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大型灯泡贯流式水轮发电机通风系统研究
1序言
大型灯泡贯流式机组的特点是磁极数多、转速低，加之定子机座外径受限，通风空间极为有限，发电机风路上风阻较大等原因，靠转子自身的压头和自带风扇已无法产生足够的风量以带走发电机的损耗，因此该类型机组均采用外加风机的强迫通风方式。对于风路结构的总体设计、各处风量的分配、以及风机的选择均是设计灯泡贯流式机组的难点，也是东方电机公司重点研究与试验的课题。
  1998年该公司自行设计、制造的单机容量30MW的红岩子贯流式水轮发电机，借鉴了以往机组设计成功的经验，结合公司自身的特点，通风系统采用了国际上普遍采用的径、轴向混合通风系统，定子铁心采用背部气体冷却系统，发电机定子机座取消径向环板，采用利于气流畅通的轴向V形筋；为了使字子铁心温升沿轴向分布均匀，采用了铁心段沿轴向不等距分布；利用从国外引进及与高校共同开发的分析软件，用网络法对通风系统进行求解，用热路网络法进行整机散热冷却的求解，用三维有限元法进行局部最高温度区求解；通过几个电站(即安居15MW，流滩坝6MW，白龙滩32MW，红岩子30MW)的真机实测对计算进行了验证。为更准确地掌握大型灯泡贯流发电机通风冷却系统的规律，利用科研基地的优势立项进行专项研究，按1∶5的比例制作了红岩子发电机通风模型，并开展了大量的试验研究工作，取得了宝贵的数据。同时，在流滩坝、黄泥滩、红岩子、白龙滩等机组上对投入已经运行的灯泡贯流式水轮发电机进行了大量的真机实测，积累了更多的经验。
2分析与计算
2.1灯泡贯流式机组通风结构
  大型灯泡贯流式水轮发电机采用径、轴向混合通风系统。发电机上装设有鼓风机，作为通风系统的压力源。冷却发电机的空气从鼓风机的出口流出，进入发电机的内部，分成两路，一路进入转子支架后流向发电机的下游恻，这部分冷却空气大部分从下游极间进入气隙，另一部分在吹拂发电机下游端部线圈后，流向定子铁心背部的回风道；另一路冷却空气从转子支架经转子环状风沟吹过极间并通过发电机气隙后进入定子铁心通风沟，冷却定子后进入定子铁心背部的回风道。这两股空气带走发电机的损耗后在定子铁心背部汇合进入空气冷却器，在冷却器中进行二次热交换后重新进入鼓风机，重复下一次冷却系统的冷却循环。通风系统见图1。
    大型灯泡贯流式水轮发电机传热原理见图2。

2.2通风发热计算
  通风系统计算采用东电公司引进消化的发电机通风计算软件。该软件采用网络法进行计算，即把电机的通风系统等效成一个网络，网络的各个支路由发电机的风路组成，网络内含有压力源、风阻、几何参数等，综合解出这些网络即可求出发电机内各部位的风速、风量、风压等参数。
  典型灯泡贯流式发电机等效风路模型网络如图3所示。
  软件计算结果表明发电机总风量为49m3/s，定子风量达40m3/s，占总风量的80%以上，定子铁心直线部分和两端端部线圈的冷却空气流速均超过10m/s，转子磁极线圈附近的气流速度达到了20m/s，对于发电机的冷却是有利的。
  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，利用三维温度场有限元分析方法进行分析计算，进一步研究各段各部分温度分布的情况，以确定发电机应采取的通风结构和形式。三维温度场有限元分析结果显示，采用定子铁心不等距分段的结构形式，定子线棒槽底最高温度为91.4℃，定子线棒槽中最高温度为106.1℃(冷风温度40℃)，均低于电机绝缘等级所许可的允许温度，且有一定的裕度。因此，从定子的通风冷却角度看，定子铁心采用不等距分段是适宜的。同时，转子绕组部分的最高温度在110℃左右，也低于电机绝缘等级所许可的允许温度，可以保证电机的安全运行。
3试验研究
3.1模型研究
  对于大型水轮发电机来说，其通风系统的研究除了进行计算外，模型试验是一种很重要的手段，它的优点是尺寸适中、制造经济、测试方便，能够在发电机设计制造的同时从模型上取得类似于真机实测的数据，从而对新型机组的研制有一定的指导作用。东电公司以红岩子30MW贯流式水轮发电机为对象设计制造了1∶5的真机通风模型，并在模型上进行了大量的研究试验，得出一些重要的结论。
    通风模型示结构意图如图4所示。
根据模拟试验中模型压力—风量变化规律可以推算出真机的静态风阻特性曲线，见图5。
发电机的6台风机安装在上游侧，由于每条风沟所处的位置不同，空气的流动状况也会有差异。定子风沟风速沿轴向分布规律的模拟研究结果见图6。
可见，发电机定子风沟风速的分布呈现上游向下游逐步上升的规律，但风沟风速的绝对值基本上都在10m/s以上。由于发电机在设计是预见到了这种规律并采取了径向风沟沿轴向不等距分布的结构，其特点是风沟密度从下游向上游逐步增加，于是就形成了风速低的区域风沟密、风速高的区域风沟稀的格局，将有效地抵消风沟风速不均匀的影响，保证发电机定子铁心轴向温度的均匀。这一结论已经在真机试验中得到了应证。
  结合风机工作特性、模型试验数据推算出发电机总冷却风量为48m3/s，其中，进入定子部分的风量占到总风量的83%，用于冷却端部线圈的风量占17%，分布合理。

