［瑞士］B·喬丹等

水電站的三相凸極同步發(fā)電機(jī)可將水流的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。近年來(lái)，將更高比轉(zhuǎn)速應(yīng)用于混流式水輪機(jī)已成為一種趨勢(shì)。對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速n與電網(wǎng)頻率f相關(guān)，n=f/p，其中p是磁極對(duì)數(shù)。因此，對(duì)于高轉(zhuǎn)速機(jī)組，磁極數(shù)量減少，同時(shí)每極的電能增加。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這種常用機(jī)組的冷卻成為一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。

1 冷卻需求

高速發(fā)電機(jī)的尺寸受限于離心力(直徑)和軸線(長(zhǎng)度)的臨界彎曲速度。高速時(shí)，機(jī)械載荷增加，需要精心的機(jī)械設(shè)計(jì)。此外，對(duì)抽水蓄能電站電動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)的眾多啟動(dòng)－停止線圈，需要完全不同的機(jī)械設(shè)計(jì)。對(duì)于關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)子部件，其機(jī)械要求更高，這樣就限制了冷卻氣流的橫截面。因此，更難以給發(fā)電機(jī)的主動(dòng)區(qū)域提供足量的冷卻空氣。

重要的是，轉(zhuǎn)子和定子的溫升應(yīng)符合適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。其他關(guān)鍵因素是冷卻本身造成的損耗(空氣摩擦和通風(fēng)損耗)。簡(jiǎn)單地產(chǎn)生氣流來(lái)確保冷卻可能會(huì)適得其反。因此，這種發(fā)電機(jī)的冷卻必須根據(jù)氣流的分布進(jìn)行優(yōu)化。這意味著冷卻氣流分布必須適應(yīng)功率的損耗分布。由于高速機(jī)組的通風(fēng)損耗大約是整個(gè)功率損耗的1/3，所以高效冷卻是這些發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 空冷方案

2.1 軸向/徑向冷卻發(fā)電機(jī)

轉(zhuǎn)速等于或高于750r/min的發(fā)電機(jī)的機(jī)械載荷很高。因此，它們的輪緣塊巨大，轉(zhuǎn)子上的磁極線圈支承截然不同，見圖1。既然不可能通過(guò)輪緣供應(yīng)空氣，那么空氣只能從軸向進(jìn)入磁極間隙，并從徑向通過(guò)定子通風(fēng)管道。從圖1可以看出，空氣是從轉(zhuǎn)子進(jìn)入徑向定子通風(fēng)管道后連續(xù)擴(kuò)散，導(dǎo)致從入口到發(fā)電機(jī)軸線中心的空氣體積減少。

圖1 軸向/徑向冷卻發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣體積流量分布

空氣體積在軸線上的減少導(dǎo)致空氣速度較低，致使熱傳遞系數(shù)下降。同時(shí)，空氣吸收了從入口到發(fā)電機(jī)中心的所有損耗，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中心的空氣溫度更高。

上述影響導(dǎo)致軸向/徑向冷卻的發(fā)電機(jī)在軸向中心的溫度最高，如圖2所示。根據(jù)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，峰值溫度可能比平均溫度高很多。

減少軸向長(zhǎng)度的發(fā)電機(jī)在磁極間隙的軸線中間只有一個(gè)磁極線圈支承，因此，與具有一個(gè)以上支承的發(fā)電機(jī)相比，中心溫度較低。長(zhǎng)型發(fā)電機(jī)一般每個(gè)磁極的磁極線圈支承均超過(guò)了1個(gè)，這就令足量冷空氣到達(dá)發(fā)電機(jī)中心的難度增加。

圖2 計(jì)算的高速機(jī)組轉(zhuǎn)子銅線溫度分布

解決這個(gè)問(wèn)題的有效辦法是使用梯形磁極體，這樣可以吸收轉(zhuǎn)子磁極線圈的大離心力。有了這種磁極，只需安裝一個(gè)轉(zhuǎn)子磁極線圈支承，甚至可以一個(gè)都不要，見圖3。然而，梯形磁極的缺陷是轉(zhuǎn)子線圈的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

