丁樹(shù)業(yè) 仵程程

摘要：為了揭示具有徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)電機(jī)內(nèi)流體流變特性及傳熱規(guī)律，以一臺(tái)5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，依據(jù)流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)基本理論，結(jié)合電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)特征及冷卻方式，在建立三維流熱數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)給定基本假設(shè)，確定了流體流動(dòng)與傳熱特性研究的物理模型。采用有限體積法對(duì)具有密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)的徑向通風(fēng)電機(jī)流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值求解，并對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值分析。闡述了電機(jī)內(nèi)流體參數(shù)在軸向及徑向的空間分布特性，并以此為基礎(chǔ)研究了電機(jī)內(nèi)部的溫升分布特性，揭示了具有徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)電機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)及熱性能的耦合規(guī)律。

關(guān)鍵詞：有限體積法;雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī);流體場(chǎng);溫度場(chǎng);計(jì)算流體力學(xué)

DOI：10.15938/j.emc.2019.10.008

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-449X（2019）10-0068-09

0引言

我國(guó)的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，電機(jī)在電力行業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用，電機(jī)的發(fā)展水平直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。徑向通風(fēng)電機(jī)由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)被普遍應(yīng)用在電力生產(chǎn)過(guò)程中。由于該類(lèi)型電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)及原理較為復(fù)雜，因此，對(duì)具有徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行流體場(chǎng)及溫度場(chǎng)的精確計(jì)算具有重要意義。對(duì)流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確可靠的研究，有利于提高該類(lèi)型電機(jī)多物理場(chǎng)的計(jì)算精度，改善徑向通風(fēng)電機(jī)的通風(fēng)效果，進(jìn)而提高電機(jī)運(yùn)行的安全性、可靠性及穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，對(duì)徑向通風(fēng)電機(jī)內(nèi)流型演化及傳熱規(guī)律的研究顯得格外重要。

目前，對(duì)于徑向通風(fēng)電機(jī)多物理場(chǎng)計(jì)算研究較少，影響其發(fā)展的因素主要有下面兩方面，由于定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)槽鋼的存在，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子槽鋼可作為離心式風(fēng)扇的扇葉，不僅增加了電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，而且使電機(jī)內(nèi)部多種物理場(chǎng)相互關(guān)系更加錯(cuò)綜復(fù)雜，因此，對(duì)于徑向通風(fēng)電機(jī)流體場(chǎng)及溫度場(chǎng)的研究需要解決這兩方面的問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的諸多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)以及電機(jī)內(nèi)的流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及流-熱耦合場(chǎng)進(jìn)行了卓有成效的研究，為本文對(duì)徑向電機(jī)的研究提供了理論指導(dǎo)。在對(duì)通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的研究中，國(guó)內(nèi)學(xué)者袁益超教授做了深入的研究工作，并以電機(jī)的軸向及徑向通風(fēng)道結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)對(duì)其理論及仿真方法進(jìn)行了深入剖析和解讀。

本文建立了三維流熱數(shù)學(xué)模型和物理模型，采用有限體積法對(duì)一臺(tái)具有徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值研究。在明確了流量及流速等參數(shù)在電機(jī)軸向及徑向空氣域內(nèi)空間分布特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了電機(jī)內(nèi)部的溫升特性。為具有徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及熱性能分析提供了理論依據(jù)。

1求解域物理模型及數(shù)學(xué)模型

1.1數(shù)學(xué)模型

電機(jī)內(nèi)流體流動(dòng)受到物理守恒定律的約束。當(dāng)流體流動(dòng)狀態(tài)為不可壓縮且處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在直角坐標(biāo)系中流體流動(dòng)質(zhì)量、動(dòng)量以及能量守恒方程可分別表示為：

1.2基本假設(shè)

為了簡(jiǎn)化求解過(guò)程，作如下假設(shè)：

1）由于僅研究電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的流體流動(dòng)情況，為定常流動(dòng)，因而不考慮時(shí)間項(xiàng);

2）電機(jī)內(nèi)流體流動(dòng)為紊流流動(dòng)，計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型;

3）計(jì)算域內(nèi)流體流速小于聲速，因而不考慮空氣的壓縮性;

4）對(duì)端部股線(xiàn)采用平直化處理，絕緣與導(dǎo)體接觸緊密;

5）對(duì)定、轉(zhuǎn)子股線(xiàn)絕緣、層間絕緣以及主絕緣等效為一個(gè)絕緣體;

6）電機(jī)各部分浸漆均勻，絕緣良好;

