（东方电气集团东方电机有限公司 四川德阳 618000）
摘要：当前高海拔、大容量水轮发电机组设计需求越来越大。由此，高海拔条件下的通风冷却系统的设计研发也成了当务之急。文章通过对某高海拔、大容量水轮发电机通风冷却系统进行计算分析，以期帮助相关工作人员解决类似通风冷却系统的设计问题。
关键词：水轮发电机；高海拔；大容量；通风冷却
0. 前言
通风冷却系统是水轮发电机的重要组成部分，优秀的系统设计是水轮发电机长期可靠运行的保障。随着水轮发电机容量的不断增长，通风冷却系统的设计难度在不断增大。高海拔的地理条件，更是对系统设计提出了更高的要求。
高海拔条件下，大气压力降低，空气密度及比热降低，相同体积空气带走损耗减少，即带走同样损耗所需风量增加。
海拔高度也同时会造成环境温度的降低，但由于合同文件中将冷风温度，即环境温度规定为40℃，因此通风冷却系统的设计仍然需要根据海拔条件进行修正。
针对高海拔、大容量水轮发电机通风冷却系统的分析研究，基于相应海拔条件下空气的热力性能参数，冷风温度为40℃，对发电机主要发热部件，如定转子、汇流排、压板、压指、定子端部线圈等进行计算分析，对冷却风量分布及有效部件温升进行综合评价。
1. 高海拔、大容量水轮发电机通风冷却系统概述
该水轮发电机为高海拔、大容量机型，相关技术参数详见表1。该发电机采用固定挡风板的端部回风结构，并针对高海拔条件，对通风冷却面积及通风冷却路径进行了优化。
表1 水轮发电机基本参数：
该电站海拔高度为2500米，对应空气体积比热为0.839kJ/m3•℃。
1.1 发电机需求风量分析
发电机需要冷却空气带走的损耗为3627kW。考虑冷热风温差为30K，则理论上需要的冷却风量为144.1 m3/s。
2 发电机通风计算
采用流体网络仿真软件，等效网络分布见图1：
图1 发电机通风系统等效网络图
通过计算，得到发电机各部位的风量、风速分布，详见表2。
表2 通风计算结果：
根据上述计算结果，发电机结构产生的风量能够满足通风冷却的需求，并留有一定裕度。
3 温度场计算
采用CFD法对主要发热部件温度进行计算。计算按电磁设计及通风系统计算结果给定边界条件。通风系统冷风温度取为40℃。
3. 1 转子温度计算
3.1.1 计算边界条件
（1）冷却空气流动的动力来自于转子自身旋转产生的压力；
（2）转子线圈损耗密度按照电磁计算给定；
（3）计算模型包括上半个转子磁极范围内的转子支架、磁轭、磁极铁心、磁极线圈、极靴、上下托板、上固定挡风板、极身绝缘、线圈匝间绝缘及冷却空气；
（4）模型的进口风温设定为40℃，进口风量按照通风计算结果设定。
3.1.2 计算结果
该水轮发电机额定工况下运行至热稳定时，对应冷却器出风温度40℃，转子线圈平均温度107.8℃，平均温升为67.8K。
3.2 定子温升计算
3.2.1 计算边界条件
（1）定子风沟进风温度设定为55℃，进风风量设定为164.5m3/s，冷却器出风温度设定为40℃。
（2）定子槽部上层线圈损耗密度为、定子槽部下层线圈损耗密度、定子端部线圈损耗密度、定子铁心齿部损耗密度、定子铁心轭部损耗密度根据电磁计算设定；
（3）计算模型包括上半个定子一个槽范围内的定子线圈、定子铁心、槽部绝缘及冷却空气；
（4）绝缘材料导热系数设定为0.22W/m.K;
3.2.2 定子温升计算结果
该水轮发电机额定工况下运行至热稳定时，对应冷却器出风温度40℃，发电机总风量为164.5m3/s时，定子层间RTD最高温度为97℃，定子层间RTD最高温升为57K，满足合同不大于70K的规定，定子铁心最高温度为85℃，定子铁心最高温升为45K。
3.3 其他部件温度
3.3.1 计算边界条件：
（1）风量、风速分布按照通风计算结果设定，模型进口风温设定为40℃。
（2）汇流排、压板、压指损耗密度按照电磁计算设定；
（3）计算模型包括定子端部、汇流排、压板、压指及冷却空气；
（4）绝缘材料导热系数设定为0.22W/m.K;
3.3.2 计算结果
通过计算，汇流环铜最高温升56K，压指最高温升39K，压板最高温升37K。
4 结语
通风计算结果表明：该水轮发电机总风量为164.5 m3/s，根据发电机电磁计算损耗参数及风温差计算的冷却需求风量为144.1m3/s，冷却风量满足发电机通风冷却要求。
CFD计算结果表明：该水轮发电机额定工况下运行至热稳定时，对应冷却器出风温度40℃，总风量164.5m3/s时，转子线圈平均温度107.8℃，平均温升为67.8K，远远低于国家标准合同不大于90K的规定。
CFD计算结果表明：该水轮发电机额定工况下运行至热稳定时，对应冷却器出风温度40℃，发电机总风量为164.5m3/s时，定子层间RTD最高温度为97℃，定子层间RTD最高温升为57K，远远低于国家标准合同不大于85K的规定；定子铁心最高温度为85℃，定子铁心最高温升为45K，远远低于国家标准合同不大于85K的规定。
CFD计算结果表明：该水轮发电机额定工况下运行至热稳定时，对应冷却器出风温度40℃，发电机总风量为164.5m3/s时，汇流环铜最高温升56K，压指最高温升39K，压板最高温升37K，完全满足安全稳定运行的需求。
上述结果证明，采取针对高海拔地理条件的专项措施后，该水轮发电机通风冷却系统完全能够满足机组长期可靠运行的要求，是一个成功的设计。
参考文献：
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[2]魏永田，孟大伟，温嘉斌.电机内热交换.[M].北京：机械工业出版社,1998
[3]杨世铭，陶文铨.传热学.[M].北京：高等教育出版社,2006.
[4]FLUENT Documentation [M].FLUENT Inc.2006
作者简介：
周军长（1982-），男，工学学士，高级工程师，2004年毕业于西安交通大学电气工程及自动化专业，现在东方电机有限公司从事水轮发电机设计及智能产品研发工作。
李阳（1971-），男，工学学士，高级工程师，1995年毕业于天津大学电机专业，现在东方电机有限公司从事大型发电机通风冷却分析计算及试验工作。
论文作者:周军长,李阳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/27
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