3.2真机试验研究
  发电机投运后，在红岩子发电机上进行了通风、温升的试验研究工作。试验结果肯定了发电机通风系统设计计算和模型试验的准确性。
  红岩子发电机总冷却风量真机实测值为45m3/s，发电机实际需要的风量为37m3/s，因此，通风系统完全能满足发电机冷却的需要。
  发电机在额定工况下定子绕组温升试验值为62K，转子平均温升58K，均符合国家标准的规定，说明了该发电机的通风冷却系统的设计是成功的。
  定子铁心温度沿轴向的分布见图7。

    发电机温升试验结果验证了在模型试验上得出的发电机定子风速分布的规律，即靠上游侧的定子风沟风速偏低(温升值逐步升高)，越往下游侧则风速逐步升高(温升值逐步降低)，说明在红岩子发电机设计时采取的上游段铁心薄、下游段铁心厚的不等铁心段厚度的措施是正确的。尽管如此，仍未完全抵消风速分布不匀的影响，从温度分布图可见，发电机定子上游段铁心温度仍明显高于下游段，说明在今后的发电机设计中还可采取进一步措施以平衡发电机轴向温度。
4结论
网络计算及模型试验数据显示，红岩子水轮发电机通风系统所产生的总风量超过了发电机冷却所需要的风量，并有相当的余量，这对于发电机的安全稳定运行是一个可靠的保证。发电机内部风量的分配情况令人满意，发电机定子部分的冷却风量约占总风量的83%，端部冷却风量约占总风量的17%，这一分布符合发电机损耗分布对风量分配的要求。模拟试验预见了发电机定子风沟风速的分布呈现上游向下游逐步上升的规律，发电机在设计时采取了径向风沟沿轴向不等距分布的结构，其特点是风沟密度从下游向上游逐步增加，这样就形成了风速低的区域风沟密、风速高的区域风沟稀的格局，部分抵消了风沟风速不均匀的影响。

  本次模型试验再次证实采用强迫通风冷却方式的贯流式发电机，其转子压头对总风量的影响非常有限，当转子转动时，发电机的总风量仅比转子静止时的总风量大4%左右，这证实了先前在某电站35MW真机上得到的结论。
  经过多年的探索与开发实践，东电公司对于大型灯泡贯流式水轮发电机的通风冷却系统已经形成了自己独特的研究方法，包括计算分析、模拟试验研究及真机试验研究，逐步完成了从过去的定性分析向定性定量分析相结合的转变。从红岩子发电机的研究过程可见，采用网络法计算的结果与真机实测值偏差8.9%，采用模拟研究的结果与真机实测值偏差6.7%，这一精度在工程是可以接受的，而且随着研究的深入，计算方法会逐步得到修正，使计算结果日趋完美，为发电机结构的优化提供有力的支持。
参考文献
［1］丁舜年.大型电机的发热与冷却.北京：机械工业出版社，1983
［2］白延年.水轮发电机设计.上海：科学出版社，1999
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［4］东北大学.流体力学.北京：机械工业出版社，1980
［5］魏永田等.电机内的热交换.北京：机械工业出版社，1998
［6］廖毅刚.红岩子贯流式水轮发电机模型研究报告.2000
［7］李阳.红岩子贯流式水轮发电机真机通风、温升试验报告.2002