李巧珍,徐國(guó)俊,張嘉康

(上海電氣電站技術(shù)研究與發(fā)展中心,上海 200241)

1 前言

近年來(lái),空冷汽輪發(fā)電機(jī)以其安裝維護(hù)方便、輔助系統(tǒng)少等優(yōu)勢(shì),成為汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

180MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為副槽徑向通風(fēng)直接冷卻,定子鐵心為軸向分區(qū)的徑向風(fēng)道冷卻,定子繞組空氣間接冷卻。在發(fā)電機(jī)主要部件處,冷卻風(fēng)量分布合理與否將直接影響電機(jī)的性能指標(biāo)、安全運(yùn)行的可靠性及電機(jī)的使用壽命。因此分析計(jì)算研究發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量風(fēng)壓分布,是汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。

2 通風(fēng)系統(tǒng)介紹

整個(gè)發(fā)電機(jī)的風(fēng)路分為三部分:第一部分從機(jī)座上設(shè)置的軸向管道將冷空氣引到定子鐵心背部的進(jìn)風(fēng)區(qū),另一部分冷空氣從端部定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙進(jìn)入,第三部分冷空氣由護(hù)環(huán)下端部空間流入轉(zhuǎn)子繞組。三部分氣體在氣隙匯合后經(jīng)定子出風(fēng)區(qū)的徑向通風(fēng)道流出鐵心,再經(jīng)定子鐵心背部機(jī)座空間流入冷卻器。如圖 1所示。

由圖 1的風(fēng)路示意圖轉(zhuǎn)化成圖 2的等效網(wǎng)絡(luò)圖。

3 計(jì)算假設(shè)及計(jì)算方法

3.1 計(jì)算的假設(shè)條件

通風(fēng)計(jì)算前,根據(jù)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn),作如下假設(shè):

(1)發(fā)電機(jī)是中心對(duì)稱的,計(jì)算以半個(gè)發(fā)電機(jī)為分析對(duì)象;

(2)冷卻介質(zhì)處于連續(xù)循環(huán)流動(dòng)狀態(tài),流量和壓力連續(xù)變化;

(3)空氣為不可壓縮流動(dòng),不計(jì)空氣密度的微小變化;

(4)冷卻介質(zhì)流動(dòng)隨時(shí)間變化并不劇烈,可視為定常流動(dòng);

(5)忽略重力的影響。

3.2 計(jì)算方法

計(jì)算方法系發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算的傳統(tǒng)方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)法,即根據(jù)通風(fēng)回路中氣體的流向分別建立若干個(gè)節(jié)點(diǎn),計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的阻力系數(shù),繼而建立等效網(wǎng)絡(luò),按交叉點(diǎn)處風(fēng)量平衡和壓力平衡建立方程組。即:

式中:

qi——與該節(jié)點(diǎn)相連各支路的冷卻介質(zhì)流量。

冷卻介質(zhì)流經(jīng)某流道導(dǎo)致壓力損失 ΔP:

式中:

ρ——冷卻介質(zhì)密度

F、υ——流道特征截面的面積、冷卻介質(zhì)流速

q—— 各支路流道流量

z—— 各支路風(fēng)阻

ζ——阻力系數(shù)

阻力系數(shù)主要包括沿程阻力系數(shù),局部阻力(主要指漸擴(kuò)、漸縮、突擴(kuò)、突縮、轉(zhuǎn)彎等)系數(shù)、分流及合流阻力系數(shù),它們與流道元件的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部冷卻介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

4 計(jì)算結(jié)果

180MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如圖3所示。當(dāng)風(fēng)扇壓力為 321.06mmH2O時(shí),總風(fēng)量的計(jì)算值為39.7m3/s(一半為 19.85m3/s)。

圖3 半個(gè)電機(jī)的風(fēng)量分布

圖4為發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)示意圖上的風(fēng)量風(fēng)壓分布,其定子為四進(jìn)五出通風(fēng),轉(zhuǎn)子本體為變節(jié)距副槽軸向徑向通風(fēng),轉(zhuǎn)子端部采用蛇形風(fēng)道通風(fēng),蛇形風(fēng)道開(kāi)在端部墊塊上,并在大號(hào)線圈的端部圓弧部分的銅線上開(kāi)有鋸齒形通風(fēng)孔。

圖4 發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量風(fēng)壓分布

定子為四進(jìn)五出通風(fēng)結(jié)構(gòu),沿定子軸向共分布有 118個(gè)徑向風(fēng)道,圖 5為半個(gè)定子 59個(gè)徑向風(fēng)道風(fēng)量分布示意圖。

圖5 定子徑向風(fēng)道風(fēng)量分布

轉(zhuǎn)子本體為變節(jié)距副槽軸向徑向通風(fēng),整個(gè)轉(zhuǎn)子本體共分布有 36個(gè)徑向風(fēng)道,半個(gè)轉(zhuǎn)子本體 18個(gè)徑向風(fēng)道風(fēng)量分布如圖 6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道風(fēng)量分布

鐵心背壓與氣隙靜壓之間的壓差計(jì)算值和試驗(yàn)值如圖 7所示。

圖7 鐵心背壓與氣隙靜壓差

5 結(jié)語(yǔ)

(1)從發(fā)熱角度考慮,由于定子端部磁通比較集中,發(fā)熱量較大,所需風(fēng)量也較大,該發(fā)電機(jī)的端部風(fēng)量分配為定子端部散熱提供了良好的通風(fēng)。

(2)對(duì)轉(zhuǎn)子本體而言,冷卻介質(zhì)沿轉(zhuǎn)子副槽長(zhǎng)度因轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道逐步分流后,軸向流量逐步減小,軸向速度下降,從而使轉(zhuǎn)子副槽軸向靜壓沿軸向不斷升高,轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)量沿軸向也逐步增加。

(3)鐵心背壓與氣隙靜壓之間的壓差分布合理,計(jì)算值和試驗(yàn)值的比較顯示,兩者基本吻合。

(4)總風(fēng)量的計(jì)算值為 39.7m3/s,設(shè)計(jì)要求為 40.5m3/s,兩者計(jì)算結(jié)果接近,偏差為 1.98%。該發(fā)電機(jī)進(jìn)出風(fēng)區(qū)的風(fēng)道分配合理,流量和靜壓分布滿足發(fā)電機(jī)溫升設(shè)計(jì)要求。發(fā)電機(jī)工廠性能試驗(yàn)結(jié)果表明,定子繞組、定子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組等主要部件的溫升均符合 GB、IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M].上海:科學(xué)出版社,1992.

[2]上海電氣電站設(shè)備有限公司上海發(fā)電機(jī)廠,上海理工大學(xué).大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)研究[R],上海:上海電氣電站設(shè)備有限公司上海發(fā)電機(jī)廠,2008年.

[3]李巧珍,張嘉康,鄭東平.空冷 180MW汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)試驗(yàn)報(bào)告[R].上海:上海電氣電站設(shè)備有限公司上海發(fā)電機(jī)廠,2007.

[4]上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司,QF-180-2性能試驗(yàn)報(bào)告[R].上海:上海電氣電站設(shè)備有限公司上海發(fā)電機(jī)廠,2007.