7）定、轉(zhuǎn)子上下層股線(xiàn)施加熱源相同，忽略其集膚效應(yīng)。

1.3物理模型

本文所研究的發(fā)電機(jī)沿軸向有24個(gè)徑向通風(fēng)道，且轉(zhuǎn)子與定子通風(fēng)道寬度相等且軸向?qū)R排布。在強(qiáng)迫風(fēng)機(jī)作用下，冷卻空氣從兩端電機(jī)端部，對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，從電機(jī)流出的熱空氣經(jīng)冷卻器冷卻降溫后，再次循環(huán)進(jìn)入電機(jī)，構(gòu)成整個(gè)內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，從而帶走電機(jī)內(nèi)部的熱量，達(dá)到降低電機(jī)溫升的目的。根據(jù)該電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性特征，因此對(duì)電機(jī)流體場(chǎng)求解時(shí)可以采用電機(jī)四分之一結(jié)構(gòu)單元，即采用沿圓周方向1/2電機(jī)單元、軸向1/2電機(jī)單元作為基本求解域。其中計(jì)算域內(nèi)電機(jī)端部包含有定、轉(zhuǎn)子端部線(xiàn)棒，轉(zhuǎn)子計(jì)算域沿周向分布有27個(gè)轉(zhuǎn)子槽，定子計(jì)算域沿周向分布有36個(gè)定子槽。為了便于研究，將流體域分為兩部分，即轉(zhuǎn)子部分的旋轉(zhuǎn)流體域及機(jī)殼腔及定子區(qū)域中的固定流體域，其物理模型如圖1所示。

由圖1可知，冷卻介質(zhì)經(jīng)由電機(jī)端部空氣域上部進(jìn)入，冷卻電機(jī)內(nèi)部各結(jié)構(gòu)件后，經(jīng)定子鐵心徑向風(fēng)溝流出。為了保證電機(jī)內(nèi)部各結(jié)構(gòu)件得到充分的冷卻，在出風(fēng)口與人風(fēng)口的交界處放置一個(gè)擋風(fēng)板，擋風(fēng)板本身不隔熱。另外，該區(qū)域包含12個(gè)徑向通風(fēng)道，從1號(hào)到12號(hào)依次編號(hào)。

同理，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，對(duì)于溫度場(chǎng)的計(jì)算采用如圖2所示的軸向1/2、周向1/6的物理模型。

2求解條件

2.1電機(jī)基本數(shù)據(jù)

本文以一臺(tái)5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，該發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)電機(jī)參數(shù)對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到電機(jī)各部分損耗如表2所示。

將電機(jī)在額定狀態(tài)下的損耗作為熱載荷，施加在電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心及繞組部分，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)求解。

2.2邊界條件

結(jié)合該風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將電機(jī)流體場(chǎng)數(shù)值計(jì)算求解域的邊界條件設(shè)置為：

1）人口采用壓力人口邊界條件，設(shè)為1atm;

2）出口采用壓力出口邊界條件，設(shè)為1atm;

3）軸向各截?cái)嗝婢O(shè)為Symmetry，周向的各截?cái)嗝嬖O(shè)為Periodic，其他各壁面設(shè)為無(wú)滑移壁面邊界條件。

另外，將電機(jī)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算求解域邊界條件設(shè)置為：

1）人口采用速度人口邊界條件，速度大小設(shè)為0.52m/s：

2）出口采用壓力出口邊界條件，設(shè)為1atm;

3）電機(jī)軸向各截?cái)嗝婢O(shè)為Symmetry，其余各壁面均設(shè)為絕熱壁面;

4）將轉(zhuǎn)子區(qū)域的流體轉(zhuǎn)速設(shè)為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，為1200r/min。

3三維流體場(chǎng)計(jì)算及分析

3.1流體場(chǎng)整體分析

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝內(nèi)的槽鋼在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中具有離心式風(fēng)扇的作用，在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生壓頭，加之強(qiáng)風(fēng)風(fēng)機(jī)的作用，促進(jìn)電機(jī)內(nèi)冷卻流體不斷循環(huán)流動(dòng)帶走電機(jī)熱量。為了全面了解整機(jī)內(nèi)流體流動(dòng)過(guò)程，求出電機(jī)內(nèi)流體流線(xiàn)圖，如圖3所示。

