李 芳

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

電機的發(fā)熱與冷卻是一種涉及到流體力學、傳熱學、網(wǎng)絡理論、測試技術、電磁學、電機工程等多種學科領域的綜合學科。

空冷電機通風系統(tǒng)設計在過去比較普遍地存在盲目性，常常在成品實驗時才發(fā)現(xiàn)溫升過高，即使改進也要付出很大代價，造成浪費。以前在真機上測量冷卻風量、風壓、繞組溫升等與電機輸出功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的關系，整理出來以后，再將其外推來預測新機型性能。由于時代的發(fā)展，用戶要求尺寸減小、效率提高，就必須進一步提高冷卻性能預測精度。隨著電機容量增加，通風冷卻難度就增加。因為電機內(nèi)冷卻介質(zhì)的流場處于高紊流狀態(tài)，旋渦流動十分復雜，并存在隨機性，很難給出精確的邊界條件。通風系統(tǒng)的計算，理論上可通過求解N-S 方程及流體連續(xù)性方程來確定冷卻介質(zhì)的三維流動情況。由于流動性非常復雜，許多流動現(xiàn)象和機理，至今仍不完全清楚，邊界條件難以確定，無法精確求解此類流程。傳統(tǒng)工程算法包括估算法、圖解法或試探法、網(wǎng)絡法等，通常采用風路圖代替實際通風流道，輔以模擬實驗，歸并風路中各風阻來確定流量和風速，但難以適用于復雜的通風系統(tǒng)。圖解法和試探法都要進行近似和簡化，必然影響到求解精度。網(wǎng)絡法在解決比較復雜的通風系統(tǒng)時有一定優(yōu)越性，但數(shù)學模型復雜，編程計算困難，還要進行簡化處理。

電機工業(yè)發(fā)展的最大特點是單機容量和尺寸的不斷增加。容量的增加要求電流密度和磁通密度的增加，就受到材料性能的限制。電機功率與其有效長度的4 次方成正比，而電磁損耗卻與該長度的3 次方成正比，電機越大，該損耗的增加變緩。所以電機發(fā)展的大型化能夠獲得更高的效率。電磁損耗轉(zhuǎn)換為焦耳熱量后，由通風冷卻介質(zhì)通過熱交換帶走。電磁損耗與被帶走的熱量之比，與電機有效長度成正比，當電機增大，長度增加后，損耗與帶走的熱量之比增大，這就要求加強通風冷卻來進一步增大被帶走的熱量。

大型電機通風冷卻的實驗數(shù)據(jù)很難獲得，只能綜合應用縮小比例的相似模型進行實驗，并用網(wǎng)絡法和三維流體動態(tài)數(shù)值解析方法，來改善風量分布的均勻性，以便控制溫度，避免溫度過高而影響電機壽命。其主要技術難點是冷卻效果和冷卻均勻性，避免不均勻冷卻導致結(jié)構部件熱脹變形或溫升超標。

1 風量的優(yōu)化

大型凸極同步發(fā)電機的傳統(tǒng)設計方法沿襲前蘇模式，把“每極容量”作為衡量和選擇冷卻方式的指標。當該比值低于9 000kVA/極時，采用空冷;超過該比值時必須采用水冷。在與國外合作過程中，發(fā)現(xiàn)“每極容量”的界限不能全面反映電機內(nèi)部熱交換機理，其概念相對模糊。不管水冷、空冷，最根本的是要控制機組溫度。

另一個傳統(tǒng)舊觀念認為通風冷卻的“風量越大越好”，即使很小的機組也加有很多風扇，用來降溫。然而這會導致通風損耗增大、主機效率降低、風量不均等缺點。強化通風冷卻并不等于單方面追求增加風量，而是有效地改善風量分配，使溫度分布均勻，達到限制最高溫度、延長絕緣壽命和發(fā)電機壽命的目標。為了增加風量而增加風扇，不能達到預期效果。通過計算和電站實測證明，即使不采用風扇也可以達到冷卻目的，而且效果更好。通風冷卻結(jié)構設計不應片面追求大風量，而是合理的適當?shù)目傦L量，風量分配和風速都要均勻。這種新的設計理念實現(xiàn)了由粗放轉(zhuǎn)向更精細、更合理、更科學。

