汽轮发电机转子径向空气流量分布数值计算_韩家德

第27卷第32期中国电机工程学报V ol.27 No.32 Nov. 2007

2007年11月Proceedings of the CSEE ?2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 32-0072-05 中图分类号：TM 311 文献标识码：A 学科分类号：470?20

汽轮发电机转子径向空气流量分布数值计算韩家德1，马贤好2，路义萍1，李伟力1，阴文豪1, 陈朋飞1

(1．哈尔滨理工大学，黑龙江省哈尔滨市 150080；

2．哈尔滨电机有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150040)

Numerical Calculation of Air Mass Flow Rate Distribution in Rotor

Radial Ducts of Large Turbo Generator

HAN Jia-de1, MA Xian-hao2, LU Yi-ping1, LI Wei-li1, YIN Wen-hao1, CHEN Peng-fei1

(1. Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, Heilongjiang Province, China;

2. Harbin Electric Machine Company Limited, Harbin 150040, Heilongjiang Province, China)

ABSTRACT: To reduce temperature difference and thermal stress along axis direction of large turbo generator with air-coolant, it’s very important to research the air mass flow rate distribution in rotor radial ducts. Numerical solution of three dimensional modelling equations of air turbulent flow in cooling duct was carried out by the Finite V olume Method, based on a given example of a 150MW turbo generator with air coolant. The effect of turbulence models and the air relative velocity at sub slot’s inlet on mass flow rate distribution was presented, at condition of varying geometry configuration. The results show that the deviation of the air mass flow in radius ducts along the rotor axis varies with geometry configuration parameter, at condition of different inlet velocity. The conclusion is helpful for uniform design of air mass flow rate distribution as to the rotor’s cooling ducts of larger capacity turbo generator.

KEY WORDS: turbo generator; rotor; air mass flow rate; air cooling; three dimensional numerical simulation

摘要：为减少大型空冷汽轮发电机转子轴向的温差及其热应力，有必要对沿转子轴向的各径向风道内空气质量流量分布进行研究。该文以150MW空冷汽轮发电机转子为例，应用有限体积法，在实验研究基础上，求解转子半轴向段通风道内空气的紊流流动等三维方程组，在变结构条件下，研究了转子紊流模型、副槽入口风速等物理量变化对轴向各径向风沟空气质量流量分布的影响。研究结果表明，在不同的副槽入口风速下，沿轴向转子各径向风沟内的空气流量偏差随转子风道结构参数变化。结论对更大容量空冷汽轮发电机转子通风均匀性设计具有指导意义。

基金项目：国家教育部高等院校博士点基金资助项目(200502 14003)；黑龙江省教育厅资助项目(11511053)。关键词：汽轮发电机；转子；空气质量流量；通风冷却；三维数值模拟

0 引言

由于电机内部结构的复杂性，对于通风冷却系统的计算及分析，通常采用路的方法[1-3]。然而采用路的方法只能粗略计算出冷却通道内流体的平均流速，不能真实反映出通风沟内流体流动的实际状态，制约了电机内温度场计算的准确性[4-5]。因此，在电机通风计算过程中，需要运用计算流体动力学的二维[6]、三维[7-17]数值计算方法，对定子[7-11]、转子[12-15]及气隙[16-17]通风道内冷却气体的流场进行完整的数学描写，并应用有限差分法或有限体积方法计算电机转子轴向通风道内的湍流流动速度、流量分布等特性，并通过试验验证了计算结果的准确性[18]。上述文献中，三维计算方法比二维计算方法准确；在三维流场或温度场计算过程中，还存在缺陷，如物理模型选取具有局限性，分析影响因素不够充分等。为使沿轴向分布的各径向风沟供风均匀，同时为更大容量的空冷汽轮发电机开发提供相关理论指导，减小因轴向通风不均引起的轴向温差，采用三维计算方法研究轴向各径向风沟内通风量分布均匀的影响因素，具有重要应用前景。

1 物理模型

文本以一台QF150MW空冷汽轮发电机为例，其通风系统采用密闭空气自通风单路冷却方式。在整个通风系统中，冷却空气经风扇加压后共分3路。半轴向段通风道几何结构见示意图1。

第32期 韩家德等： 汽轮发电机转子径向空气流量分布数值计算

73

图1 转子半轴向段通风道结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram for rotor cooling ducts configuration of half axis length

该发电机采用两端对称通风方式冷却，沿轴向布置双排径向通风沟。考虑转子截面上的几何结构分布特点，仅研究某150 MW 汽轮发电机转子沿圆周一个齿距，半轴向段通风道内出风口空气质量流量分布影响因素。图中字母e 表示间距。

2 数学模型及求解条件

2.1 质量守恒与动量守恒方程

由于径向通风沟内的空气随着转子本体作旋转运动，方程求解过程中，把静止的直角坐标系转换成以角速度? 旋转的相对参考坐标系。流体的绝对速度矢量用u 表示，相对速度矢量用u r 表示。

