MW级鼠笼发电机匹配冷却器和试验

李倩倩

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

电机温升与其匹配的冷却器有着不可分离的紧密关系。匹配良好的冷却器不仅可以带走电机内部发热、降低温升，提高电机使用寿命，同时还可以降低电机整体成本。因此冷却器对于解决电机温升问题至关重要[1]。

随着电机效率的提高，提升了电机的单机容量，其电负荷和磁负荷也会随之增加，导致电机的各项损耗随之增大。这一系列参数变化会直接导致电机产生严重发热，将电机内部热量及时有效地传递到电机外部显得至关重要[2]，对提高电机通风冷却系统的散热效率，提出新的挑战。

近年来，国内外许多学者在电机冷却介质温升计算、电机冷却器优化设计、内外风路流场分析等方面做了大量的研究和实验工作。文献[3]中采用CFD方法对电机通风冷却系统进行分析。吴徳义学者对135 MW空冷汽轮发电机进行流场分析，方法采用电机得定子和转子整体仿真，计算电机本体的介质流速，并通过实验验证了整体建模的必要性以及可靠性[4]。文献[5]通过给定冷却气体不同初始温度并结合仿真实验，分析了电机内部流体流动方式的不同而产生的变化。

上述国内外学者的研究大都针对电机本体的参数进行研究，而未考虑电机与冷却器的匹配问题，并未达到真正意义上的整体仿真。由于电机和冷却器整体仿真难度较大，对电脑以及网格划分有较高要求，所以一般电机和冷却器分开进行三维仿真。本文针对鼠笼发电机对电机与冷却器的匹配问题进行整体仿真和试验，同时验证电机和冷却器分开计算的可靠性。

1 流体流动特性分析方法

本文采用有限元法仿真计算电机内部通风冷却系统的气流速度和压力分布。软件版本号：Star-CCM+12.06。

电机通风系统有双重冷却系统，使得其内部冷却通风管道结构复杂，其内部冷却流体的流动特性多变难控。因此，对电机流体场的理论分析和数学物理模型建模提出必要的假设和边界条件[6]。

1.1 边界条件

电机入口风速计算如下：

(1)

(2)

式中：Q为电机流量；S为入口面积；P为电机损耗；CV为流体比热容；ΔT为流体温度变化。

1.2 控制方程

结合电机内部介质的特点，可总结出流体流动的控制方程，分析如下：

(1) 质量守恒方程[7]

即流体运动的连续性方程，任何介质的流动都遵循质量守恒定律。质量守恒方程为：

(3)

式中：ρ为流体的密度；t为时间；u、v和w分别为速度矢量在x、y和z方向上的分量。

由于电机内冷却流体作定常流动，且流体为不可压缩，流体的密度ρ是常数。因而电机内部流体场三维模型下的不可压缩流体稳态质量守恒方程为：

(4)

(2) 动量守恒方程[8]

动量守恒方程为：

(5)

式中：ρ为流体的密度；p为流体微元体上的压力；u、v和w分别为速度矢量在x、y和z方向上的分量；μ为动力黏度；Su、Sv、Sw为动量守恒方程的广义源项。

(3) 能量守恒方程

对于转子本体及通风道内流，可写出通用形式的能量守恒方程：

▽(ρuT)=▽(ΓgradT)+ST

(6)

式中：u为绝对速度；T为温度；Γ为扩散系数；ST为单位体积内热源产生的热量与cp的比值。

1.3 湍流模型[9]

将质量力或在重力场中压力项代表流体动压力忽略不计时，即流体可视为不可压缩流体，可采用包含湍流方程的瞬时N-S方程、雷诺方程和时均连续方程建立整体的控制方程组，通过推导得到如下的两方程湍流k-ε控制方程组，数学表达如下：

(7)

2 计算流体域及网格剖分

为便于对电机通风冷却系统进行分析，根据电机为单风路的初步设计方案，确认出风口为单侧大离心风扇。

电机内部冷却空气的良好循环是确保电机满足温升考核标准的前提。简化起见，三维模型如图1所示，只计算冷却空气对应的流体域，忽略电机定转子及压圈对应的固体域及其对流体域的热影响，故得到如图2所示的计算流体域。

图1 三维电机本体和冷却器模型及网络

图2 电机本体流体域

进口边界条件：

对于本计算涉及的电动机，表1给出了计算时空气的物性参数。

表1 空气物性参数

3 计算结果与分析

电机在额定转速1 450 r/min工况下的模拟仿真。为了计算电机的P-Q曲线，计算时其进口流量设置分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 kg/s。

图3给出电机本体的压力云图和速度云图。

图3 电机本体速度云图

从图3压力云图可以看出，出口处的离心风扇可以产生很高的压头带动电机内部气体流动，从而带走电机本体产生的热源。从速度云图可以看出，机座壁开孔有利于电机内部气体流通，从而减小风阻增大带走的热量。

电机本体计算风阻的结果如表2所示。

表2 电机本体风阻计算结果

上表为电机本体风阻计算结果，上图数字中正值为风阻，负值为风压。为了方便看出其变化趋势将其转化为图的形式，如图4所示。

分析电机配套的冷却器风阻情况。由图4计算结果可知，冷却器风阻在130 Pa附近时，电机流量为2.8 kg/s。由于冷却器网格量较大，并且冷却器风路结构是圆周对称的，因此采用冷却器的四分之一进行计算，进口流量给0.7 kg/s。

图4 电机本体风阻曲线

(1) 采用三维计算软件Starccm+计算冷却器内风路风阻，四分之一流量输入为0.7 kg/s，冷却器风阻计算结果为150 Pa。由此得出，一定误差范围内，冷却器内风路计算结果可靠。

(2) 冷却器外风路试验

试验测量点如图5所示。

图5 冷却器试验测点

图5中，所标位置为试验测点。采用三种探头进行数据记录。记录后的数据以及计算后的数据如表3所示。

表3 试验测量结果

上述试验结果为冷却器外风路结果。测量结果为外风路流量大于内风路流量，符合外风路流量大于内风路流量的空-空冷却器规律。

4 结论

(1) 在额定转速下，根据电机本体计算出的P-Q曲线及实际经验，可推测出匹配冷却器的风阻范围值。冷却器风阻在130 Pa附近时，电机流量为2.8 kg/s。

(2) 采用CFD方法仿真匹配的冷却器，计算结果表明，冷却器风阻计算结果为150 Pa。由此得出，一定误差范围内，冷却器内风路计算结果可靠。

(3) 根据冷却器试验结果得出，外风路流量大于内风路流量。符合外风路流量大于内风路流量的空-空冷却器规律。