灯泡式水轮发电机通风系统结构与计算

王 宇

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)



灯泡式水轮发电机通风系统结构与计算

王 宇

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

重点介绍该水轮发电机通风系统的结构及计算分析。通过单路径向通风结构与鼓风机相结合强迫发电机内部构成密闭循环的通风系统，再利用通风网络计算进一步优化结构。

灯泡式水轮发电机；通风系统；通风网络

0 引言

马里费鲁水电站项目是马里、塞内加尔、毛里塔尼亚、几内亚四国政府联合开发的一个水电项目，位于马里境内塞内加尔河上，距卡伊城15公里。马里费鲁灯泡式水轮发电机额定容量为23.5MVA，额定功率为21.15MW，额定转速142.8rpm，是我公司自主设计制造的贯流水轮发电机组。其设计特点采用单路径向通风和鼓风机相结合的结构。

1 单路径向通风和鼓风机相结合结构

灯泡式水轮发电机组的直径小，转速低，由转子和风扇等元件所产生的风压较常规水轮发电机的低很多，所以不宜采用常规的自通风冷却方式，而需要采用具有鼓风强迫循环轴向通风的冷却方式。单路径向通风和鼓风机相结合结构是目前我公司灯泡式水轮发电机广泛应用的一种结构，包括炳灵、蜀河的设计都采用了此种结构。冷却空气主要由转子支架、 磁轭、 磁极旋转产生的风扇作用进入转子支架进风口， 流经磁轭通风孔、磁极极间、气隙、定子径向风沟，冷却气体携带发电机损耗热汇集到定子铁心背部，经机壁环板通风孔，到冷却器与冷却水进行热交换，散去热量后，经鼓风机压入转子支架，构成密闭强迫通风系统，另外，汇集到铁心背部的热风还会通过机座壁与河水进行热交换散去部分热量(见图1)。

转子支架进风口是冷却风量的主要过流通道，其结构尺寸的选取一方面应考虑满足冷却气体顺利流过及安装检修维护需要；另一方面还要考虑转子支架的刚强度要求，对转子支架整体和通风口作有限元分析，对正常运行工况(见图2)，和飞逸工况分别进行了受力分析(见图3)。

经过计算通风孔处在正常工况下，综合应力为88.342MPa，安全系数达到5.09；在飞逸工况下，综合应力为200.687MPa，安全系数达到2.25，满足合同要求的1.5倍安全系数。转子上下圆盘各有10个转子支架进风口，上游侧入口有两个面积为0.214m2、八个面积为0.188m2,最小内径为R=1113mm，最大内径为R=1520mm。下游侧入口有两个面积为0.187m2、八个面积为 0.138m2,入口最小内径为R=1113mm，最大内径为R=1482mm。磁轭通风孔是冷却风量过流通道的咽喉，磁轭通风口的位置和大小的选择直接影响风量的均匀分配及冷却效果，分析计算磁轭圈通风孔设计为7段。定子径向风沟数取44, 定子径向风沟高取6mm。机壁环板通风孔是控制发电机风量分配的关键部位之一，通过与定子风沟数的合理分配，可以较好地分配发电机的风量，由于采用通风孔贴壁结构，更有利冷却气体与河水之间的热交换，减轻了冷却器的负担。经分析计算机壁环板通风孔沿圆周每个环板均匀开设42个。挡风板位置，由于本台电机采用单路径向通风方式，在限制端部风量的同时为了保证冷却气体尽量从线圈端部流过，必须加固定挡风板，上游侧将线圈端部与挡风板间隙用橡胶挡死。对于鼓风机的选择，在选择风机前，需计算通风系统的阻力特性，然后根据工作点的压力及流量去确定风机的外特性，选择合适的风机，本台电机采用6台鼓风机。

2 通风网络

我们根据机组的结构，使用流体计算软件进行水轮发电机通风系统计算。流体包括可压缩和不可压缩两种，可进行流体的稳态和瞬态分析及流体动力计算。应用从ABB引进的Flowmaster软件进行计算分析，软件可以模拟发电机风路，其中包括鼓风机、转子支架、磁轭、磁极极间的压力元件及阻力元件；气隙、定子风沟、冷却器等阻力元件，这些元件都用网络元件来模拟。我们应用该软件已在炳灵、蜀河等电站的水轮发电机通风系统进行了分析计算，机组运行时冷却效果良好。

计算软件的后处理可在网络上显示流量、流速、压力等变量，还可绘出各种类型的图，显示方便、清晰，易于理解和分析。

根据通风网络可分析得出：设计总风量为18.94m3/s，1#～6#鼓风机径向通风量为3.1m3/s、2.968m3/s、2.872m3/s、2.838m3/s、2.835m3/s、2.867m3/s，当风量通过阻力元件时风量有所损耗，1#～6#鼓风机径向通风量降为2.574m3/s、2.63m3/s、2.195m3/s、2.207m3/s、1.999m3/s、1.991m3/s通风损耗38KW，通风系统通过补气系统补进2.094m3/s。通过网络计算分析得出此结构可满足机组的通风要求，详细的计算结果可详见图4。

3 结语

马里费鲁电站灯泡式水轮发电机的通风设计充分考虑了机组直径小，转速低等特点，在保证机组安全可靠性的同时，多次对通风结构进行了优化设计，最终采用单路径向通风和鼓风机相结合的结构。在通风元件中特别考虑了转动部件转子支架的受力情况，经过有限元受力分析，使转子支架在最安全稳定的受力区域内保证通风效果。并且运用了先进的流体计算软件搭建了通风网络，精确的计算出机组运行时的各个风路的风量情况，使发电机各项通风冷却性能指标优良，满足了机组长期安全可靠运行的需要。

马里费鲁电站灯泡式水轮发电机是我公司独立自主设计的机组，该项目采用单路径向通风和鼓风机相结合的结构为今后设计制造灯泡式水轮发电机提供了重要的实践经验。

[1] 白延年.水轮发电机设计与计算.北京：机械工业出版社，1982.

[2] 李永峰.灯泡贯流式机组发电机通风冷却方式.广东水利水电，2002.

[3] 郑发平，宋文武，李建秀.灯泡贯流式水轮发电机通风冷却的计算研究.西昌学院学报：自然科学报，2009.

Structure and Calculation on Ventilating System of Lamp Irradiating-Type Hydro-Generator

WangYu

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

This paper chiefly introduces structure and calculation analysis for ventilating system of this hydro-generator. Closed-loop ventilating system inside the generator is forcedly composed by combination of single-path radial ventilating structure and air blower, and then optimized structure is further calculated by ventilating net.

Lamp irradiating-type hydro-generator；ventilating system；ventilating net

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.06

TM301.4+1

B

1008-7281(2016)05-0021-003

王宇 男 1982年生；毕业于哈尔滨理工大学电气工程及其自动化专业，现从事水轮发电机的设计工作.

2016-05-13