圖3 中部有導(dǎo)流裝置的軸向/徑向冷卻發(fā)電機(jī)

另一解決辦法是使用額外的導(dǎo)流裝置，使空氣流向發(fā)電機(jī)的中部。有了導(dǎo)流裝置，氣流速度更高，湍流程度更亂，有助于改善線圈到冷卻空氣的散熱。

對(duì)于使用率高的高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極自然產(chǎn)生的壓力常常不足以循環(huán)發(fā)電機(jī)所需的空氣量(自通風(fēng))。在這種情況下，需要額外的壓力產(chǎn)生源。由于發(fā)電機(jī)只向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，因而可以安裝軸向風(fēng)扇。在這種情況下，風(fēng)扇位于發(fā)電機(jī)軸的旁邊，與磁極間隙一同作為壓力源(見圖4)。這些主動(dòng)的壓力發(fā)生元件，與從動(dòng)元件如定子鐵芯、定子機(jī)座和空氣冷卻器一起，形成了一個(gè)封閉的冷卻回路。有軸向風(fēng)扇的發(fā)電機(jī)，穿過(guò)定子繞組端部的空氣通道，平行于定子鐵芯。

圖4 帶軸向風(fēng)扇的空氣冷卻概念

如果發(fā)電機(jī)向2個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，如可逆式水泵水輪機(jī)，則不能使用軸向風(fēng)扇。那么，必須安裝外部風(fēng)扇以支持轉(zhuǎn)子磁極在發(fā)電機(jī)內(nèi)循環(huán)冷卻空氣。圖5顯示了該冷卻系統(tǒng)的布置。使用外部風(fēng)扇的主要優(yōu)點(diǎn)是高效，并有可能在試運(yùn)行期間，甚至是運(yùn)行期間，使用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)氣流體積。另一方面，外部風(fēng)扇是附加的輔助系統(tǒng)，需要定期維護(hù)。圖5為空冷回路，來(lái)自外部風(fēng)扇的冷空氣直接從定子繞組連接和端部導(dǎo)流，可以保證定子端部區(qū)域冷卻效果良好，但是冷卻轉(zhuǎn)子的空氣溫度卻上升了。

圖5 帶外部風(fēng)扇的空氣冷卻概念

2.2 軸向/徑向+輪緣通風(fēng)管道冷卻發(fā)電機(jī)

根據(jù)發(fā)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速，除了常規(guī)的軸向/徑向冷卻概念外，還可使用轉(zhuǎn)子輪緣的徑向空氣管道。輔助的輪緣管道為發(fā)電機(jī)軸向中心提供了冷卻空氣，如圖6所示。

圖6 包含邊緣通風(fēng)管道的軸向空氣體積流量分布

發(fā)電機(jī)中間的輔助冷空氣降低了峰值溫度。然而，輔助的冷卻后果導(dǎo)致通風(fēng)損耗更大。相對(duì)于軸向或外部風(fēng)扇的效率而言，這些損耗與轉(zhuǎn)子輪緣和支架壓力產(chǎn)生的低效率有關(guān)。由于轉(zhuǎn)子輪緣流道的效率低，應(yīng)盡可能減少通過(guò)支架和輪緣的空氣量。使用轉(zhuǎn)子磁極間隙內(nèi)的導(dǎo)流裝置，或在轉(zhuǎn)子線圈和磁極體之間有一條背面冷卻通道，可以使輔助空氣流出輪緣的冷卻效果最大化。特別是轉(zhuǎn)子線圈的背面冷卻，允許轉(zhuǎn)子電流的密度更高。