由圖3可知，冷卻氣體由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電機(jī)端部氣腔內(nèi)，人風(fēng)口附近流速較低，到氣腔后速度逐漸升高，其內(nèi)部定轉(zhuǎn)子區(qū)域流體形態(tài)并不完全一樣，且與電機(jī)底部區(qū)域流速相比，靠近電機(jī)人口的上層區(qū)域流速較大，并且與轉(zhuǎn)子流域相比，定子流域內(nèi)流速變化更為明顯。這是因?yàn)殡姍C(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子處于以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，而定子與機(jī)殼處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，此時(shí)，電機(jī)頂部與底部的相對(duì)位置對(duì)轉(zhuǎn)子流域內(nèi)影響不大，但對(duì)定子流域內(nèi)流體流動(dòng)的影響較為顯著，致使端部空氣域內(nèi)定轉(zhuǎn)子部分流體流速及空間壓力分布不一致。冷卻空氣進(jìn)入端部空氣域后，經(jīng)各軸向風(fēng)道沿軸向流動(dòng)，受到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響，轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體流速較大，受到的壓力較大。冷卻空氣經(jīng)氣隙進(jìn)入定子徑向通風(fēng)道后，受到沿程阻力的影響，流速顯著降低，受到的壓力減小。并且定子流域內(nèi)存在回流，冷卻空氣在徑向風(fēng)道內(nèi)發(fā)生碰撞，能量損失嚴(yán)重。

提取數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以知道，電機(jī)計(jì)算域內(nèi)總流量為4.941m³/s，總流量的理論值為4.0788m³/s。鑒于此，可以初步判斷，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足其通風(fēng)要求。

3.2電機(jī)軸向各徑向通風(fēng)溝流場(chǎng)對(duì)比分析

電機(jī)徑向通風(fēng)溝內(nèi)冷卻氣體流量沿軸向長(zhǎng)度的增加而發(fā)生變化，但是沿軸向方向轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道出口及定子徑向風(fēng)道人口面積均不變，造成冷卻氣體沿軸向流速將發(fā)生變化。為了研究徑向風(fēng)溝內(nèi)沿軸向方向流體流變特性，分別取1號(hào)和12號(hào)通風(fēng)溝中心截面作為采樣面，流速分布如圖4所示。

由圖4可知，從軸向上來(lái)看，流體的速度分布規(guī)律一致，即1號(hào)通風(fēng)溝流速最大，12號(hào)通風(fēng)溝流速最小，即在軸向方向上，電機(jī)中部流量最大，越靠近端部流量越小。

同時(shí)可以看出，轉(zhuǎn)子區(qū)域流體速度明顯大于定子區(qū)域。徑向長(zhǎng)度越大，轉(zhuǎn)子流速也將越大，且迎風(fēng)面和背風(fēng)面流速不同，在氣隙處達(dá)到最大值。針對(duì)定子通風(fēng)槽鋼而言，其迎風(fēng)面與背風(fēng)面流體流速相差較大，迎風(fēng)面流體流速較大，但從徑向上來(lái)看流體速度變化緩慢。這是由于冷卻氣體從人風(fēng)口進(jìn)入端部氣腔，而后進(jìn)入各徑向通風(fēng)溝，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用，轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)風(fēng)速不斷增大，最大值位于轉(zhuǎn)子風(fēng)道出口與氣隙的交界處。定子區(qū)域受人風(fēng)口流速及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)影響較小，故徑向上流速變化較小。

為了具體研究徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體流速變化情況，表3給出了各個(gè)徑向通風(fēng)溝的最大流速。

為了進(jìn)一步分析沿軸向方向徑向風(fēng)溝內(nèi)流體分布特性，取轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝出口流量及定子徑向風(fēng)溝進(jìn)口流量，圖5給出了定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝流量分布曲線(xiàn)圖。

由圖5可知，轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝出口及定子徑向風(fēng)溝進(jìn)口流量相差不大，且分布趨勢(shì)大致相同，均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，1號(hào)通風(fēng)溝處流量最大，轉(zhuǎn)子風(fēng)溝流量最大值為0.1926m³/s，定子風(fēng)溝流量最大值為0.19m³/s。

3.3電機(jī)徑向通風(fēng)溝流場(chǎng)速度分析

電機(jī)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼對(duì)電機(jī)內(nèi)部流體流型演化有很大的影響，根據(jù)3.1節(jié)和3.2節(jié)可知，針對(duì)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼而言，徑向長(zhǎng)度的不同會(huì)導(dǎo)致流體流速產(chǎn)生變化，且迎風(fēng)面、背風(fēng)面流體流速也不同。為具體分析定轉(zhuǎn)子槽鋼兩側(cè)冷卻氣體分布情況，將采樣線(xiàn)設(shè)置在1號(hào)、6號(hào)及12號(hào)通風(fēng)溝內(nèi)定、轉(zhuǎn)子槽中。