2 流態(tài)解析法

網(wǎng)絡法是通風冷卻計算的分析工具，它采用等效的風阻和風路;在進行熱分析時，則采用等效熱阻和熱路方法，并通過網(wǎng)絡將它們結(jié)合起來。風阻和傳熱系數(shù)可從比例相似模型中獲得。通風計算及溫度場分布，必須建立模擬計算網(wǎng)絡，編制計算程序，給出總風量及風量分配，并進行三維溫度場研究，直觀地分析各點溫度分布云圖，以便優(yōu)化結(jié)構設計。采用網(wǎng)絡矩陣法計算可給出總風量、風量分配、通風損耗等參數(shù)。采用整體三維有限元結(jié)合的方法計算溫度分布，并根據(jù)溫度場計算結(jié)果調(diào)整通風系統(tǒng)結(jié)構尺寸。經(jīng)過反復迭代，最終給出優(yōu)化方案。采用三維熱網(wǎng)絡計算溫度場時，熱阻則采用有限元和熱路方法計算。如果熱網(wǎng)絡的節(jié)點之間有絕緣材料，就不適用熱路法(因其結(jié)果誤差較大)，必須采用有限元法。

等效“風路法”是將直流電器回路中的基爾霍夫法則套用于通風冷卻的風路方法，它是目前最廣泛應用的方法，可以掌握風路內(nèi)的流態(tài)，提高冷卻性能的精度。然而該法是以真機或?qū)嶒灥冉?jīng)驗數(shù)據(jù)為基礎，其精度不能超出經(jīng)驗范圍。要想進一步提高精度，只能采用流態(tài)解析法。流體動態(tài)數(shù)值解析法以描述質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒的基本方程為基礎，能彌補單憑經(jīng)驗進行設計時的不足，是優(yōu)化設計的有效工具，也是網(wǎng)絡法的補充手段，同時也可獨立作為一種工具來計算流體、傳熱、溫度甚至通風損耗，它的解析精度較高。

3 表面散熱

大型電機的損耗、熱量，很少沿軸傳出，絕大部分通過壁面與冷風以熱交換方法傳遞給冷卻器散出。這就要求準確計算表面散熱系數(shù)。定子徑向通風溝氣流和傳熱是非常復雜的，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通風溝槽，會對氣流產(chǎn)生離心力和科里奧力。氣流從轉(zhuǎn)子流到定子是沒有規(guī)律的，它在定子通風溝內(nèi)構成復雜的熱交換條件。要想準確地給出定子三維溫度場的分布情況，就必須給出其表面散熱系數(shù)的精確計算公式。溫度場至關重要，由它可以計算應力場，決定各部件安全可靠性，它也是機組壽命考核的重要指標。溫度場計算的準確性，取決于表面散熱系數(shù)的準確性。電機發(fā)熱與冷卻技術中的關鍵因素就是散熱系數(shù)。特別是定子本體、通風槽、定子端部各面、轉(zhuǎn)子本體及端部的散熱系數(shù)，尤為重要。以定子半齒、半槽、半軸向長度為計算區(qū)域，采用三維有限元法計算了定子整體溫度場分布，進行了通風溝的風速和散熱系數(shù)以及端部散熱系數(shù)的測試，得到了實用曲線，并編入程序。

4 分離渦流動

最重要的設計原則是采取優(yōu)良的通風冷卻措施，控制電機各部溫升、定子熱變形和熱老化。必須對電磁計算、結(jié)構、通風冷卻系統(tǒng)及絕緣系統(tǒng)等進行整體協(xié)調(diào)設計和優(yōu)化創(chuàng)新。然而在理論研究方面，國內(nèi)通常只在“單段”鐵心或線圈端部的局部上，進行有限元溫度場計算，而缺少沿著半軸向進行的完整分析、研究、計算，不能反映電機真實溫度場分布情況。新開發(fā)的計算程序解決了這些問題。它以通風槽的實際風速為基礎，進行三維溫度場計算。真機運行結(jié)果證明:計算值與實測值相符。

