摘要：近年来，我国国民对电力的需求量随着经济的发展而不断增加，目前发电厂发电的主要设备是汽轮发电机，它是电能的直接生产者，我国大五分之四的电量是来源于汽轮发电机产生的电量，那么保证汽轮机正常运转对我国电能的正常供应起着关键性作用，在汽轮机长期运作过程中，机体本身会产生大量的热，如果这些热量不能被有效散失掉，就会给汽轮机的正常运转带来威胁，针对此问题，本文就大型汽轮发电机转子通风冷却进行了一些技术探讨和分析研究。
关键词：汽轮发电机 转子 通风冷却 研究
引言:目前，我国国民的用电量逐渐上升，汽轮发电是机是我国的主要发电设施，这也使得汽轮发电机吸引了更多的关注，而在对汽轮机负荷进行提升时，往往会带来设备内部温度提升加快且高温无法有效消散的问题，那么如何对汽轮发电机的转子进行有效冷却成为越来越多研究者关注的问题，由于在发电机中转子和定子是相互影响的，所以本文对定子和转子进行了综合分析，对影响其冷却效果的因素进行了研究分析，希望可以为相关研究者提供一定的帮助。
1.汽轮发电机通风冷却的研究状况
1.1汽轮发电机通风冷却研究背景
我国目前绝大部分的电能是由汽轮机产生的，因此汽轮机的发电设施在电力发展中有着不可替代的作用，近年来，汽轮发电机的技术和工艺在不断改进中，这主要体现在转子和定子的通风冷却设备上。
传统的汽轮发电机定子和转子冷却是依靠空气介质进行汽轮机表面冷却，在19世纪末期，汽轮发电机的空气冷却装置诞生于欧洲，当时的空气冷却技术还不够完善，直到20世纪40年代，空气冷却技术逐渐趋于成熟，人们逐渐发现如果空冷装置容量大约某一个值时，空冷装置不仅会升温，随着而来的是效率的降低，所以，伴随着我国电力系统的不断发展，受空冷技术的限制，其工作能力已经达到临界值，这将无法为更大型的汽轮发电机的转子和定子进行冷却。随着研究的不断深入，市面上出现了利用氢气进行冷却的电机，这种电机比空气冷却电机有更好的冷却效果，突破了空冷装置的局限，工作效率更高，因此氢冷设备得到了广泛普及。之后的十年中，利用冷水对汽轮机进行冷却的技术逐渐出现并发展成熟，这一技术的产生被认为是汽轮机发电技术的创新也是一个里程碑的标志。从原理上讲，蒸发冷却是利用蒸发吸热的原理进行冷却过程，它是一种比较高效的技术，因为汽化热比较大，所以需要的流量比较小，那么会降低各绕组之间的温差，这也成为汽轮发电机转子冷却技术的新研究方向。
汽轮发电机发电量的提升主要依靠扩大发电机的尺寸以及提升电磁的负荷来实现的，汽轮机容量越大，那么电机的运行效果也就越好，但是受到材料机械方面的局限，电机无法随着容量的变大而成比例增加，因此，为了增加汽轮发电机的容量，主要是增加汽轮机的电磁负荷，也就意味着增加铜线圈数，那么随着工作时间的延长，铜线温度会上升，为了使得汽轮机在增加负荷后正常运转，就必须采取一定的冷却手段，这样可以将多余的热量散失掉，那么汽轮机各部分的温升也就得到了有效控制，这是汽轮发电机正常工作的前提，因此我们需要对汽轮发电机转子通风冷却技术展开一定的研究。
1.2本文汽轮发电机通风冷却的技术创新点
在之前对汽轮机发电机转子进行冷却的技术研究中，大多是针对转子的一些局部特性展开的，只是针对转子的固定结构进行数学建模，然后利用相关的公式对对流换热的系数进行处理。对转子冷却技术的研究存在一定的片面性，所以不能将转子内部风沟位置的对流换热情况真实地反应出来。对于研究对象而言，之前的研究要么只针对转子进行研究，要么只针对定子进行研究，这样的研究结果并没有代表性，因为在汽轮发电机实际运行过程中，定子和转子是不可分割的，两者是相辅相成、相互影响的，因此，我们需要将两者作为一个整体进行研究，这样才能得出比较有效的冷却研究方案。
2.汽轮发电机定子特征研究
2.1对汽轮发电机定子的阻力特点进行分析
