电机部分大型灯泡贯流式水轮发电机的通风与温升韩力，李辉，马辉，严欣平重庆大学电气工程学院，重庆［摘要］针对大型灯泡贯流式水轮发电机混合通风结构存在通风与温升计算难的问题，本文分别从风路、热路和有限元三维温度场方面进行分析，提出了一种新的数学模型，编制了相应的计算程序，并结合目前国内自行设计和制造的最大容量灯泡式水轮发电机，针对两种定子铁心结构，分别进行了通风和温升的分析与计算，其仿真结果与理论分析一致。
［关键词］灯泡贯流式水轮发电机；通风；温度场；有限元［中图分类号］［文献标识码］［文章编号］前言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，使得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。
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，最后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。其冷却空气的循环路径如图所示，风路模型如图所示。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如下：根据风量连续性原理，流入任何一个节点的所有风量的代数和等于零，即沿任何闭合回路各支路风压降的代数和等于大电机技术零，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，经推证其网孔风量为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。下面以定子等效热路为例，说明通风系统的特点：定子铁心存在径向通风沟，故在径向通风沟图灯泡贯流式水轮发电机混合通风系统气流循环原理图图灯泡贯流式水轮发电机混合通风系统风路模型图之间，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；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；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，如图所示。
图灯泡贯流式水轮发电机混合通风定子等效热路图大型灯泡贯流式水轮发电机的通风与温升图中主要符号的物理意义如下：各热源：用损耗表示，其中为定子轭部损耗；为定子齿部损耗；为每段铁心槽内铜耗；为端部损耗或通风沟内绕组损耗。
各温度：为各段铁心背部气体平均温度；为各段径向通风沟轭部气体平均温度；为各段径向通风沟轭部气体平均温度；为各段气隙平均温度；为各段径向通风沟齿部气体平均温度；为各段径向通风沟齿部气体平均温度。
各热阻：为定子轭与背部通风沟间的热阻；为定子轭部与径向通风沟间的热阻而成；为轭齿间传热热阻串联而成；为齿部与气隙间热阻；为定子齿部与径向通风沟间的热阻；为定子线圈切向绝缘热阻；为定子线圈径向绝缘和槽楔热阻；为定子槽部线圈与通风沟内端部线圈间热阻；为径向通风沟内端部线圈对空气的热阻串联而成。
有限元温度场计算模型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。电机稳态运行时，其内部的三维热传导方程为：式中：为温度，分别为方向的导热为热源密度。/01。若发热体的边界面由和两部分组成，和上的边界条件分别为：式中：为上给定的温度；为周围介质的温度；为表面的散热系数。/01。与上述混合边值问题对应的条件变分问题为：通过离散化处理，可将上述三维温度场的条件变分问题等效为线性代数方程组进行求解。
计算实例红岩子电站灯泡贯流式水轮发电机容量为8.，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红岩子电站灯泡贯流式水轮发电机的通风、温升进行了全面的分析与计算。
该发电机额定电压为、额定电流为额定功率因数滞后，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，其示意图分别如图和图所示。本文对两种不同的通风结构进行了计算对比，其主要计算结果分析如下。
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。
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，表所示为转子温度的计算结果。
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，选取定子槽内绕组大电机技术图定子铁心径向通风沟等距分布图定子铁心径向通风沟不等距分布图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转子温度计算结果比较项目等距铁心额定工况超发工况不等距铁心额定工况超发工况转子绕组温度极靴表面温度阻尼条温度温度最热段，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，所示，定转子最高温度计算结果如表所示。
表用有限元法计算定子转子最高温度比较项目额定工况超发工况定子绕组最高温度定子铁心最高温度转子铜排最高温度转子极身与极靴最高温度转子阻尼条最高温度结论针对大型灯泡贯流式水轮发电机的通风与发热难点问题，本文从风路、热路和有限元三维温度场三个方图，转子三维网格剖分图面提出了一套完整的分析与计算方法，并对提出的数学模型进行了算例验证。通过分析比较，仿真结果与理论分析一致，进一步表明其分析与计算方法具有一定的工程实用价值。
［参考文献］］韩力，蓝世奎，姜可薰电机通风系统风量问题的新型迭代解法［重庆大学学报，［作者简介］韩力年月于重庆大学电机系电机专业硕士研究生毕业，现为重庆大学电气工程学院副院长、副教授，主要研究方向是电机现代设计与电机电磁场。
李辉，现为重庆大学电气工程学院级硕士研究生，主要研究方向是电机的计算机辅助优化设计。
大型灯泡贯流式水轮发电机的通风与温升