采用密閉雙路無風扇端部回風冷卻系統(tǒng)時，轉(zhuǎn)子磁軛、磁極就是主要壓力元件，無需設置風扇。由于軸向風量、溫度的分布上下對稱，所以只取半軸向區(qū)域即可。這種算法更能反映真實溫度分布情況，而且計算精度很高。它以各部位風速為基礎來計算散熱系數(shù)，能真正反映通風系統(tǒng)形式對溫升的影響，只需一次計算即可得到定子沿軸向、徑向、周向真實的溫度分布規(guī)律。根據(jù)實驗和理論確定的約束條件下的核心技術:(1)應用網(wǎng)絡法計算風速、風量、通風損耗;(2)采用流場計算、模型實驗及多年經(jīng)驗來綜合確定散熱系數(shù);(3)采用整體三維熱網(wǎng)絡計算溫度分布;(4)采用三維溫度場有限元方法計算局部溫度;(5)根據(jù)溫度場計算結(jié)果確定結(jié)構尺寸;(6)通過實驗來最終確定散熱系數(shù)

全空冷技術，除了定子以外，還包括轉(zhuǎn)子。大型凸極同步電機轉(zhuǎn)子通常采用成型散熱線匝拉制銅排，其散熱系數(shù)國外也只是估算。理論上，通過放熱微分方程、導熱微分方程、運動微分方程、連續(xù)性微分方程、初始條件、邊界條件等可聯(lián)立求解出散熱系數(shù)，但由于對流換熱過程的復雜性，往往難于求解出具體的函數(shù)式，即使是數(shù)值解也難以做到。轉(zhuǎn)子勵磁線圈截面為“七邊型”散熱結(jié)構，其形狀、尺寸對表面散熱系數(shù)影響很大。為得到準確的散熱系數(shù)值，就要探討通風系統(tǒng)內(nèi)部的流動，尤其是分離渦流動機理。采用人工壓縮性方法、隱式近似因子分解格式及代數(shù)湍流模型，對轉(zhuǎn)子極間三維流場進行了數(shù)值模擬，給出了以分離渦流動為主的流場特性。通過拍攝的云圖可直觀地反映出散熱匝的速度分布，并將它與實測值進行了對比。實驗驗證結(jié)果表明，該算法具有很高的精確性、實用性。

5 相似學理論

由于掌握了大型電機通風冷卻設計的“相似推算法”，便實現(xiàn)了更加精確的逼近到位。按照相似學理論，采用縮小比例(1:5)相似模型進行模擬實驗，對風量、通風損耗和溫度進行測試分析，就可以達到上述目標，獲得結(jié)構最優(yōu)化設計。采用相似模型可以驗證數(shù)學建模方法的正確性、通風設計的可行性、改進通風結(jié)構的合理性。相似模型設計的核心理論就是相似原理;應用的原則就是相似法則的放寬，保證模型與真機的通風特征和狀態(tài)的相似。采用量綱分析方法可以確定相似準則，其目的就是找出各物理量組合成無量綱數(shù)的方法。模型實驗的目的是近似地給出真機的物理規(guī)律。在轉(zhuǎn)速為100 ～350r/min 各種工況下進行了測試，結(jié)果滿足設計要求。通風損耗與空氣密度有關，測試值與計算值都應考慮到海拔對空氣密度的影響。相似模型的建模有兩種風路結(jié)構，即封閉式和開啟式。將數(shù)值解析法用于紊流時，需將模型進行離散，并劃分為有限網(wǎng)格，形成封閉式模型，這就可以用于變化的幾何結(jié)構，并使其優(yōu)化。這種解析技術可將損耗、流場和溫度等的計算緊密結(jié)合起來，實現(xiàn)共軛傳熱，不需要在熱交換表面固定一個邊界條件，而設定邊界條件就要求給出表面溫度及其熱流量。

6 結(jié)語

采用上述通風冷卻設計新技術的龍灘、三峽等發(fā)電站的700 MW 全空冷電機已經(jīng)投運成功、并網(wǎng)發(fā)電。它們都實現(xiàn)了總風量適宜、風量分配合理、風速均勻、冷卻效果良好的總體目標，而且機組運行穩(wěn)定、振動、擺渡、溫升等性能指標均達到規(guī)定標準。

“大型電機三維溫度場計算程序”和基于相似學理論的“真機模型實驗驗證優(yōu)化設計法”的開發(fā)、應用，以及世界最大全空冷電機的投運成功，填補了國內(nèi)空白，打破了國外的高價壟斷，具有突出的經(jīng)濟效益和社會效益。這種新技術應用于1 000MW 發(fā)電機項目上前景廣闊。