圖6中（a）為定子區(qū)域AB、EF及CD采樣線(xiàn)位置，迎風(fēng)面處的采樣線(xiàn)為AB，背風(fēng)面處的采樣線(xiàn)為凹，槽軛部中間位置為EF，圖6中（b）、（c）、（d）為所采樣位置處的流體流速變化曲線(xiàn)。

分析圖6可得，隨著軸向長(zhǎng)度增加，3個(gè)采樣位置的定子通風(fēng)溝內(nèi)流速均減小，且最大流速位于1號(hào)風(fēng)溝，最小流速位于12號(hào)風(fēng)溝，但是定子槽鋼迎風(fēng)面相比于背風(fēng)面而言流速減小趨勢(shì)不明顯。其中，AB處流速最高，CD處流速次之，丑F處流體速度最低。

這是由于槽軛部中間位置兩側(cè)空氣在定子槽尾部匯集，存在渦流，使定子徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體能量損失較多。另外，流體流速較小的位置出現(xiàn)在定子通風(fēng)溝人口附近及齒部，定子軛部處的速度急劇增加，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是冷卻空氣在定子齒部處受到定子股線(xiàn)的阻礙，且受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響，相比于迎風(fēng)面，背風(fēng)面流速明顯下降。當(dāng)流體到達(dá)定子風(fēng)道出口附近，由于流動(dòng)區(qū)域陡然變大，流速迅速降低。

同樣地，對(duì)轉(zhuǎn)子區(qū)域流體進(jìn)行相同的研究分析，轉(zhuǎn)子區(qū)域采樣線(xiàn)為ab、ef及cd，如圖7中（a）所示，其中ab為迎風(fēng)面，cd為背風(fēng)面。

由圖7可知，在軸向上，隨著軸向距離的增大，轉(zhuǎn)子各徑向通風(fēng)溝內(nèi)流速逐漸減小，其變化趨勢(shì)與定子徑向風(fēng)溝內(nèi)流體變化趨基本相同，不再贅述。轉(zhuǎn)子風(fēng)溝內(nèi)流體流動(dòng)變化更加激烈，呈非線(xiàn)性變化趨勢(shì)。在徑向方向上，隨著徑向長(zhǎng)度的增加，轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝內(nèi)流體與定子內(nèi)流體變化狀態(tài)不再相同，而是出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在股線(xiàn)區(qū)域流速出現(xiàn)拐點(diǎn)，且在背風(fēng)面cd區(qū)域越靠電機(jī)端部，流體流速減小越明顯。當(dāng)流體達(dá)到風(fēng)溝出口時(shí)，迎風(fēng)面a6區(qū)域的流體流速突然降低，而背風(fēng)面cd區(qū)域的流體突然升高，即流體在該區(qū)域均出現(xiàn)拐點(diǎn)，在出口附近，背風(fēng)面流體流速明顯高于迎風(fēng)面。

4三維溫度場(chǎng)計(jì)算及分析

基于電機(jī)基本假設(shè)，根據(jù)徑向通風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及傳熱特性，建立電機(jī)三維物理模型。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，根據(jù)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，在電機(jī)軸向上選取1/2區(qū)域、在周向選取1/6區(qū)域作為物理模型，周向上包括12個(gè)定子槽和9個(gè)轉(zhuǎn)子槽。

4.1主要部件啟動(dòng)溫升分析

通過(guò)該發(fā)電機(jī)三維溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，可以得到電機(jī)最高溫升位于定子繞組上，其數(shù)值為93K，小于該電機(jī)所采用的F級(jí)絕緣材料的溫升限值。

為具體分析發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫升分布情況，圖8給出了求解域內(nèi)的溫升分布。從圖8可以看出，求解域內(nèi)的最高溫升為93K。整體而言，溫升變化幅度較大，定子區(qū)域的溫升較大，轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升較小。電機(jī)內(nèi)部熱源所產(chǎn)生的熱量由內(nèi)風(fēng)路中冷卻氣體帶到機(jī)殼外，將傳遞給機(jī)殼。被冷卻后的流體首先冷卻轉(zhuǎn)子區(qū)域，與其進(jìn)行充分換熱，冷卻效果強(qiáng)，因此轉(zhuǎn)子鐵心溫升比定子區(qū)域低。

從數(shù)據(jù)中可以看到，電機(jī)不同部位的溫升變化梯度很大。定子股線(xiàn)溫升最高，轉(zhuǎn)鐵心溫升最低。電機(jī)內(nèi)溫升最大值為93.0K。

