薛 超
(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司,上海 200240)
國(guó)家西氣東輸二線工程項(xiàng)目是一項(xiàng)具有標(biāo)志性的重大工程,對(duì)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整有著重要的意義。管道壓縮機(jī)組為天然氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸提供動(dòng)力,其管道壓縮機(jī)組主電機(jī)的電機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了20 MW。隨著電機(jī)單機(jī)容量的增加,其電磁負(fù)荷及損耗相應(yīng)增加,溫升也大幅度地提高,要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中必須對(duì)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地研究。電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)以及冷卻介質(zhì)在電機(jī)內(nèi)的分布特性均比較復(fù)雜,對(duì)電機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行有效分析并進(jìn)行優(yōu)化,有助于電機(jī)冷卻效果的提高和開發(fā)更大容量電機(jī)。
目前,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)電機(jī)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了多種多樣的分析研究,同時(shí)也采用了有限元法或有限體積法對(duì)電機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及相應(yīng)的耦合場(chǎng)進(jìn)行了很多數(shù)值計(jì)算,為電機(jī)內(nèi)物理場(chǎng)的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。
隨著大型電機(jī)容量的不斷增加,對(duì)電機(jī)的風(fēng)路要求也日益增強(qiáng),有大型空冷電機(jī)采用轉(zhuǎn)子副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu),因此對(duì)于副槽通風(fēng)的研究也有一定的需求。
以往,由于電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,溫度場(chǎng)計(jì)算采用二維或者三維數(shù)值計(jì)算方法,但通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算多數(shù)采用等值風(fēng)格圖的方法。由于該種方法(或同時(shí)結(jié)合傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式法)只能粗略計(jì)算風(fēng)道內(nèi)的平均流速,不能真實(shí)反映出通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部流體流動(dòng)的實(shí)際情況,進(jìn)而影響了電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)流量分配及溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性,且只使用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)法并不能對(duì)多個(gè)副槽通風(fēng)方案做出準(zhǔn)確判斷。
本文以一臺(tái)西氣東輸20 MW同步電機(jī)為例,采用有限體積法對(duì)電機(jī)內(nèi)的流體場(chǎng)進(jìn)行完整的數(shù)值計(jì)算。通過改變不同的副槽結(jié)構(gòu)參數(shù),來研究不同副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子副槽流量的分配特性。
流體流動(dòng)遵守的基本守恒定律是:質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。
質(zhì)量守恒方程:
(1)
式中:u、v、w分別為x、y和z方向的速度分量。
動(dòng)量守恒方程:
(2)
(3)
(4)
式中:ρ為流體密度;μ為動(dòng)力粘度;p為流體壓強(qiáng)。
能量守恒方程:
(5)
式中:cp為流體比熱容;T為溫度;λl為流體導(dǎo)熱系數(shù)。
20 MW同步電機(jī)基本數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 電機(jī)基本數(shù)據(jù)
該電機(jī)采用的是雙介質(zhì)冷卻方式,分為內(nèi)、外兩路冷卻系統(tǒng),采用兩側(cè)軸向?qū)ΨQ通風(fēng)方式冷卻,具體通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
在電機(jī)的轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)中,冷卻空氣經(jīng)風(fēng)扇加壓后進(jìn)入轉(zhuǎn)子副槽。由于電機(jī)的對(duì)稱性,本文計(jì)算了轉(zhuǎn)子半側(cè)通風(fēng)道內(nèi)的流動(dòng)情況。其幾何結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,其中e代表副槽通風(fēng)孔節(jié)距。圖3為其中一個(gè)算例的網(wǎng)格示意圖。
