半水冷水轮发电机定子线圈稳态温度场分析

童旭松，宋德强，刘平超



半水冷水轮发电机定子线圈稳态温度场分析

童旭松1，宋德强2，刘平超1

（1. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；2. 黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江 牡丹江 150070）

本文利用有限体积法对一台460MW半水冷水轮发电机定子线圈稳态温度场进行了共轭传热计算研究，减少了经验性参数对计算结果的影响。计算结果表明：水温、铜温沿水流方向逐渐增加；线圈中各截面水、铜平均温度及铜最高温度与截面和水路入口的间距成近似线性关系，且三者沿水流方向变化程度相近。

半水冷水轮发电机；稳态温度场；有限体积法；共轭传热

0 前言

作为发电机设计的关键指标之一，温升的大小直接关系到发电设备的寿命及运行可靠性，所以良好的冷却系统起着至关重要的作用。目前主要的冷却方式有空冷[1-2]、氢冷[3-4]、水冷[5-6]及蒸发冷却[7-8]等方式。本文中的水轮发电机定子线圈电流密度高，宜采用半水冷冷却方式，即定子线圈为水冷方式，其他各部件由空气冷却。当前对于水冷、半水冷冷却技术及其冷却作用下定转子温度场计算的研究较多：鲁长彬等对水内冷定子温度场进行了有限元分析，并以刘家峡机组为例将计算结果与实验数据进行了比较，二者较为吻合，验证了有限元方法的可靠性[9]。董韶峰等通过计算的方式研究了水内冷汽轮发电机的定子温度场分布，并模拟了水路堵塞对定子温升的影响[10]。王红宇等分别采用了热-流体耦合有限元方法和网络模型方法对三峡定子温度场进行了分析研究[11-12]。除了在发电设备领域的研究，和伟超、李子健及Ping Zheng等对于水冷技术在电动车领域的应用也进行了一系列关于冷却系统设计及温升计算的研究[13-15]。

就目前的研究情况可以发现，对于采用半水冷方式的定子线圈温度场研究主要还是通过有限元及网络模型的方法进行的，即使是采用热-流体耦合的方法也由于模型尺寸及网格划分等限制只能进行局部分析。本文则是假设定子线圈产生的损耗全部由水带走，利用有限体积法对一条水路长度上的铜与水之间的共轭传热进行了直接的整场分析计算，减少了人为经验参数对计算结果的影响。

1 模型、网格划分及计算方法

由于定子线棒采用水冷方式，计算时假设线棒产生的损耗全部由水带走。线棒水路由三根上层线棒和三根下层线棒组成。为方便建模及网格划分，建模时将线棒展开拉直且不考虑匝间的沿程换位，其中上层线棒的拉直长度为4.88m，下层线棒的拉直长度为4.92m，总长度为29.39m。线棒横截面尺寸如图1，由于其截面为典型的对称结构，所以为了节省计算资源，取其1/4作为计算域，即图中虚线标示处。

将图1中计算域沿水路方向拉伸29.39m即得到对应的三维模型，如图2（a）所示，建模时匝间绝缘利用无厚度面代替。为提高网格质量以保证计算准确性，对实体模型进行网格划分时均采用六面体结构网格。计算中考虑到对流体附面层的求解以及铜与流体的换热作用，所以在近壁面对网格进行了加密，第一层网格节点与壁面的距离为0.1mm，网格总数约为450万，网格剖分如图2（b）所示。

图1 线棒横截面尺寸图

图2 模型及网格剖分示意图

共轭传热问题的求解在Fluent中完成，且认为此传热过程为定常的。因为涉及传热问题，所以需要对能量方程进行求解。湍流模型选用Realizable k-ε，对于粘性底层的处理，这里采用Standard Wall Functions壁面函数。

