空冷水轮发电机定子冷却结构设计与分析

孙威

松花江水力发电有限公司吉林白山发电厂 吉林桦甸 132400

水能转化为电能需要使用一种核心设备：水轮发电机，这类发电机在水力发电厂中得到了广泛的应用。随着人们对电力的需求量越来越大，水轮发电机的发电能力也变得越来越强，其中进步最大的是空冷水轮发电机。设备容量增大的同时，也就代表着电机在工作中升温会很严重。设备温度的升高会影响到电机的安全运行，电机工作时的稳定性以及设备整体的使用寿命。而对于空冷水轮发电机来说，定子温度最高的区域位于轴向中心[1]。但是定子升温的规律不是恒定的，如果依然均匀分配冷却空气的流量于定子通风沟内，会导致生产的安全性受到影响。所以笔者将在下文探讨如何解决电机温升问题以及对以相应的冷却方法进行了研究。事实上，电机温升不只是定子绕组的因素，而是多个因素综合作用的反映。电机主要产生热源的地方是电机定子，电机定子在工作中还会出现绕组温升不均匀的情况，而一个区域温度明显过高会导致电机结构有被击穿的危险。所以在实际的工程中，就会将绕组的位置进行更改，以减少环流损耗。在进行电机定子温度的分析时，要综合考虑以下因素：绕组换位路径，槽钢、槽楔形状，只有结合以上几个因素，并同时将定子通风沟内的冷却空气合理的分配，才能很好的解决目前存在的问题。但是就目前国内对于定子冷却结构设计的研究而言，对其本身的结构设计研究很少，远远不能解决目前空冷水轮发电机的温升问题。因此，对以上因素进行分析，能对空冷水轮发电机的结构与冷却设计产生不小的启示。

1 模型设计

1.1 定子流体传热基本假设

定子在空冷水轮发电机中的结构是相当复杂的，在进行分析时，应该对研究模型给予以相应的简化措施，现进行以下4点假设：①气孔入口处的冷却空气分布均匀，且气流路径沿直径直线方向通过此口；②由于声速可以压缩，而定子风速却不能压缩，可将不可压缩流体类比于定子流体；③将主绝缘的热性能等同于排间绝缘、股线绝缘、层间绝缘；④运用紊流模型分析整个问题，不考虑重力因素与流体浮力因素对定子通风沟流体场造成的影响。

1.2 设定数值条件

设定风路入口与出口处的分界面为通风沟，这是基于水轮发电机自身的导热特性与通风结构确定的。可以如下条件：①速度入口由气隙入口充当，对入口处施加沿直径直线方向1．7m/s的风速，设定风的稳定恒定为40℃。②压力出口处的大气压要恒定为1标准大气压。③绝热面的范围设定为铁心两侧截面，且截面两侧要垂直于轴向铁心。

2 研究定子热源时需要考虑的问题

可将槽钢损耗忽略，因为槽钢涡流损耗很小，不影响最后计算结果的准确性。将绕组换位路径纳入到计算需要考虑的因素中，能够求解出定子旋转一周全换位绕组的损耗，以及涡流损耗、欧姆损耗、环流损耗，求得出以上数据后，就可得出损耗密度。最后每股线的热源可由绕组电密代入求得。注意以上的计算结果均应在电机额定功率下运行得出。

3 定子温度场与流体场分析

通风沟内的温度和冷却空气进入的速度与热传导，热对流有着不可分割的关系，研究结论如下：

对于通风沟内的温度与冷却空气的速度来说，在轴向长度分布均匀的通风沟内和定子铁心段相差并不大。

以通风沟内的温度与冷却空气的速度作为研究对象，定子结构对其影响较大。

在最根部的换位绕组处易出现来自于通风沟内冷却空气的涡流，在定子齿部出现了最大速度，在通风沟出口与绕组根部出现了最高温度[2]。

以槽中心线为基准，来自于通风沟内冷却空气自身温度与速度的变化都正态分布于槽中心线两侧。

结论：

（1）设定子个数与定子铁心段轴向长度恒定，且通风沟轴向长度只在规定范围内变化时，为获得更高的通风沟内冷却空气温度和速度，需控制越短的通风沟轴向长度。

（2）设通风沟个数与定子通风沟轴向长度恒定，且铁心段轴向长度只在规定范围内变化时，为获得更高的通风沟内冷却空气温度和速度，需控制越长的铁心段轴向长度。

4 结语

在进行空冷水轮发电机定子冷却结构分析时，需要综合考虑绕组换位路径，槽钢、槽楔形状等因素，才可以完成定子流体传热模型的设计。设计的这3种定子结构利用流固耦合法代入温度场与流体场的计算式，将各自计算出的结果进行对比分析，可推出以下研究结果：①控制通风沟个数和轴向长度保持恒定，且限定在定子轴向中心部位的一段铁心段轴向长度保持在一定范围，当铁心段轴向长度越小时，就会获得越均匀的槽内绕组温升，与此同时可小幅度降低定子的最高温度[3]。②减小通风沟轴向长度，增加通风沟个数，并尽量保持各铁心段轴向距离相同，能有效的保证通风沟内冷却空气的含量均匀分布，此种方案能获得最低的定子温度，是一种最佳的设计方案，最值得推广应用。