通過更改副槽通風(fēng)系統(tǒng)中多個(gè)參數(shù),來研究這些參數(shù)對(duì)于風(fēng)量分配的影響。本文中可變參數(shù)如圖4所示。
本文中所有通風(fēng)孔的編號(hào)皆是從端部開始,至電機(jī)中部對(duì)稱面結(jié)束。
圖2 轉(zhuǎn)子半軸向段通風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 網(wǎng)格示意圖
d為軸向通風(fēng)孔出口直徑;b為副槽中心處截面的高度;e為相鄰?fù)L(fēng)孔之間的距離圖4 可變參數(shù)示意
更改軸向通風(fēng)孔出口直徑d,來研究出口孔直徑大小對(duì)于副槽通風(fēng)系統(tǒng)中流量分配的影響。
轉(zhuǎn)子半軸向段通風(fēng)冷卻屬于一個(gè)入口,多個(gè)出口的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)流動(dòng)問題。在研究過程中,根據(jù)出風(fēng)孔出口截面積的不同進(jìn)行比較分析,選取了三個(gè)不同出風(fēng)孔直徑進(jìn)行計(jì)算,分別為10 mm、12 mm和14 mm,其計(jì)算結(jié)果如圖5所示。
圖5中的橫坐標(biāo)為1-10號(hào)出風(fēng)口的編號(hào),縱坐標(biāo)為相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量大小,由圖可知,在1-5號(hào)出風(fēng)口風(fēng)量趨勢(shì)約為線性增長(zhǎng),且在此區(qū)域內(nèi)風(fēng)量增長(zhǎng)迅速,而之后趨于平緩。
結(jié)論:對(duì)于不同通風(fēng)孔直徑,直徑小的各出風(fēng)口的質(zhì)量流量分布更均勻。當(dāng)然,進(jìn)風(fēng)口的靜壓也隨著出風(fēng)口直徑的變小而增大。
圖5 出風(fēng)口直徑對(duì)流量分配的影響
通過改變副槽中心處截面的高度,可以在相同流量下改變副槽軸向的壓力分布。將副槽中心處截面的高度b分別選取20 mm、30 mm、40 mm以及50 mm進(jìn)行比較,其結(jié)果如圖6所示。
圖6 副槽流通截面高度變化對(duì)流量分配的影響
圖6中的相對(duì)質(zhì)量流量為各個(gè)出風(fēng)口的質(zhì)量流量與所有出風(fēng)口質(zhì)量流量平均值的比值。上圖顯示,隨著副槽截面高度的增加,各個(gè)出風(fēng)口的流量趨于平均流量。
通過改變副槽截面高度對(duì)流量分配有著明顯的影響,更進(jìn)一步來說,是不同副槽截面積對(duì)于副槽內(nèi)靜壓的分布有著不同的影響,因此,我們可以研究斜副槽結(jié)構(gòu)對(duì)流量的分配。
通過對(duì)比以及篩選,現(xiàn)采取一種均布副槽結(jié)構(gòu)以及將其改為斜副槽結(jié)構(gòu)來進(jìn)行比較計(jì)算。斜副槽結(jié)構(gòu)的示意圖如圖7所示,左側(cè)為進(jìn)風(fēng)口,副槽的高度經(jīng)過每個(gè)出風(fēng)口時(shí)高度依次減少,最后一個(gè)出風(fēng)口處的副槽高度為6 mm。
圖7 斜副槽示意圖
圖8所示為兩種不同的模型在相同的條件下計(jì)算出的出風(fēng)口相對(duì)質(zhì)量流量的對(duì)比。很明顯,副槽的高度隨著出風(fēng)口的位置以一定的規(guī)律減少時(shí),就可以使每個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量較為均勻的分配。
圖8 平副槽與斜副槽對(duì)比
轉(zhuǎn)子表面通風(fēng)孔的數(shù)量變化對(duì)流量的分配也有很明顯的影響,本節(jié)設(shè)定通風(fēng)孔的數(shù)量變化為8、10以及12。
圖9中,隨著通風(fēng)孔數(shù)量的增加,雖然平均流量變小了,但是各個(gè)出風(fēng)口的流量之間的差距也越大,進(jìn)而影響它們之間的線圈溫度,這將影響電機(jī)的溫度分布不夠均勻。
圖9 徑向風(fēng)溝數(shù)目對(duì)空氣流量分配的影響
以西氣東輸主電機(jī)為例,給出了采用副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)的大型電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)值求解,并對(duì)多種轉(zhuǎn)子風(fēng)道結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行大量的計(jì)算及分析,得到以下結(jié)論:
(1) 通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)轉(zhuǎn)子副槽通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算可以得出較合理的計(jì)算結(jié)果,對(duì)類似的電機(jī)設(shè)計(jì)能夠提供較好的參考意見。
(2) 副槽通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)流量的影響有多種參數(shù),合理設(shè)計(jì)副槽通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù),可以得到合理的靜壓分布,進(jìn)而得到合理的冷卻空氣流量分配。
(3) 副槽通風(fēng)孔的尺寸和數(shù)量對(duì)流量分配有明顯的影響,但是不能改變副槽通風(fēng)孔流量逐漸升高的趨勢(shì),副槽截面的變化能夠得到更為恒定的靜壓分布,從而可以均勻分配通過通風(fēng)孔的氣流流量。
(4) 在以后的工作中除了將優(yōu)化方法綜合使用之外,還可以通過調(diào)整布置副槽通風(fēng)孔的排列方式,比如在軸向方向不均勻排列或者通風(fēng)孔尺寸也同時(shí)進(jìn)行變化來更細(xì)致的調(diào)整,從而獲得我們所需要的流量分配。