边界条件如图3所示，水路入口为质量流量入口，对应侧水路出口为压力出口，并将Target Mass Flow Rate设置成与入口处相同的数值，以保证水路流量为定值。水路中间面设置为对称边界条件。不同材料间的每对接触面设置为Coupled耦合边界。建模时，线圈中的匝间绝缘利用无厚度面代替，在求解器中将其设置为0.5mm厚的绝缘材料即可，采用这种设置及求解方法可以带来三个好处：第一，可以有效降低建模及网格划分的复杂性；第二，能够减少网格数量；第三，不用考虑铜材料传热的各向异性问题。图中其余外表面均为绝热面。边界条件及线圈损耗设定值见表1。

表1 边界条件及线圈损耗

图3 边界条件示意图

2 计算结果

图4给出了沿水流方向不同截面的温度分布云图，其中=0m和=29.39m两个截面分别为水路入口端及出口端。从云图中可以看出，水流和线圈温度在入口端温度均最低，随着水流沿程逐渐升温换热性能变差，线圈温度沿程也在升高，且在出口端达到最大值。此外，如图4所示，圈出位置即各截面的高温区，结合图1及图2（a）可发现此高温区发生在顶匝空心线圈相邻的实心线圈处，且靠近主绝缘拐角。高温区域均发生在此位置的原因有两个：第一，顶匝空心线圈为单匝，其他3处中部空心线圈均为双匝，这导致了顶匝空心线圈中水量仅为其他中部空心线圈水量的一半而使其带走的热量少；第二，顶匝空心线圈位于中部，而其他空心线圈均布于两侧，这使二者之间的热量传递不均匀，靠近主绝缘位置处的热量不易被水带走。

从云图中定性直观地分析了沿水路方向（即Y方向）各截面温度的变化情况。下面将各截面中的温度变化进行定量分析，如图5所示。图5中给出了沿水流方向不同截面水的平均温度（加权平均值）、铜的平均温度（加权平均值）以及铜的最高温度值，各温度值的变化趋势与云图中的变化情况一致，均有所升高。其中出口的水温平均值、铜温平均值及铜最高温度值相对入口的分别增长了35.65%、32.54%、29.51%。此外，从图中可以看出各截面温度同该截面与水路入口的距离成近似的线性关系，水平均温度变化、铜平均温度变化、铜最高温度变化的斜率分别为0.61、0.61、0.59，三者斜率相近，即变化程度相近，截距即为入口处各自温度值。

图4 沿水流方向不同截面温度云图分布

图5 各截面水平均温度、铜平均温度及铜最高温度

综上所述，线圈中水、铜平均温度及铜最高温度沿水路流向均会增加，各值与截面和水路入口间距成近似线性关系，且三者沿程变化程度相近。

3 结论

利用Fluent进行定子线圈水冷共轭传热计算可以直接对水与铜之间的换热进行求解，减小了人为输入经验性参数对结果产生影响的问题，并且通过建立无厚度面来模拟匝间绝缘，从而不用考虑铜传热的各向异性问题。从计算结果的分析还得到了以下结论：

（1）水温、铜温沿水流方向会逐渐增加；

（2）各截面线圈中水、铜平均温度及铜最高温度与此截面和水路入口的间距成近似线性关系；

（3）同一线圈截面中水、铜平均温度及铜最高温度相对入口截面处变化程度相近。

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Analysis on the Steady-state Temperature Field of a Half-water-cooled Hydro-generator Stator Coil

TONG Xusong1, SONG Deqiang2, LIU Pingchao1

(1.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China;2. Heilongjiang Mudanjiang Pumped Storage Co., Ltd., Mudanjiang 157000, China)

In this paper, a conjugate heat transfer on the steady-state temperature field of a 460MW half-water-cooled hydro-generator stator coil is studied by using finite volume method, and the impact of empirical parameters is effectively decreased. The results show that the temperatures of water and copper gradually increase along the direction of water flow. The average temperature of cooling water and copper, and the maximum temperature of copper in each coil cross section have an approximate linear relation with the distance between the inlet and the cross section, and they change similarly along the direction of the water flow.

half-water-cooled hydro-generator; steady state temperature field; finite volume method; conjugate heat transfer

TM312

A

1000-3983(2018)03-0024-03

2017-08-10

童旭松（1972-），2005年毕业于哈尔滨理工大学，工程硕士，主要从事大型电机技术研究，高级工程师。