胡 磊， 袁益超， 李立軍， 咸哲龍， 梁旭彪

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 200240）

300 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心內(nèi)空氣流動(dòng)特性研究

胡 磊1，2， 袁益超1， 李立軍2， 咸哲龍2， 梁旭彪2

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 200240）

針對(duì)某電廠300 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的汽、勵(lì)兩端鐵心溫度不均衡，且端部幾檔鐵心存在過(guò)熱的問(wèn)題，采用二維數(shù)值模擬的方式，研究其鐵心及端部鐵心內(nèi)的空氣流動(dòng)特性.結(jié)果表明，過(guò)熱鐵心檔相鄰的冷卻通道流量較小可能是上述問(wèn)題的主要原因.提出增加擋風(fēng)板高度的措施，使端部鐵心過(guò)熱問(wèn)題得到有效解決，電廠隨后實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該措施的可靠性，為雙水內(nèi)冷系列汽輪發(fā)電機(jī)的增容改造及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù).

雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)；定子鐵心；過(guò)熱；數(shù)值分析

自1958年10月上海電機(jī)廠（上海電氣電站設(shè)備有限公司上海發(fā)電機(jī)廠前身，以下簡(jiǎn)稱(chēng)上發(fā)廠）研制成功世界上第一臺(tái)12 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)以來(lái)，上發(fā)廠已經(jīng)形成了60，135，300 MW等級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品線，目前正在開(kāi)發(fā)660 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī).

雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子線圈均采用水直接冷卻，定子鐵心采用空氣冷卻，端部結(jié)構(gòu)件（如銅屏蔽）部分采用水冷卻.由于沒(méi)有氫系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且完全避免氫爆危險(xiǎn)，機(jī)座、端蓋均可以大大簡(jiǎn)化并無(wú)需作防爆處理.以上都是雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)所特有的運(yùn)行優(yōu)勢(shì).

隨著雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)容量的不斷提升，定子鐵心尤其是端部鐵心的發(fā)熱問(wèn)題，一直是制約其增容、提高進(jìn)相運(yùn)行能力的瓶頸之一.端部鐵心及結(jié)構(gòu)件由于存在漏磁而導(dǎo)致發(fā)熱，同時(shí)，空氣本身的物性同氫氣相比其冷卻能力有限，因此，上發(fā)廠采取了一系列改進(jìn)措施，如減小端部鐵心檔的軸向尺寸、加強(qiáng)鐵心齒部的冷卻、采用銅屏蔽將損耗集中并用水冷卻等，以解決端部鐵心及結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱問(wèn)題.

解決定子鐵心尤其是端部鐵心的冷卻問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上包括兩個(gè)方面：一是要確定熱源的分布，這涉及端部電磁場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題；二是要解決流場(chǎng)分布與熱源分布的匹配問(wèn)題.

目前針對(duì)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心部分流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究較少.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)空冷汽輪發(fā)電機(jī)的數(shù)值研究文獻(xiàn)較多，例如，以一個(gè)定子徑向風(fēng)道作為研究對(duì)象，對(duì)電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行研究［1-7］；也有部分學(xué)者根據(jù)多路通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱的特點(diǎn)，對(duì)空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子多路通風(fēng)系統(tǒng)，建立三維流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合求解的數(shù)學(xué)模型與物理模型進(jìn)行研究［8-14］.隨著發(fā)電機(jī)線負(fù)荷的增加，端部漏磁也隨之增加，因此，端部電磁場(chǎng)的計(jì)算一直是國(guó)內(nèi)外電機(jī)界學(xué)者研究的重要課題，并取得了不少有價(jià)值的研究成果［15-17］.

針對(duì)某電廠2臺(tái)300 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的汽勵(lì)兩端鐵心溫度不均衡，且端部幾檔鐵心存在過(guò)熱的問(wèn)題，以該發(fā)電機(jī)定子鐵心為研究對(duì)象，對(duì)其建立包括徑向風(fēng)道、鐵心檔、氣隙的二維模型，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提出相應(yīng)的改造方案.電廠實(shí)施改造方案后，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性.