针对稳态流动，采用相对速度，在转动参考坐标系中列出质量守恒、动量守恒方程见文献[19]。 2.2 紊流k -ε方程

本文采用k -ε 两方程紊流模型。k -ε 两方程模型又分为：标准k -ε 模型、Realizable k -ε 模型和RNG k -ε 模型。目前，标准k -ε 模型使用最广泛；Realizable k -ε 模型有效地用于旋转均匀剪切流以及带有分离流动的数值模拟；RNG k -ε 模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，具体模型方程见文献[20]。

2.3 基本假设及边界条件

（1）首先根据实验数据，求得风扇后副槽入 口相对空气速度r 130.5′=u m/s ，经计算通道内空气 流动处于紊流状态，因此采用紊流模型对转子内流场进行求解。

（2）考虑气隙内空气混合较强烈，假设各槽楔出风口的压力为标准大气压。

（3）电机内流场中，流体看成不可压缩流体。 （4）在计算求解域内的质量流量分布时，空气所在区域的网格数量直接影响计算结果。为了满足标准壁面函数的要求，经多次试算，直到找到计算结果基本不随网格数变化的情形，近壁面网格无量纲距离基本大于30。

（5）方程组采用分离、隐式求解，在旋转流

动过程中，压力耦合方程组采用SIMPLEC 算法，其他方程均采用二阶逆风格式。方程求解控制参数相对误差均为1×10?3，方程组获得收敛。

3 计算结果分析

3.1 紊流模型变化对出风口空气流量分布影响

本文首先采用标准k -ε 模型模拟转子半轴向段内的空气流动。通过计算发现，前端径向风沟入口及其内部流线出现弯曲，即内部生成漩涡，但中心处截面附近一些风沟内流线基本不弯曲，无漩涡生成，呈现出混合流动特征，见图2。

图2 中心截面附近部分流线图

Fig. 2 Part of path line near center of rotor

ventilation duct

为了比较模型选取对计算结果的影响，分别采用标准k -ε、Realizable k -ε和RNG k -ε模型，针对转子通风道结构(中心处截面的高度分别为30 mm 及中心处截面的高度为10 mm ；出风口直径由大变小)进行了计算，计算结果见图3。

图中横坐标N 依次为半轴向段出风口标号，纵坐标M 为空气质量流量。由图可知，标准k -ε 和Realizable k -ε 模型计算结果基本相同；而采用RNG k -ε 模型进行计算，副槽入口及中心约3个出风口的空气流量下降，4~18出风口流量增加，其他不变。总之，无论采用哪种紊流模型，各出风口流量分布规律的总体趋势不变。目前，在存在旋转流动特征时，基本采用RNG k -ε 模型。本文以下计算采用RNG k -ε模型。另外，图3中各出风口流量分布趋势与文献[18]相同。

0.0140.0120.0100.0080.0060.004

1

5913 17 21 25 N

Ｍ／（ｋｇ／ｓ）　

图3 紊流模型变化对质量流量分配的影响

Fig. 3 Effect of turbulence model on air mass flow

rate distribution along radius ducts

74 中 国 电 机 工 程 学 报 第27卷

3.2 转速? 变化影响

在转子径向风沟内沿轴向几何布置完全相同 条件下，各径向风道内出风口的平均空气流速r ′′u 与质量流量m 成正比，e r m A ρ′′=u 。式中，A e 为出风 口的流通截面积，ρ为空气密度。对径向风沟而言，采用等间距布置，各处的流通截面积相同，空气流量大处流速必然较高，转子本体温度则较低。如果转子轴向各出风口空气最大流量偏差?m max =m max ? m min 越小，说明转子绕组沿轴向温差越小，热应力越小。因此，首先分析转子沿轴向各径向风沟内的空气流量分布特征。在此基础上分析其它流动参数变化规律是非常有意义的。

为了分析转速变化对出风口空气质量流量分布的影响，采用沿轴向等截面的副槽通风道、相同的径向风沟、楔下垫条及槽楔出风口几何结构，29个出风口直径均相同。转速?分别为3 000 r/min ， 0 r/min ，半轴向始末端出风口流出的空气的质量流量分布见图4。由图可知：沿轴向始末端出风口流出的空气的质量流量偏差较大。当?=0 r/min ，即转子不旋转时，不存在科里奥里力，此时，副槽入口第1~6号出风口的质量流量最低，7~13号出风口流量增加，但不显著。而当???=3 000 r/min ，转子处于高速旋转状态，在科里奥里力作用下，使得转子端部及中心附近出风口的空气流量增加，而中部的出风量相应降低。因此，旋转状态下多个出口的流动，与常规不旋转的一个入口、多个出口的泄流流动特征不同，入口处并不是最小质量流量m min 所在位置，最小流量的具体位置还需其他影响因素共同决定。