3 計(jì)算

3.1 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

可以使用流體網(wǎng)絡(luò)計(jì)算來(lái)估算冷卻空氣總量和空氣體積流量分布。用流體網(wǎng)絡(luò)模擬整個(gè)發(fā)電機(jī)空氣回路的軸向/徑向切口。流體網(wǎng)絡(luò)由主動(dòng)和從動(dòng)元件組成。主動(dòng)元件是壓力產(chǎn)生元件，如風(fēng)扇和磁極間隙。從動(dòng)元件是壓降元件，與空氣摩擦、膨脹、收縮和偏轉(zhuǎn)有關(guān)。基于基爾霍夫定律解決流體網(wǎng)絡(luò)。由于壓降是空氣速率平方函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算需要以迭代的方式完成。

網(wǎng)絡(luò)計(jì)算確定了空氣速率、壓降和發(fā)電機(jī)各部件的體積流動(dòng)分布，之后就可以計(jì)算通風(fēng)損耗和熱傳遞系數(shù)。而且，將計(jì)算的電氣損耗分配給相應(yīng)的流體網(wǎng)絡(luò)元件，可以計(jì)算發(fā)電機(jī)各部件的空氣溫度。將這些結(jié)果作為熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的邊界條件，可以確定主動(dòng)元件的溫度。用迭代法將電氣、通風(fēng)和熱計(jì)算組合在一起并予以解決。

3.2 CFD 計(jì)算

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)是設(shè)計(jì)和開發(fā)高速水力發(fā)電機(jī)組的重要工具。有關(guān)機(jī)械和電氣載荷日益增長(zhǎng)的需求以及獲得最高效率的挑戰(zhàn)，需要更準(zhǔn)確的計(jì)算。

流體網(wǎng)絡(luò)計(jì)算很適于在很短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)選擇最優(yōu)冷卻布置并獲得流體分布的總體概況。在很多情況下，網(wǎng)絡(luò)元件是基于已有的文獻(xiàn)數(shù)值或試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y(cè)量值。流體網(wǎng)絡(luò)實(shí)例參見圖7。

已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模型的數(shù)據(jù)庫(kù)有時(shí)不足以表示發(fā)電機(jī)內(nèi)的真實(shí)情況。在這種情況下，CFD研究可能大有幫助?？梢哉{(diào)查有關(guān)特性的真實(shí)幾何形狀，并且可以將新發(fā)現(xiàn)傳入網(wǎng)絡(luò)模型中。除了校核網(wǎng)絡(luò)模型單個(gè)元件的現(xiàn)狀外，CFD還可用于優(yōu)化某些特殊區(qū)域。

圖7 流體網(wǎng)絡(luò)實(shí)例

使用CFD，能更準(zhǔn)確地從壓降、空氣速率到流體體積和熱傳遞系數(shù)，來(lái)對(duì)發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行量化。僅使用2D工具難以分析發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的詳細(xì)氣流分布，然而，2D工具有益于可視化發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的總體分布。此外，CFD與流固耦合(FSI)工具組合時(shí)，仿真可以提供模型的固態(tài)部件里的3D溫度分布，如圖2所示。使用這些工具是資源密集型的，包括幾何形狀的準(zhǔn)備、網(wǎng)格生成、分析本身以及結(jié)果的后處理。邊界條件的正確確定是CFD/FSI仿真最具挑戰(zhàn)性的部分。對(duì)于確定邊界條件和驗(yàn)證仿真來(lái)說(shuō)，測(cè)量實(shí)驗(yàn)室模型或運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)都很重要。

4 測(cè)量

使用精細(xì)的通風(fēng)和溫度測(cè)量裝置，阿爾斯通公司可以確保新安裝發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)最優(yōu)。這些還有助于優(yōu)化和校正內(nèi)置計(jì)算工具。

4.1 體積流量和壓力測(cè)量

為了驗(yàn)證通風(fēng)測(cè)量，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行體積流量和壓力測(cè)量。在冷卻器的流出區(qū)域臨時(shí)安裝了輔助木質(zhì)支架，以進(jìn)行總體積流量測(cè)量。

在定子通風(fēng)管道的出口處使用熱流探測(cè)器，測(cè)量發(fā)電機(jī)軸線方向的空氣速率和空氣溫度。在定子支架的各軸向和切線位置測(cè)量靜態(tài)壓力。根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，可以校正仿真的風(fēng)扇特性和軸向流體分布。