1 問(wèn)題的提出

300 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心采用徑向全出風(fēng)通風(fēng)方式.空氣從鐵心內(nèi)圓進(jìn)入，通過(guò)鐵心檔之間的徑向風(fēng)道沿程吸收熱量，最后從鐵心外圓排出.由于所有冷卻空氣都從氣隙進(jìn)入，所以，氣隙入口處風(fēng)速較高，導(dǎo)致邊段鐵心處內(nèi)圓和外圓之間的靜壓差較小，冷卻空氣不易進(jìn)入且容易造成各風(fēng)道的風(fēng)量分配不均，致使局部鐵心檔出現(xiàn)過(guò)熱.因此，一般采用在汽、勵(lì)兩端鐵心內(nèi)圓的某一位置放置一定高度的擋風(fēng)板，以改善風(fēng)量分配不均問(wèn)題.

某電廠1，3號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)均為上發(fā)廠生產(chǎn)的QFS系列300 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，經(jīng)過(guò)增容改造，目前的額定功率為330 MW.此兩臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)兩端靠近邊段鐵心處的第98和第7兩檔鐵心內(nèi)圓處，分別裝有高度為h的徑向擋風(fēng)板，電廠增容過(guò)程中未對(duì)此擋風(fēng)板進(jìn)行改動(dòng).每一檔鐵心的齒部和軛部均埋有測(cè)溫元件，齒部測(cè)溫元件接近定子槽底位置，軛部測(cè)溫元件靠近鐵心外圓位置.鐵心檔的編號(hào)從勵(lì)端開(kāi)始，汽端結(jié)束，依次為1～104.

表1和圖1（見(jiàn)下頁(yè)）給出了這2臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)在5種運(yùn)行工況下（其中，1號(hào)機(jī)2種運(yùn)行工況，3號(hào)機(jī)3種運(yùn)行工況）的主要參數(shù)及鐵心軛部溫升分布.

表1及圖1中的數(shù)據(jù)表明：

a.1號(hào)機(jī)鐵心最高溫升出現(xiàn)在汽端的第100檔軛部，3號(hào)機(jī)的最高溫升出現(xiàn)在汽端的第101檔軛部.根據(jù)電廠提供的測(cè)試數(shù)據(jù)，1，3號(hào)發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)端的本體部分鐵心溫升基本相同，據(jù)此可判斷汽、勵(lì)端的進(jìn)風(fēng)量基本相當(dāng).

表1 2臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.1 Operation data of two generators

圖1 1，3號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)鐵心軛部溫升分布Fig.1 Temperature distribution on stator york core of No 1 and 3 generators

b.發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況對(duì)溫升的影響比較明顯. 1號(hào)機(jī)4月9日（容量276 MVA，功率因數(shù)0.944）雖然比4月8日（容量315 MVA，功率因數(shù)0.946）出力低、定子電流和轉(zhuǎn)子電流也較小，但邊段鐵心溫升基本相當(dāng)；而3號(hào)機(jī)4月9日（容量277 MVA，功率因數(shù)0.938）雖然比4月8日（容量308 MVA，功率因數(shù)0.954）出力低，但邊段鐵心溫升普遍較高，說(shuō)明功率因數(shù)與溫升的關(guān)系較大.

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

采用兩維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，由于汽端和勵(lì)端關(guān)于鐵心中心線對(duì)稱(chēng)，因此，計(jì)算域取一半鐵心.計(jì)算模型及局部放大圖如圖2所示.圖2中入口部分為速度進(jìn)口邊界條件，出口部分為壓力出口邊界條件，汽端的第104檔與103檔鐵心之間的徑向通道編號(hào)為103，其余依次類(lèi)推.

