西气东输主电机转子副槽结构对空气流量分配影响研究

薛 超

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

国家西气东输二线工程项目是一项具有标志性的重大工程，对国家能源结构的调整有着重要的意义。管道压缩机组为天然气长距离运输提供动力，其管道压缩机组主电机的电机容量已经达到了20 MW。随着电机单机容量的增加，其电磁负荷及损耗相应增加，温升也大幅度地提高，要求我们在设计过程中必须对电机通风系统进行详细地研究。电机的通风结构以及冷却介质在电机内的分布特性均比较复杂，对电机内的流场特性进行有效分析并进行优化，有助于电机冷却效果的提高和开发更大容量电机。

目前，国内外专家学者对电机的通风冷却系统进行了多种多样的分析研究，同时也采用了有限元法或有限体积法对电机内的流场、温度场以及相应的耦合场进行了很多数值计算，为电机内物理场的计算奠定了基础。

随着大型电机容量的不断增加，对电机的风路要求也日益增强，有大型空冷电机采用转子副槽通风结构，因此对于副槽通风的研究也有一定的需求。

以往，由于电机内部结构复杂，温度场计算采用二维或者三维数值计算方法，但通风系统的计算多数采用等值风格图的方法。由于该种方法(或同时结合传热系数经验公式法)只能粗略计算风道内的平均流速，不能真实反映出通风系统内部流体流动的实际情况，进而影响了电机内冷却介质流量分配及温度场计算的准确性，且只使用通风网络法并不能对多个副槽通风方案做出准确判断。

本文以一台西气东输20 MW同步电机为例，采用有限体积法对电机内的流体场进行完整的数值计算。通过改变不同的副槽结构参数，来研究不同副槽通风结构对转子副槽流量的分配特性。

1 数学模型

流体流动遵守的基本守恒定律是：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

质量守恒方程：

(1)

式中：u、v、w分别为x、y和z方向的速度分量。

动量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

式中：ρ为流体密度；μ为动力粘度；p为流体压强。

能量守恒方程：

(5)

式中：cp为流体比热容；T为温度；λl为流体导热系数。

2 物理模型

20 MW同步电机基本数据如表1所示。

表1 电机基本数据

该电机采用的是双介质冷却方式，分为内、外两路冷却系统，采用两侧轴向对称通风方式冷却，具体通风冷却结构如图1所示。

图1 通风系统结构示意图

在电机的转子通风系统中，冷却空气经风扇加压后进入转子副槽。由于电机的对称性，本文计算了转子半侧通风道内的流动情况。其几何结构示意如图2所示，其中e代表副槽通风孔节距。图3为其中一个算例的网格示意图。

3 计算结果

通过更改副槽通风系统中多个参数，来研究这些参数对于风量分配的影响。本文中可变参数如图4所示。

本文中所有通风孔的编号皆是从端部开始，至电机中部对称面结束。

图2 转子半轴向段通风道结构示意图

图3 网格示意图

d为轴向通风孔出口直径；b为副槽中心处截面的高度；e为相邻通风孔之间的距离图4 可变参数示意

3.1 出风孔直径大小对流量分配的影响

更改轴向通风孔出口直径d，来研究出口孔直径大小对于副槽通风系统中流量分配的影响。

转子半轴向段通风冷却属于一个入口，多个出口的复杂旋转流动问题。在研究过程中，根据出风孔出口截面积的不同进行比较分析，选取了三个不同出风孔直径进行计算，分别为10 mm、12 mm和14 mm，其计算结果如图5所示。

图5中的横坐标为1-10号出风口的编号，纵坐标为相对应的质量流量大小，由图可知，在1-5号出风口风量趋势约为线性增长，且在此区域内风量增长迅速，而之后趋于平缓。

结论：对于不同通风孔直径，直径小的各出风口的质量流量分布更均匀。当然，进风口的静压也随着出风口直径的变小而增大。

图5 出风口直径对流量分配的影响

3.2 副槽截面变化的影响

通过改变副槽中心处截面的高度，可以在相同流量下改变副槽轴向的压力分布。将副槽中心处截面的高度b分别选取20 mm、30 mm、40 mm以及50 mm进行比较，其结果如图6所示。

图6 副槽流通截面高度变化对流量分配的影响

图6中的相对质量流量为各个出风口的质量流量与所有出风口质量流量平均值的比值。上图显示，随着副槽截面高度的增加，各个出风口的流量趋于平均流量。

通过改变副槽截面高度对流量分配有着明显的影响，更进一步来说，是不同副槽截面积对于副槽内静压的分布有着不同的影响，因此，我们可以研究斜副槽结构对流量的分配。

通过对比以及筛选，现采取一种均布副槽结构以及将其改为斜副槽结构来进行比较计算。斜副槽结构的示意图如图7所示，左侧为进风口，副槽的高度经过每个出风口时高度依次减少，最后一个出风口处的副槽高度为6 mm。

图7 斜副槽示意图

图8所示为两种不同的模型在相同的条件下计算出的出风口相对质量流量的对比。很明显，副槽的高度随着出风口的位置以一定的规律减少时，就可以使每个出风口的风量较为均匀的分配。

图8 平副槽与斜副槽对比

3.3 通风孔数量的影响

转子表面通风孔的数量变化对流量的分配也有很明显的影响，本节设定通风孔的数量变化为8、10以及12。

图9中，随着通风孔数量的增加，虽然平均流量变小了，但是各个出风口的流量之间的差距也越大，进而影响它们之间的线圈温度，这将影响电机的温度分布不够均匀。

图9 径向风沟数目对空气流量分配的影响

4 结论

以西气东输主电机为例，给出了采用副槽通风结构的大型电机转子通风系统的详细数值求解，并对多种转子风道结构的变化进行大量的计算及分析，得到以下结论：

(1) 通过计算流体力学(CFD)方法对转子副槽通风系统进行计算可以得出较合理的计算结果，对类似的电机设计能够提供较好的参考意见。

(2) 副槽通风系统对流量的影响有多种参数，合理设计副槽通风系统参数，可以得到合理的静压分布，进而得到合理的冷却空气流量分配。

(3) 副槽通风孔的尺寸和数量对流量分配有明显的影响，但是不能改变副槽通风孔流量逐渐升高的趋势，副槽截面的变化能够得到更为恒定的静压分布，从而可以均匀分配通过通风孔的气流流量。

(4) 在以后的工作中除了将优化方法综合使用之外，还可以通过调整布置副槽通风孔的排列方式，比如在轴向方向不均匀排列或者通风孔尺寸也同时进行变化来更细致的调整，从而获得我们所需要的流量分配。