4.2 轉(zhuǎn)子溫度測(cè)量

軸向/徑向冷卻發(fā)電機(jī)的軸向溫度分布并不均勻。特別是轉(zhuǎn)子線圈溫度，磁極兩端與發(fā)電機(jī)軸向中部之間溫度截然不同。

判斷轉(zhuǎn)子線圈溫度的常規(guī)方法是測(cè)量線圈的電阻。比較轉(zhuǎn)子線圈的熱阻抗與初始冷阻抗，可以確定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子線圈的平均熱溫度。

雖然這種方法簡(jiǎn)單易行，但缺點(diǎn)是精度有限。最終結(jié)果取決于冷阻抗的測(cè)量精度以及勵(lì)磁電流和電壓的測(cè)量。準(zhǔn)確測(cè)量靜態(tài)勵(lì)磁電壓相當(dāng)困難。這種測(cè)量方法也只能提供轉(zhuǎn)子的平均溫度，沒(méi)有溫度分布或轉(zhuǎn)子線圈最高溫度的信息。

借助于高分辨率的高溫計(jì)，可以測(cè)量整個(gè)轉(zhuǎn)子線圈表面和磁極體的溫度。薄探頭從定子鐵芯的背面插入通風(fēng)管道一直到氣隙。探頭頂部裝有透鏡，聚焦轉(zhuǎn)子的熱輻射。

對(duì)于發(fā)電機(jī)部件的溫度測(cè)量范圍來(lái)說(shuō)，熱輻射能很低，特別是為了開發(fā)高溫計(jì)，已經(jīng)開展了高精度材料和主要研究工作。

測(cè)量設(shè)備的分辨率很高，使沿著發(fā)電機(jī)周邊測(cè)量到的等溫線非常精確，如圖8所示。借助于這種高溫計(jì)，可以測(cè)量阻尼棒或轉(zhuǎn)子線圈冷卻片引起的溫度差異。

圖8 周邊轉(zhuǎn)子溫度的采樣

除了高分辨率，設(shè)備還具有如下一些優(yōu)點(diǎn)。

(1)由于是非接觸測(cè)量，無(wú)需在轉(zhuǎn)子上安裝輔助元件;

(2)由于轉(zhuǎn)子部件的輻射系數(shù)為已知，高溫計(jì)測(cè)量的精度較高;

(3)安裝探頭無(wú)需拆除外殼部件;

(4)可以改變發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

4.3 定子繞組端部的溫度測(cè)量

可以用紅外線照相機(jī)確定發(fā)電機(jī)的非轉(zhuǎn)動(dòng)部件、主動(dòng)部件的溫度，如定子線圈端部或定子連接器的布置。

5 結(jié)論

本文評(píng)論了高速水力發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的各種冷卻回路配置。已經(jīng)解決了滿足這類發(fā)電機(jī)(特別是抽水蓄能電站)效率需求的技術(shù)難題。顯而易見，根據(jù)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，必須特別重視磁極線圈軸線中心的溫升。

本文論述的具有2D流體網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法CFD和FSI，是預(yù)測(cè)通風(fēng)損耗和溫度分布的有效工具。然而，為了獲取可靠的結(jié)果，需要用試驗(yàn)研究或測(cè)量真實(shí)發(fā)電機(jī)來(lái)驗(yàn)證所有的方法。

只有最先進(jìn)的計(jì)算工具和基于類似發(fā)電機(jī)的測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，才能進(jìn)一步提高高速電動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)的效率。效率提升與冷卻空氣的溫升直接相關(guān)，因此，發(fā)電機(jī)內(nèi)的溫度差異更大。還需要作進(jìn)一步調(diào)研，以獲取更多有關(guān)水力發(fā)電機(jī)組內(nèi)溫度差異較大的長(zhǎng)期影響，特別是與頻繁開機(jī)停機(jī)操作結(jié)合的時(shí)候。