关键词：灯泡贯流式水轮发电机；通风；温升
大型灯泡贯流式机组具有磁极数量多、转速低、定子机座外径受限、通风空间极为有限、发电机风路风阻大等特点，由于靠转子本身压头及自带风扇已无法产生足够的风量来带走发电机的损耗，因此，该型机组均采用外加风机的强迫通风方式。对风路结构的总体设计、各处风量的分配和风机的选择都是灯泡贯流式机组设计的难点，也是电力公司重点研究和试验的课题。
一、贯流式水轮机简介
贯流式水轮机是开发低水头水力资源的一种新型机组，适用于25m以下的水头。这种机型流道呈直线状，是一种卧轴水轮机，转轮形状与轴流式相似，也有定桨和转桨之分，由于水流在流道内基本上沿轴向运动不拐弯，因此较大的提高了机组的过水能力和水力效率。贯流式水轮机根据其结构特点和布置型式，可分为全贯流式、半贯流式(又分为竖井式、轴伸式和灯泡式)两种，其适用范围各不相同。
二、贯流式发电机结构特点
贯流式发电机与常规立式水轮发电机的主要区别,是它呈卧式且完全潜没在流道中。出于水力设计方面的考虑,贯流式发电机尺寸必须设计得较小。通常,其定子外径与水轮机转轮直径之比(灯泡比)在0.8～1.2之间,定子内径只相当于常规发电机的60～75%。如果发电机利用系数相同则贯流式发电机定子铁心长度将是常规发电机的3倍,这将给发电机通风冷却带来困难。要缩短铁心长度,就必须增大发电机的利用系数,同时还需要提高电磁负荷As及Bs(一般为常规发电机的1.1～1.3倍)。较高的电磁负荷会使贯流式发电机单位体积的热负荷高于常规立式水轮发电机。
此外,贯流式发电机的体积比也较大,可为常规发电机的1.5～3.0倍。细长的发电机冷却条件较差,易造成发电机轴向温度分布不均。另外,励磁线圈的磁势较大,导致励磁损耗增加。通常,贯流式发电机励磁损耗与总损耗之比约为常规发电机的1.6倍以上。这将进一步给贯流式发电机通风冷却造成困难。由此可见,贯流式发电机不能像常规立式水轮发电机那样,靠转子自身形成的风压来维持其通风需要,必须靠增设风机采用密闭强迫通风循环的方式来加强对定转子的冷却作用。贯流式发电机结构方面的特点,决定了它独特的通风冷却方式。
三、风路计算模型
大型灯泡贯流式水轮发电机在冷却方式上采用二次循环冷却方式，即发电机的损耗通过热传导、表面散热传递给冷却空气，再通过常规冷却器对带有电机热量的冷却空气进行冷却，将电机热量传递给冷却器的冷却水，以获得热量的冷却水通过冷却套将电机热量传递给河水。在其混合通风系统中，定转子铁心有径向通风沟，且定子铁心为不贴壁结构，定子铁心与机座间有通风道，系统中的风压元件主要是鼓风机。此外，由于在大型灯泡贯流式水轮发电机的混合通风系统中增加了鼓风机等风压元件，导致各风压元件产生的风压对电机的通风冷却影响较大，本文提出了一种含有风压源复杂结构风路的新颖闭环迭代解法，其风路计算的基本原理为：①根据风量连续性原理，流入任何一个节点所有风量的代数和等于零。②沿任何闭合回路各支路风压降的代数和等于零，即根据上述原理，考虑风路中含有风压源时，风压元件将改变各支路分量的分配和风压降的大小。
四、热路计算模型
本文采用等效热路法来计算大型灯泡贯流式水轮发电机的温升。简化了电机的二维热传导过程，将薄板内的二维热流视为在研究方向受到阻力的两个一维热流相互作用的结果；合成热流在自己方向上受到的阻力，被看为两个一维热流方向阻力的迭加。为了便于计算，假定发电机定子与转子间无热交换，发电机内部的各热源均匀分布，以径向通风沟为界，分段进行分析计算。以定子等效热路为例，说明通风系统的特点：①定子铁心存在径向通风沟，故在径向通风沟之间，每段铁心热量与线圈绕组热量的大部分将由铁心两侧的径向通风沟中的冷却空气带走；②电机的机壳不再具有散热的作用，从铁心外圆流出的热量，将全部由铁心背部通风沟内的冷却介质带走；③电机的损耗将全部由冷却气体带走。根据混合通风式电机的具体散热方式，建立发电机定子各段的等效热路模型。此外，本文采用有限元法对大型灯泡贯流式水轮发电机定转子三维温度场进行分析与计算。