本章节主要是对定子的阻力特征进行一定的研究，这样做是为了充分对转子部分的通风散热技术进行解析。这是由于汽轮发电机的转子在发生高速运转时，转子风沟内的流量分布、转子与气流空隙冷却介质之间的摩擦散热和定子的流动特征是密不可分的。
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定子的流道是由片状的定子的铁棒和垫条共同形成的空间，在轴向位置上，定子的流道都是均匀分布的，所以只需要对其中一个流道的特征进行研究分析，就可以得出定子整体的阻力特征，冷却的介质经过下面的气流空隙到定子铁芯中，再从上面的气道排出，那么压强的变化主要存在于定子的铁芯间的流道内部。从理论角度分析，流体发生压力变化主要是由于流体摩擦阻力的存在或者局部阻力的存在，通过建立一定的数学模型的方法进行研究，发现定子单元压强发生变化主要是在气流进入到定子风沟的入口上，还存在于定子径向风沟的起始段，从气流空隙到风沟的压力损失主要因为流道截面的局部阻力损失造成的，气流在进入到径向的风沟的起始段的时候，因为过高的流速也产生了一部分的摩擦阻力。
3.汽轮发电机转子通风冷却技术的研究
3.1转子概述
因为汽轮发电机的转子结构相对比较复杂，所以之前的很多研究基本上都是针对转子的局部结构进行的，或者是只选取转子的某一个轴向的单元进行研究，上面的相关研究的局限性比较大，不能真实地反应出在风沟里对流传热不均匀的本质原因以及转子温度发生一些轴向变化的特征。
本章节主要对汽轮发电机转子和冷却流体之间的传热模型进行一定的研究，主要有两部分内容，分别是冷却流体轴向流动分布情况以及转子径向的风沟阻力特征，分析转不同工作状态下转子传热的特征，为设计优化和工艺改进提供一定的参考。
3.2汽轮发电机转子通风冷却系统研究
汽轮发电机转子通风冷却体系主要包括了转子主体、线圈、定子等装置，还包括冷却介质。用来冷却的流体是沿着槽沟做轴向运动的，并且逐渐均匀分布在线圈内部的径向风沟内，对线圈进行一定的冷却后，再从转子和定子之间存在的空隙中流出。
发电机的通风冷却系统内部的传热是一个比较复杂的对流传热问题，因为在结构内部流体的流速各不相同，所以会产生不同的对流换热的系数，只有对交界处的对流换热特性进行了深入剖析，才能对固体材料产热和传热的特性进行分析。要想精确地对转子通风冷却设备进行研究分析，必须建立起足够密集的网格，但是由于转子通风冷却体系的结构比较复杂，那么要建立数量非常庞大的网格，这也远远超出了目前计算机硬件的配置，因此在研究中，对流量分配和温升特性在轴向的变化的问题暂时没有列入考虑范围，同时假设轴向线圈都是均匀分布的。
4.结论
本文通过对汽轮发电机通风冷却技术进行了相关研究，得出了如下结论，首先在转子单元内部，风沟内壁的对流传热系数是不断变化的，并且随着冷却介质流速的增加传热系数逐渐增加，增长速率呈现线性特征，同时通过研究发现，双桥风沟内壁面与单桥风沟内壁面相比，平均换热系数要更大；对转子的沟槽内入口速度进行分析，对转子内部的流体特性的规律进行了总结；在转子副槽吸入冷却介质相同的情况下，发现转子处于静态和动态的不同状态下，冷却特性差异较小。
结束语: 随着我国用电量的不断增加，作为我国主要的发电设施，汽轮发电机引发了广泛关注，而在对汽轮机负荷进行提升时，往往会带来设备内部温升加快且高温无法有效消散的问题，那么如何对汽轮发电机的转子进行有效冷却成为越来越多研究者研究的重点，由于在发电机中转子和定子是相互影响的，所以本文从定子和转子角度对通风冷却技术进行了综合分析，希望可以为汽轮机冷却设施的技术改进提供一定的帮助。
参考文献：
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论文作者:张杨
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
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