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)理論，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進(jìn)行求解.當(dāng)流體為不可壓縮定常流動(dòng)時(shí)，其通用的控制方程為

式中，φ，U為通用變量；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；S為源項(xiàng)；ρ為流體密度.

由于風(fēng)道中冷卻氣體的雷諾數(shù)較大，屬于充分發(fā)展的湍流，因此，采用上述湍流模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解.雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部壓力接近于大氣壓力，可以忽略浮力和重力的影響；同時(shí)由于馬赫數(shù)小于

圖2 計(jì)算模型及局部放大圖Fig.2 Numerical model and partial enlarged detail

0.3，因此，可作為不可壓縮流體處理.

壓力與速度耦合采用Simple算法，動(dòng)量、湍動(dòng)能和耗散率均采用二階迎風(fēng)格式，近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).經(jīng)計(jì)算，第一層網(wǎng)格的壁面率y+值絕大部分在30～100范圍內(nèi)，故認(rèn)為已符合精度要求.

2.3 結(jié)果分析

分別對(duì)徑向擋風(fēng)板高度為0，h，1.5h，2h，2.5h及3h且分別位于第98，97檔鐵心內(nèi)圓處時(shí)的流場(chǎng)特性進(jìn)行模擬，其結(jié)果如表2和表3所示；同時(shí)，選取徑向擋風(fēng)板位于第98檔鐵心內(nèi)圓、高度為0，3h兩種情況為典型代表，其靠近擋風(fēng)板處的速度云圖如圖3所示.V為速度.

表2 擋風(fēng)板位于第98檔鐵心時(shí)不同高度下的各風(fēng)道流量Tab.2 Radial channel flow volume under different height of baffle locating at 98th step core_______ kg／s__

由圖3、表2和表3可知：

表3 擋風(fēng)板位于第97檔鐵心時(shí)不同高度下的各風(fēng)道流量Tab.3 Radial channel flow volume under different height of baffle locating at 97th step core_______ kg／s

a.擋風(fēng)板分別位于第98，97檔鐵心時(shí)，隨著擋風(fēng)板高度的增加，位于來(lái)流上游的第98，97號(hào)風(fēng)道的流量也隨之增加；擋風(fēng)板在其高度低于h時(shí)，無(wú)論位于第98檔還是第97檔鐵心處，第100號(hào)風(fēng)道流量均較小，易引起局部過(guò)熱，這與電廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是一致的，熱點(diǎn)出現(xiàn)在第100號(hào)風(fēng)道的兩側(cè)，即第100檔或第101檔鐵心軛部.

b.擋風(fēng)板高度也不宜過(guò)大，擋風(fēng)板高度增加到3h時(shí)，第101，102號(hào)風(fēng)道的流量會(huì)急劇下降；部分風(fēng)道流量為負(fù)值，這是由于氣隙進(jìn)口處壓力較高，氣流速度較大（約60 m／s），局部會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)（內(nèi)圓處?kù)o壓小于外圓處?kù)o壓），因而導(dǎo)致逆流.

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)這2臺(tái)發(fā)電機(jī)提出了相應(yīng)的改造建議，即將汽端擋風(fēng)板移至第97檔鐵心處且高度為2h，以顯著增加第100號(hào)風(fēng)道流量，并使各風(fēng)道流量分配也較均勻；若不便改變擋風(fēng)板位置，則僅將擋風(fēng)板高度加大至2h，也能達(dá)到較好的效果.

圖3 擋風(fēng)板在不同高度情況下局部速度等值線圖Fig.3 Local velocity isogram under different height of baffle

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該電廠于6月16日對(duì)1號(hào)發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板按照上述建議進(jìn)行了改造：將汽端擋風(fēng)板高度由原來(lái)的h改為2h，位置仍位于第98檔鐵心處；勵(lì)端由于端部不存在過(guò)熱現(xiàn)象，擋風(fēng)板高度及位置均保持不變.

