水轮发电机通风问题研究

王玉柱，赖旭华

（1.华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏 宜兴 214205；2.江西电力职业技术学院 动力工程系，江西 南昌 330032）

随着水轮发电机制造工业的发展，电机的单机容量不断增大，经济技术指标也普遍提高。电机运行时产生的单位体积损耗也随之增长，这就引起电机内部各个部件的温度升高，这直接影响到电机的寿命和运行可靠性，所以电机内部的热交换以及热计算问题是电机设计中的特别是大型电机设计中的重要问题。而电机内温度及其分布的准确计算有赖于电机各部件的表面散热系数，表面散热系数计算是以流过物体表面的流体速度而定的，所以说电机各部分的热计算有赖于通风计算。因此，对水轮发电机通风问题进行分析研究十分必要。

水轮发电机的通风计算理论上是依据实际流体的伯努里方程，求解电机通风系统内冷却空气的流场问题。与电机内温度场相比，通风系统内冷却空气的过流情况复杂，边界条件更不易确定。目前，水轮发电机的通风计算存在四种方法：近似计算方法、等效风路法、通风网络法及流体场（CFD数值模拟）计算方法。

1 近似计算方法

近似计算方法一般被用于电机设计的初步阶段，来计算所需的总风量。一般说来包括以下几种方法：估算法、对比法、经验系数法。估算法通过转子和风扇所产生的工作压头以及定子风阻系数的近似计算来求取电机所需的总风量；对比法是从一台已经在运行的、结构尺寸和性能参数与所设计电机大致相近的电机的实测风量出发，以类比方式来估算所设计电机的总风量和风量分配情况；经验公式法是针对某一种具体的通风方式，利用经验系数来估算风量。

2 等效风路法

等效风路法是在电机的具体结构确立之后，以风阻、风压源所表现的集中参数来描述通风结构，从而可得到一个等效风路。依据等效风路，得到总压头特性和总风阻特性，两者联立，从理论上讲就可以解出风量与风压。胡俊辉等根据空气动力学基本原理和电机中冷却气流的实际运动情况，提出了轴向、径向和混合通风异步电机的等效风路法。等效风路法的一个关键在于，首先要能较准确地确定出风路中的集中参数，即风阻和压源。风阻分为沿程摩擦阻力、局部阻力和旋转体产生的阻力等，准确描述起来很困难；一些阻力系数常与风量有关，因而某些参数不是常数；况且风阻、风量及风压之间关系也不是象电路中电阻、电流及电压之间可构成线性关系，联立出来的方程组是一个非常系数的非线性方程组。

3 通风网络法

一些著名电机生产厂家在不断总结经验的基础上，加大了通风计算方法的研究力度，开发出了通风系统的网络计算法：为使气流合理地分配到各冷却通道中去，我们可将通风系统分成许多支路，这样自然就形成了多支路组成的网络。通风网络计算方法在电机通风系统设计中已经被广泛使用。这种方法以流体力学、网络理论为基础，将电机通风系统等效成一个通风网络，根据流体力学原理及计算方法，利用电子计算机快速地进行通风计算。网络方程组是依据如下原理列出的。

3.1 风量的连续性原理

由物质守恒定律：流入通风网络任何一个节点的所有风量的代数和应等于零，于是对应于通风计算网络中的每个节点均应有：

式中Qi为流入或流出节点i的流量。

3.2 压力平衡原理

根据能量守恒定律及流体伯努力方程，对于通风计算网络中的任意闭合回路，冷却流体的流动压力变化总和为零，即计算网络中的任意闭合回路，冷却流体的流动压力变化总和为零，即：

式中△Pk为流体在闭合回路中支路k的压差。

这样，由基尔霍夫定律，M个支路，N个节点形成的网络可以写出L（L=M-N+1）个回路方程。M个支路上的未知量Q1，Q2……，Qm，级，由L个回路方程和N-1个节点方程确定唯一解。

对所列出的非线性方程组，可采用牛顿法求解，其具体过程如下：

（3）判断max|蒡△Pk|≤ε是否成立；若成立，则计算结束；否则令±△Qj，（i=1，2，…，M；j=1，2，…，L）；若支路与回路方向一致，取“+”号，反之取“一”号；返回（2）继续计算。

牛顿法的收敛速度比较快，但其收敛条件与初值的选择有关，且要求风量初值要符合风路系统的大致分布规律。当电机的风路为含有压头源的复杂结构的通风网络时，计算更为复杂，使用牛顿法有时力不从心。1985年，N.Fukushima提出了新的电机通风模拟计算方法，这种方法能在未知风阻的前提下对闯题求解。国内哈尔滨大电机研究所于80年代末开始研究网络计算法，在吸取国外先进经验的基础上，结合我国的具体情况，经过多年的探索与完善形成了一套完整的通风计算软件，并应用该软件完成了多台大型水轮发电机通风系统的设计。

4 流体场（CFD数值模拟）计算法

近年来，随着计算机技术的迅速发展和计算流体力学各种湍流模型的完善，数值方法的发展以及前后处理相关技术的进步，CFD数值模拟方法在对流体的初步性能预测、流动诊断等方面发挥越来越大的作用。在不同计算精确度的层次上，数值模拟方法已经被用来求解几乎所有的流动问题。YC.Chen等通过实测与仿真计算相结合，探讨了不同风扇速度下对电机内部散热情况的影响。为了便于测量，B.D.J.Maynes做了简化的小型交流发电机模型，采用计算流体力学方法，计算了在旋转和静态情况下的流体场以及由此导致的传热过程。

CFD数值模拟方法采用方法之一是有限体积法。其基本思想是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即设定值分段的分布剖面。从积分区域的选取方法来看，有限体积法属于加权余量法中的子区域法：从未知解的近似方法看，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简言之，子区域法加离散，就是有限体积法的基本方法。有限体积法特点之一是计算效率高，也是其优点之一，目前在CFD领域中有着广泛的应用。

5 结语

随着计算机技术的不断发展，数值计算方法的引入，电机通风计算方法也在不断发展。上述水轮发电机通风计算方法，各有优点，也存在明显缺陷。如何克服各类方法的缺点，结合各方法的优点，进行科学、有效的通风计算仍是国际电机学科前沿性课题和难题之一。

［1］白延年.水轮发电机设计与计算［M］.北京：机械工业出版社，1982.

［2］胡俊辉，许承千.大中型异步电机通风的研究和计算［J］.大电机技术，1992.

［3］N Fukushima.Simulating Research for Ventilation System of Electrical Machine［A］.Second International Conference on Electrical Machines——Design and Applications［C］.1985：17～19.