4.2電機(jī)軸向溫升分布規(guī)律

圖9所示為軸向上各徑向切面溫升分布圖，其中（a）為1號(hào)通風(fēng)溝附近中心截面，（b）為12號(hào)通風(fēng)溝附近截面即定子鐵心段中最大溫升截面，（c）為電機(jī)端部區(qū)域截面溫升分布。

由圖9可以看出，電機(jī)最熱面在端部鐵心處附近。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在電機(jī)中心風(fēng)溝處的冷卻氣體流量最大，對(duì)流換熱效果比較好。而電機(jī)端部氣腔處的冷卻氣體溫升低，散熱能力強(qiáng)，所以溫升最高的截面出現(xiàn)在電機(jī)靠近端部的中間段。

4.3電機(jī)徑向溫升分布規(guī)律

圖10、圖11分別為沿電機(jī)轉(zhuǎn)子槽、定子齒中心線(xiàn)處和沿轉(zhuǎn)子齒、定子槽中心線(xiàn)處徑向溫升分布曲線(xiàn)。

圖10中AB段對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子軛，BC段對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子槽底墊條，CD段對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子下層繞組，DE對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組的層間絕緣，EF對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子上層繞組，F(xiàn)G表示轉(zhuǎn)子槽楔的徑向高度，CH表示氣隙徑向厚度，HI表示整個(gè)定子鐵心的徑向長(zhǎng)度。

圖11中AB段表示轉(zhuǎn)子鐵心軛徑向長(zhǎng)度，BC段表示轉(zhuǎn)子鐵心齒部徑向長(zhǎng)度，CD段表示氣隙徑向厚度，DE段表示定子槽楔和上層股線(xiàn)的徑向高度，E處為定子上下層股線(xiàn)間的層間絕緣，EF段表示定子下層股線(xiàn)段，F(xiàn)G表示槽底絕緣的徑向?qū)挾?，GH段表示定子軛部徑向高度。

由圖10可知，絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)小因而散熱效果差，所以在BC段溫升發(fā)生突變。在轉(zhuǎn)子區(qū)域，上層繞組的溫升高于下層繞組，這是由于冷卻空氣在電機(jī)內(nèi)部流通時(shí)先到達(dá)下層繞組，冷卻效果較好。在氣隙處溫升變化劇烈，迅速下降后又迅速上升。結(jié)合圖11可知，周向不同位置處氣隙的溫升幾乎沒(méi)有變化。而溫升曲線(xiàn)并不是垂直變化，這是由于靠近熱源處的冷卻氣體被加熱。

由圖11可以看出，定子的溫升較高，轉(zhuǎn)子鐵心的溫升較低。定子下層股線(xiàn)溫升最大，達(dá)93K。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩方面，一為繞組在發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的電磁損耗大于其他部件。其次，冷卻后的氣體后先流過(guò)轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝，之后流入定子通風(fēng)溝，冷卻效果下降，故轉(zhuǎn)子區(qū)域的溫升較低。

5結(jié)論

本文采用有限體積法對(duì)具有密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)的徑向通風(fēng)電機(jī)流體場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值研究，揭示了流體流變特性及傳熱規(guī)律。得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)計(jì)算得電機(jī)所需冷卻風(fēng)量為4.0788m³/s，本文中總風(fēng)量達(dá)4.941m³/s，因此可知，電機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的，溫升值滿(mǎn)足電機(jī)采用的絕緣等級(jí)要求。

2）在軸向方向上，電機(jī)中部流量最大，計(jì)算域內(nèi)轉(zhuǎn)子風(fēng)溝流量最大值為0.1926m³/s，定子風(fēng)溝流量最大值為0.19m³/s，而越靠近端部流量越小;在徑向方向上，隨距離的增加，風(fēng)溝內(nèi)流體呈非線(xiàn)性變化，在定轉(zhuǎn)子股線(xiàn)附近及風(fēng)溝出口處流速變化較大且呈現(xiàn)拐點(diǎn)，最大流速點(diǎn)位于氣隙處，最大值為74.67m/s。流體進(jìn)入定子徑向風(fēng)溝后，出現(xiàn)回流，流速降低;

3）電機(jī)各個(gè)部位的溫升變化梯度很大，定子區(qū)域的平均溫升及最大溫升均較高，其中繞組溫升最大，其次為絕緣，溫升最低位于定子鐵心處;轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升相比于定子區(qū)域而言較低。計(jì)算所得溫升滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以判斷流場(chǎng)流量可行。

4）從徑向上看，溫升變化劇烈，定子部分溫升較高，最高溫升點(diǎn)位于定子繞組，為93K，轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升較低。從軸向上看，溫升分布大致相同，呈現(xiàn)先下降，然后上升，最后在端部降低的趨勢(shì)。