，符合水轮发电机设计要求。

4 真机试验

4.1 总风量测量

风量测量的目的是判断电机风量是否与计算值相符。风量测量有多种测量方法，本试验用“中速风表”测量冷却器的平均出风速度，此风速值与冷却器面积及冷却器个数相乘，即得总风量为Q=v·s·n 。

机组装备12个冷却器，单个冷却器面积约为1.84 m2。发电机空载运行至额定转速，流场稳定后采用中速风车测取其中6个冷却器风速，试验数据如表1所示。

从表1的试验数据可以看出，机组总风量约为Q'=62.95 m3/s，与设计值 63.48 m3/s仅存在0.83%的偏差，这说明采用上述计算方法对水轮发电机通风系统总风量的计算精度很高，能够满足电机设计要求。

表1 风量测试数据

4.2 通风损耗测量

通风损耗测量的原理是在发电机空转运行至额定转速，达到热稳定后，测得冷却器带走的损耗即为通风损耗。基于式(1)，冷却器带走损耗的测量方法有两种:一种是测得冷却器过流总风量和冷却器前后风温差;另一种是测量流经冷却器的冷却水流量和进出水温差。因为本试验已经测得总风量，所以在通风损耗测量试验中采用了第一种测量方法［4］。

利用电阻法可以方便准确地测量出冷却器前后的气体温度。电阻法是一种利用金属的电导率随温度变化而变化的物理性质测量电机内温度的一种方法，其阻值与温度之间的关系为

式中:R1、R2为当温度分别为 t1、t2时的直流电阻值。

用细铜线绕制尺寸略小于冷却器的7个电阻网，其中6个作为热风网，1个作为冷风网，并在相对稳定的环境中测得电阻网初始电阻值，如表2所示。

表2 电阻网初始电阻值温度值

选取6台冷却器作为测量目标，在这6台冷却器热风面安装6个热风网，测量热风面风温，冷却器冷风面风温由冷风网逐一测量。启动电机空转至额定转速达到热稳定后，对电阻网电阻值进行测量，并由式(3)计算出6个电阻网温度值，如表3所示。

表3 电阻网测量值及温度计算值

由式(1)计算求得通风损耗为

其中:Q=62.95 m3/s;C=1 020 J/(kg·K);ρ=1.12 kg/m3;ΔT=(36.41－30.36)=6.05 K。

试验测得通风损耗Pv与计算所得通风损耗Pv'仅存在0.77%的偏差，这说明采用上述计算方法对水轮发电机通风损耗的计算精度很高，能够满足电机设计要求。

5 结论

1)通过建立风路网络，模拟真机通风系统的方法得出机组总风量为Q=63.48 m3/s，并基于此总风量计算得出通风损耗Pv=441.8 kW。

2)通过对真机通风系统实验，测得机组总风量Q'=62.95 m3/s，通风损耗Pv'=438.4 kW。

3)两种方式得出的总风量和通风损耗相差10%以内，充分说明了这两种分析方法的正确性。

［1］DRIESEN J，BELMANS R J M，HAMEYER K.Finite－Element Modeling of Thermal Contact Resistances and Insulation Layers in ElectricalMachines［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(1):15 －20.

［2］王海鹏，丁树业，张晓利.大型发电机定子径向通风沟流体流动特性研究［J］.黑龙江电力，2009，31(6):421 －425.

［3］丁树业，李伟力，靳慧勇.发电机内部冷却气流状态对定子温度场的影响［J］.中国电机工程学报，2006，26(3):131 －135.

［4］丁大鹏，李广德，安志华.抽水蓄能机组温升与通风系统分析［J］，黑龙江电力，2011，33(3):225 －227.