CFD在空内冷汽轮发电机转子冷却中的应用

荆中金，毕景良，翁祥玲，周 平，焦 明

(1.山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100;2.北京清华大学热能工程系，北京 100084)

0 引言

空冷发电机有性能稳定、使用成本低、维护方便等诸多优点。随着空冷发电机单机容量越来越大，转子表面冷却的间接转子冷却方式已经不能满足大容量发电机转子的通风冷却要求。因此广泛采用转子导线直接冷却方式。空内冷汽轮发电机转子线圈的通风计算是计算空内冷发电机冷却的重点。

随着计算机分析软件的不断发展，我们对复杂的流体流动过程可以借助FLUENT对转子线圈里的空气流动进行仿真。特别是在发电机的设计过程中，通过FLUENT计算，可以对发电机线圈的设计过程进行优化计算［1］，追求良好的效果，大大提高了设计效率及准确度。

1 计算模型

对于发电机转子线圈或者转子线圈槽的模型，其封闭的空间为控制体，各个面为控制面，冷却空气从一个面进入，从另一个面流出。在这期间模型内部的空气质量没有发生变化［2］，由此可导出流体流动连续性方程的积分形式为

式中，Vol表示模型内流体流动的腔体，A表示模型的空气入口和出口。等式左边第一项表示模型内部质量的增加;第二部分表示通过模型后的净通量。

在直角坐标系下，可将其转化为微分形式如下

由于冷却空气在转子表面和转子导体内部的流动复杂性，通常是湍流问题，为此我们需要对N-S方程进行部分的理想处理，不考虑空气的黏性。理想空气的流动模型为Euler方程:

图1 空心导线结构

2 空心导线的模型分析

2.1 发电机空心导线的基本结构

图1为空心导线结构的外观。空心导线的进风口和出风口不在一个平面。

冷却空气从侧面入口进入导体后，沿导线流向出口，并从出口垂直流出。

2.2 空心导线的建模及计算

FLUENT是目前流行的一种计算流体力学和传热问题的软件。它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。相对于其他专业化的CFD(Computational Fluid Dynamics)分析软件，FLUENT的专业化和功能性最强，同时FLUENT还可以根据计算结果调整网格。这种在计算中不断调整网格的计算模式有效而且高效。

2.2.1 空心导线的网格生成

由于空心导线是沿长度方向完全对称的，可以对导体的一半进行建模，并对其进行网格的划分。图2是空心导线入口的网格划分示意图，图3是空心导线出口的网格划分。由于冷却空气流经的空心导线中间部分是规则的长方体，其网格划分也比较均匀，所以主要给出了进口和出口的网格。

通过几次网格的优化，最后确定网格数为286 749个网格。其中，近壁面网格高度为0.1 mm。

2.2.2 设置求解方法及边界条件

湍流模型采用标准k-ε模型，近壁面处理选择标准壁面条件。考虑到空气是可压缩气体，而且进口界面上空气速度并不完全一致，因此为了与实际一致，选择Mass flow inlet(质量进口)，出口边界条件为Pressure outlet(压力出口)。

模型内部是流体，介质为空气。运动形式(Motion type)设置为 Moving reference frame。旋转半径选择导线与转子中心的距离。

出口的半圆柱形的中心截面设置为Symmetry边界条件。

对各个壁面动量边界条件的设置，墙体运动形式(Wall motion)设置为运动壁面(Moving wall)，壁面粗糙度根据导体的粗糙度设置为1.6×10-6m，粗糙度常数为0.5。导体通过电流后对空气加热，根据导体产生的热量，设置Heat Flux为Heat Flux 1 936 W/m2。

空气入口的边界条件选择质量入口。根据实际情况设置为0.003 9 kg/s，进口温度设置为空冷器冷却后的冷却空气温度323 K。

3 计算结果及分析

3.1 进出口温度和压强分析

图4 冷却空气进口温度场

A为冷却空气入口;B为冷空气入口处导风结构;C为冷却空气进入导体后的一个流动截面。

图4是冷却空气在经过进口时的温度变化，经过计算A面的平均温度为323.4 K，B面平均温度为334.4 K，C面平均温度为324.4 K。经过入口后由于风阻和湍流，以及高速旋转的影响，进口后风温升高1 K，B面由于是导体面而非空气面，所以温度最高。

图5是冷却空气在经过进口时的压强变化值，仍然沿用图4中A，B，C面来解释。经计算A面的压强平均值为7 222.5 Pa，B面压强平均值为7 182 Pa，C面压强为5 688.8 Pa。经过进口进入导体的冷却空气，由大的流通面进入小的流通面，流动截面发生变化，而且流通方向发生显著改变，所以压降比较大。

图5 冷却空气进风口压强变化

3.2 导线出口的温度和压强分析

图6是空气经过导体内部，经过一个很复杂的运动和加热过程之后出口的压强变化。其中D为出口前的导体内风压的分布图，E是空气在出口前的风压分布。从图可以看出D和E基本相同，经过计算D和E风压的平均值为1 697.2 Pa，而F的压强值约为零。

图6 空气经出风口的风压分布

图7 空气出风口的温度分布

图7为空气出风口的温度分布。沿用图6中的D、E、F来解释，D面的流体平均温度为359.4 K，E由于靠近出风口F所以温度有偏差，所以温升以D面为准，由图4知进风口温度为323 K，出口温度为359.4 K，经过导体后空气温度升幅为36.4 K，与发电机实际导线棒冷却空气的温升大小相符。

3.3 整根导体压降和温升分析

图8为导体壁面沿空气流动方向的压降。可以从图中看出压降下降为4 000 Pa左右，这是由于气体绝大多部分是远离壁面进行流动，所以沿着壁面的压降比进出口的平均值略小，这是符合流体性质的。

图8 壁面沿空气流动方向的压降

图9为导体壁面沿空气流动方向的温升情况。剔除出口由于气体的运动复杂性导致温升突变，可以看出导体壁面的温度最低332 K，最高为384 K，相比较冷却空气的323 K和359.4 K，最低温度分别升高9 K和24.6 K，导体壁面的温升52 K，可见导体的温升要比空气温升要高一些。

图9 壁面沿空气流动方向的温升情况

4 结语

经过数次的计算和优化，单根导线的数据基本与实际情况相符。笔者试图计算整个转子的线圈通风冷却情况，但是数千万个甚至十数亿的计算网格使得工作站很难承受，所以试图以一根导线的计算结果来分析整个转子的冷却效果，以对通风冷却过程有一个更全面的了解，给设计空冷发电机工作者提供借鉴作用。

［1］李诗久主编.工程流体力学［M］，北京:机械工业出版社，1980.

［2］V·L·Streeter著.流体力学［M］，周均长等译.北京:高等教育出版社，1987.