自一里电站定子端部铁心过热数值模拟

李家海，李 超，周其彬

（四川华能涪江水电有限责任公司，四川 成都610065）

1 引言

自一里水电站位于四川省平武县火溪河上，为引水式水电站，厂房内装有两台立轴混流式水轮发电机组，设计水头445 m，单机容量65 MW，于2006年投产发电。水轮机型号为HL（E）-LJ-215，发电机型号为SF-J65-10/4050，额定转速600 r/min。自一里电站机组大修清洗定子过程中，发现定子铁心上下端部有过热痕迹，为分析发电机过热原因，采用计算流体力学（CFD）方法对发电机内风道空气流态进行数值模拟。

2 模型建立

发电机三维模型结构较为复杂，转子和定子形成的风道绘制难度大，划分计算域和绘制网格难度大、耗时长，动网格计算迭代工作量极大，普通计算机短期内不可完成。因切向风对通风沟冷却影响较小，应该重点关注径向风和轴向风，故采用简化的二维模型进行计算，将平面划分为有磁极平面和无磁极平面计算域。采用SOLIDWORK软件建立1：1比例模型，并根据计算要求简化。定子铁心以外线棒和引线压板之间间隙简化为2个通风口，定子通风沟自上而下进行编号（1～45号）。发电机上下部视为两侧对称，取上端进行对称计算，使用对称边界条件，绘制出有磁极平面和无磁极平面计算域，见图1。

图1 无磁极平面计算域和有磁极平面计算域（图中阴影部分）

3 网格划分

采用ANSYS软件自带ICEM划分网格，网格采用非结构化网格，未使用局部加密。1号和2号通风沟出口局部网格划分见图2。

4 计算过程

采用ANSYS软件自带Fluent计算，计算域进口采用速度进口，按照设计风量48 m3/s，进风面积2.826 m2计算，进口速度取8.5 m/s。出口采用自然出流。

5 结果分析

图2 模型局部网格划分

水轮发电机中的损耗热，除了极少部分通过大轴传出，绝大部分都是通过壁面和冷空气之间的热交换传递给冷空气，再由空气冷却器将热量散出。散热系数在工程中认为主要和空气流动的速度有关。散热系数经验公式：

式中：α为表面散热系数，单位W/（m2K），ws为表面风速，单位m/s。

据此公式可通过对定子各部空气流速的分析了解其散热状况。利用Tecplot数据后处理工具，对重点关注的通风口通风情况进行分析，主要对风速和风压进行分析。

（1）有磁极平面计算域

X方向风速见图3。

图3 X方向风速

由图5可知：定子1号和2号通风沟X方向风速数值为负值，存在空气回流现象，因计算采用对称边界条件，故可知定子1号、2号、44号和45号通风沟均存在回流现象，回流风为热风，表面冷却效果差；定子中部通风沟X方向风速较大，且为正值，通风沟表面散热系数大，冷却效果好。

根据计算结果，对1～5号通风沟进出口进行重点分析。

1～5号通风沟进口风速见图4。

图4 1～5号通风沟进口风速分布

由图4可知：1～5号通风沟存在较为严重的回流现象，呈现从1～5号回流风速越来越小的趋势，1～2号通风沟回流现象特别严重，从6号开始不再回流，由对称性可得41～45号通风沟风速分布情况；6～40号通风沟风向正常，全为+X方向。

定子端部通风沟出口风速见图5和图6。

图5 1～11号通风沟出口空气流态（除隔板外白色为涡流中心）

由图5和图6可知：1～11通风沟出口端空气流态紊乱，有多个涡流。最大涡流在1～5号通风沟出口处，中心为图7中上部白色区域，旋转方向为逆时针方向。1～5号通风沟出口正好与涡流旋转方向相反，且回流风速受涡流在-X方向的风速分量大小影响而从上到下依次减小。

图6 1～2号通风沟出口风速分布

通过定子铁心以外线棒和引线风道出口风速分布见图7。

图7 通过定子铁心以外线棒和引线风道出口风速分布

由图7可知：通过定子铁心以外线棒和引线风道出风口风向为+X方向，该层无风流向下一层的风道。

（2）无磁极平面计算域

无磁极平面计算域风压分布、X方向风速分布和Y方向风速分布分别见图8、图9和图10。

由图8～图10可知：无磁极平面计算域风压和风速分布较为均衡，满足发电机冷却要求。

通过以上对有磁极计算域和无磁极计算域的分析可知：有磁极区域1～5号通风沟进口压力低，出口存在严重涡流是导致1～5号通风沟发生回流的主要原因。形成涡流的主要原因是空气间隙中部和两端压力分布差异较大，各通风沟出口风速差异较大，且在通风沟出口端过风面积发生改变时风向呈发散态势，各通风沟出口风发生撞击形成多个涡流。

图8 风压分布

图9 X方向风速分布

图10 Y方向风速分布

6 真机通风试验情况

为进一步确定发电机定子端部过热的原因，组织专业厂家对机组进行真机通风试验。真机通风试验结论：发电机在额定转速运行，测得发电机冷却总风量为74.78 m3/s，上风道进风量测量值为41.42 m3/s，下风道进风量测量值为39.31 m3/s，上下风道流态均较为紊乱；定子通风沟均匀布置15个测点所测风速不均匀，且没有规律性。

数值模拟和真机通风试验的结果高度吻合，趋势一致，进一步论证了发电机定子内部风量分布不均匀，风速差异大，流态较为紊乱。

7 结论

定子端部通风空气流态紊乱，定子通风沟存在较为严重的风量分布不均匀、流态紊乱现象，导致定子端部铁心冷却未达到预期效果，是造成定子上下端部铁心过热的主要原因之一。