五、计算实例
某电站灯泡贯流式水轮发电机容量为300MW，该机组由于受灯泡比和结构尺寸的限制，电机的通风与温升存在较多的问题，主要体现在如何使风量分配合理和温升分布均匀等方面。为此，本文根据制造厂提供的有关设计数据，利用上述介绍的三种数学模型对该电站的贯流式水轮发电机通风、温升进行全面的分析与计算。
该发电机额定电压为10.5kV、额定电流为1833A、额定功率因数0.9(滞后)，具有空气冷却器的密闭循环强迫通风冷却方式，灯泡体内为常压。在设计时，考虑了该发电机的定子铁心径向通风沟采用等距分段和不等距分段两种结构设计方案。本文对两种不同的通风结构进行计算对比。
1、定子铁心采用等距分段和不等距分段对通风的影响。经风路计算，结果表明：当定子铁心采用34段等距分布时，气隙各段冷却空气风量分配较为均匀；而当定子铁心采用34段不等距分布后，气隙各段冷却空气的分配呈现靠下游端各段气隙中风量分配较少，靠上游端各段气隙中风量分配较多。由于灯泡贯流式水轮发电机下游端是冷却空气的进入端，冷却空气温度低，冷却效果好，不需要较多的风量；而上游端是冷却空气的出端，冷却空气温度高，冷却效果较差，为了保证一定的散热效果，就需要较多的风量。因而，计算结果与理论分析一致。事实上正是这种不均匀分布，改善了铁心较长的灯泡贯流式发电机的通风冷却效果。
2、定子铁心采用等距分段和不等距分段对发热的影响。利用等效热路法，对定子铁心径向通风沟采用等距和不等距分段两种结构，在额定工况和超发工况下对发热进行对比计算。仿真结果表明，不等距的定子铁心分段有利于发电机的通风冷却。在相同工况下，采用不等距定子铁心分段，定转子各部分温度均低于采用等距铁心分段的情况。因此，在发电机主要尺寸、铁心段数和损耗确定后，宜采用不等距的定子铁心分段结构。图1为两种不同定子铁心结构对应的槽内绕组温度沿轴向分布对比曲线，表1所示为转子温度的计算结果。
图1 两种不同定子铁心结构对应的槽内绕组温度沿
轴向分布对比曲线
3、三维温度场的有限元分析与计算。根据等效热路法的计算结果，选取定子槽内绕组温度最热段，利用有限元法对三维温度场进行分析计算，进一步研究各段各部分温度分布的情况，采用不等距铁心结构，转子三维网格剖分如图2所示，定转子最高温度计算结果如表2所示。
图2 转子三维网格剖分图
综上所述，在大型灯泡贯流式水轮发电机组中，水轮机具有比转速高、单位过流量大、空化系数小、效率高等优点，为广泛应用于开发低水头水利资源的良好机型，在我国有着广阔的市场前景。然而由于受低水头和灯泡比的限制，发电机的直径小、电磁负荷高，与常规水轮发电机相比，散热条件相当恶劣；同时电机的主要尺寸比较大，使整个电机的风路压降大，通风冷却困难。为了解决好灯泡贯流式水轮发电机高电磁负荷产生的大量热损耗与体积小且细长电机的不利冷却条件之间的突出矛盾，本文提出了一种新的数学模型，并对大型灯泡式水轮发电机的通风与发热问题进行了分析与计算研究。
参才文献：
[1]韩力.电机通风系统风量问题的新型迭代解法[J].东方电机，2014(01).
[2]李辉，马辉.大型灯泡贯流式水轮发电机的通风与温升[J].大电机技术,2014(05).
论文作者:曹堃玮,
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷第17期
论文发表时间:2019/12/19
标签：铁心论文; 定子论文; 发电机论文; 水轮发电机论文; 流式论文; 灯泡论文; 风压论文; 《建筑实践》2019年38卷第17期论文;