1 5 9 1317 21 25 N

Ｍ／（ｋｇ／ｓ）

图4 转速变化对出风口质量流量影响

Fig. 4 Effect of rotation speed on air mass flow

rate distribution along radius ducts

3.3 入口速度变化影响

在周向所有副槽均匀分配风量假设下，计算得 到副槽入口相对空气速度r 130.5′=u m/s ，考虑沿轴 向布置若干种不同数量的径向风沟，沿轴向的流动阻力不同，本文所选的8号线圈半轴向段布置的径

向风沟数量最多，实际得到的空气流量将低于平均值，本文仅研究副槽入口相对速度减少到117.45m/s (减少10%)，沿轴向各通风道内空气流量分配变化规律。

在研究过程中，采用5种结构形式：①沿轴向为等截面副槽，29个出风口直径均相同为d ；②沿轴向等截面副槽，出风口直径由d 依次减小到d ?2；③沿轴向为变截面副槽，中心处截面边长AB =DE =30 mm(见图5)，出风口直径同结构②；④沿轴向变截面副槽，中心处截面边长AB 为10 mm ，靠近中心处截面13个出风口直径变化，先增加为d +1，然后减小为d ?4；⑤沿轴向变截面副槽，中心处截面边长AB =10 mm ，部分靠近中心处截面13个出风口直径变化，逐渐减小为d ?2及d ?4。

A

B C

D E F

图5 副槽中心对称面变化示意图

Fig. 5 Variety schematic diagram of sub slot

center symmetry

由图6可知：对于结构形式①与②，沿轴向等截面副槽，当入口相对空气速度降低时，各出风口空气流量变化规律基本相同。沿轴向段各出风口的出风量均变小，前端的出风口减小量较小，并且减小量基本相同；其后部各出风口的出风量沿流动方向减小量逐渐增大；因为结构②中后部的出风口直径减小，其出风口出风量比结构①减小多些。对于结构③，中心处截面边长减少一半时，当入口相对空气速度降低时，沿轴向段各出风口的出风量基本均匀变小；对结构④，由图可知，副槽入口相对空气流速下降时，前端的出风口流量增加特别明显，后部4个出风口流量基本不变；产生该现象的原因是副槽中心处截面边长减少到原来的五分之一，使得前方1~17出风口的流量增加显著、中部17~23出风口的直径较大时，该处在各力的中和作用下，流量分布呈现为先增加而后减小的趋势。对于结构⑤，沿轴向出风口管径连续变小，前端的21个出风口流量增加明显大于后端出风口；与④结构相似，在出风口直径突然变小处，流量减小较显著。

以上分析说明，在转速相同条件下，出风口流量分布的均匀性是关于流速及通风道结构的函数， 结构变化时，副槽入口相对空气速度对沿轴向段各出风口的出风量的影响随之变化。副槽入口相对空

第32期 韩家德等： 汽轮发电机转子径向空气流量分布数值计算 75

(a)结构①

Ｍ／（ｋｇ／ｓ）　

1 5 9 1317 21 25 N

(b)结构②

Ｍ／（ｋｇ／ｓ）　

1 5 9 1317 21 25 N

(c)结构③

Ｍ／（ｋｇ／ｓ）　

(d)结构④

Ｍ／（ｋｇ／ｓ）　

(e)结构⑤

Ｍ／（ｋｇ／ｓ）　

图6 副槽入口速度变化对流量分配影响

Fig. 6 The effect of sub slot inlet relative velocity on air mass flow rate distribution along radius ducts

气速度减小时，对于结构形式①与②，最大质量流量偏差减小，轴向温差将减小；对于结构形式③最大质量流量偏差基本不变，入口流速变化对轴向温差基本无影响；而对于结构形式④，最大质量流量偏差增大，轴向温差将增加；而结构形式⑤，最大质量流量偏差基本不变。因此，实际设计时应具体

问题具体计算分析。

4 结论

本文给出了大型汽轮发电机转子通风道三维紊流流场的数学描写及求解条件，得出以下结论：

多数径向风沟内存在涡流，副槽中心处截面附近一些风沟内流线基本不弯曲，无漩涡生成；副槽入口处并不是最小质量流量所在位置；副槽入口相对空气速度对沿轴向段各出风口的出风量的影响随副槽轴向流通截面积、出风口直径变化。

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收稿日期：2007-06-25。

作者简介：

韩家德(1965—)，男，副教授，从事各种传热与流动研究，Jdhan110@https://www.wendangku.net/doc/f26415475.html,；

马贤好(1966—)，男，博士，高级工程师，主要从事大电机总体设计研究；

路义萍(1965—)，女，博士，教授，从事各种传热与流动研究；

李伟力(1962—)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事大型电机综合物理场和特种电机理论研究工作；

阴文豪(1984—)，男，硕士研究生，主要从事大电机流体场的数值计算。

(编辑车德竞)