表4和圖4給出了擋風(fēng)板改造前（4月10日）、后（6月16日）某一時(shí)刻運(yùn)行狀況較為接近的發(fā)電機(jī)的有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù).在圖4中，橫坐標(biāo)為鐵心檔編號(hào)，縱坐標(biāo)為汽、勵(lì)兩端相對(duì)于各自進(jìn)風(fēng)溫度的溫升.

表4 1號(hào)發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板改造前后實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.4 Operation data of No.1 generator before and after baffle modification

圖4 擋風(fēng)板改動(dòng)前后汽端、勵(lì)端鐵心溫升Fig.4 Comparison of stator core temperatures at turbine and exciter ends before and after baffle modification

對(duì)比電廠調(diào)整檔風(fēng)板高度前后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，調(diào)整擋風(fēng)板高度收到了明顯的效果.在勵(lì)端鐵心溫升基本保持不變的前提下，汽端鐵心溫升有所降低，特別是汽端原來(lái)出現(xiàn)熱點(diǎn)的第100檔鐵心，其軛部溫升由86 K降為49 K，齒部溫升由65 K降為18 K，表明改造后第100檔鐵心兩側(cè)風(fēng)道（第100， 99號(hào)風(fēng)道）的冷卻空氣流量明顯增大，這與表2中數(shù)值模擬結(jié)果一致.

4 結(jié) 論

針對(duì)某電廠300 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的汽、勵(lì)兩端鐵心溫度不均衡，且局部幾檔鐵心存在過(guò)熱的問(wèn)題，選取軸向一半鐵心，建立包括徑向風(fēng)道、鐵心檔、氣隙的二維模型并進(jìn)行數(shù)值模擬.結(jié)果表明，過(guò)熱檔鐵心相鄰的冷卻通道流量較小，可能是導(dǎo)致局部鐵心檔出現(xiàn)過(guò)熱的主要原因，并提出了相應(yīng)的擋風(fēng)板改造方案.電廠實(shí)施改造方案后的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，為雙水內(nèi)冷系列汽輪發(fā)電機(jī)的增容改造及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù).

由于端部鐵心熱負(fù)荷分布的復(fù)雜性，本文的數(shù)值分析只考慮了流場(chǎng)分布，并沒(méi)有耦合溫度場(chǎng)，且對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，但仍然取得了較好的效果.當(dāng)然，若能將流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合，并且就不同結(jié)構(gòu)對(duì)端部漏磁損耗的影響進(jìn)行細(xì)致研究，在設(shè)計(jì)階段盡可能使風(fēng)量與熱負(fù)荷分布相匹配，可作為進(jìn)一步的研究方向.

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（編輯：石 瑛）

Air Flow Characteristics in Stator Core of 300 MW Double Water Inner Cooled Turbo Generator

HULei1，2， YUANYi-chao1， LILi-jun2， XIANZhe-long2， LIANGXu-biao2
（1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd.Generator Plant，Shanghai 200240，China）

Based on the operation data collected from a certain power plant，it is found that the temperature distribution on stator core between turbine end and exciter end is quite nonuniform，furthermore，there exists some overheated step core in the step iron.By means of numerical analysis，it is found that the volume flow of radial vent channel beside the overheated step core is quite low compared with other adjacent radial vents.The overheat problem was resolved by increasing the height of the baffle locating in the inner step iron，and the test data support the above measure.Some useful conclusions were given for the future optimum design and unit capacity enlargement.

double water inner cooled turbo generator；stator core；overheat；numerical analysis

TM 311文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1007-6735（2014）05-0456-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.05.009

2013-10-12

胡 磊（1980-），男，博士研究生.研究方向：汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)及傳熱研究.E-mail：hulei＠shanghaielectric.com

袁益超（1965-），男，教授.研究方向：強(qiáng)化傳熱及節(jié)能技術(shù).E-mail：ychyuan＠163.com