劉維維，安志華，郭 闖

(1. 哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電工儀表研究所, 黑龍江哈爾濱 150028)

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基于模型試驗和CFD模擬的大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

劉維維1，安志華1，郭 闖2

(1. 哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電工儀表研究所, 黑龍江哈爾濱 150028)

以1 400 MW汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)為例，通過通風(fēng)模型和CFD流體分析軟件分別研究了轉(zhuǎn)子副槽形式和轉(zhuǎn)子槽楔出風(fēng)面積對轉(zhuǎn)子風(fēng)量和風(fēng)速的影響。該文的研究結(jié)果對實現(xiàn)汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫升均勻分布具有重要參考價值。

通風(fēng)模型；CFD；汽輪發(fā)電機；轉(zhuǎn)子

0 引言

隨著核電總裝機容量的不斷增加，核電汽輪發(fā)電機的工作性能受到更為廣泛的關(guān)注。汽輪發(fā)電機容量越大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子軸向長度越長，如何使轉(zhuǎn)子溫升均勻分布是汽輪發(fā)電機冷卻設(shè)計的關(guān)鍵問題。汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的通風(fēng)特性對整個發(fā)電機的通風(fēng)系統(tǒng)有著十分重要的影響。

本文以1 400 MW空冷汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子為例，通過通風(fēng)模型和三維流場計算分析對轉(zhuǎn)子副槽形式和轉(zhuǎn)子槽楔出風(fēng)口形式進行了研究。研究成果對實現(xiàn)空冷汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)空氣流動及轉(zhuǎn)子溫升分布具有重要參考意義。

1 通風(fēng)模型

大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型以相似模擬為基礎(chǔ)，近似認為轉(zhuǎn)子通風(fēng)道內(nèi)流動屬于粘性不可壓輕流體的定常等溫流動，通過保持模型與實體的幾何完全相似、Re相等實現(xiàn)對真機的流場研究。

本文研究的汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，鐵心細長，風(fēng)路尺寸相差很大，因此通風(fēng)模型與真機的比例選擇為1∶1，考慮對稱性，長度方向取轉(zhuǎn)子鐵心長的1/2建立模型。整個系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型、供風(fēng)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成。由于通風(fēng)模型采用靜態(tài)方式對旋轉(zhuǎn)的真機轉(zhuǎn)子進行模擬，所以在風(fēng)機選擇上考慮了真機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的壓力，故選取高壓離心風(fēng)機(壓力：10 000～11 600 Pa，流量：4 610～7 376 m3/h)作為轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型的供風(fēng)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型如圖1所示。

圖1 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型

轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型以基礎(chǔ)板為基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)對7種不同的轉(zhuǎn)子槽型通風(fēng)情況的試驗研究。在基礎(chǔ)板上設(shè)計了轉(zhuǎn)子各個模擬槽的定位止口，方便轉(zhuǎn)子各模擬槽之間的定位和固定。轉(zhuǎn)子模擬槽之間設(shè)有蓋板，用于密封和區(qū)分不同的風(fēng)路。長度方向上，一端用密封板和擋板進行密封，另一端與轉(zhuǎn)子風(fēng)機通過連接段相連并使用螺栓固定。

轉(zhuǎn)子模擬槽結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用分瓣組裝，主要結(jié)構(gòu)包括齒槽加工、副槽墊條、槽底墊條、線圈股線、楔下墊條、楔下墊片、槽楔和連接螺栓。其中副槽墊條可以實現(xiàn)同一槽型下直副槽和斜副槽的變換。轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)孔是通風(fēng)模型中尺寸很小的部分，為了模擬與真機接近的尺寸和粗糙度，采用了與真機不同的加工方式，達到模擬流道內(nèi)真實情況的目的，保證這些路徑內(nèi)的流體流動與真機內(nèi)氣體流動處于相似狀態(tài)。轉(zhuǎn)子線圈由銅排改為鋼板，轉(zhuǎn)子齒槽材料與真機相比也更為經(jīng)濟，整個轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型既節(jié)約了模型制造成本又縮短了模型的加工時間。試驗過程中，風(fēng)機先工作1 h以上，保證轉(zhuǎn)子槽內(nèi)空氣流動達到穩(wěn)定，然后再進行槽楔出口的風(fēng)速測量。

圖2 轉(zhuǎn)子模擬槽示意圖

2 轉(zhuǎn)子通風(fēng)形式對比

汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子通風(fēng)主要有軸向-徑向通風(fēng)(如西門子900 MW汽輪發(fā)電機[1])、槽底副槽通風(fēng)(如大亞灣電站GEC900 MW汽輪發(fā)電機[1])、氣隙取氣斜流通風(fēng)(日本三菱公司1 333 MW冷卻發(fā)電機[2])幾種。

本文對上述轉(zhuǎn)子模擬槽中的直副槽徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)、斜副槽徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)、軸向-徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)幾種轉(zhuǎn)子通風(fēng)方式進行仿真分析及試驗研究。為縮短計算時間，對模型進行了合理簡化。

2.1 副槽形式

徑向通風(fēng)是汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子中較為常見的一種通風(fēng)冷卻方式，此處研究的轉(zhuǎn)子冷卻與通風(fēng)模型只對應(yīng)考慮1/2軸向長度的轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)道。1/2轉(zhuǎn)子線圈上共開有48對徑向通風(fēng)孔，這些通風(fēng)孔大小相等，節(jié)距相同，如圖3所示。針對直副槽結(jié)構(gòu)和斜副槽結(jié)構(gòu)進行的分析計算及試驗，直副槽尺寸為36 mm×75 mm，斜副槽在副槽入口處尺寸為36 mm×75 mm，轉(zhuǎn)子中心位置處尺寸為36 mm×30 mm。槽楔出風(fēng)口均為Φ18 mm。試驗中通過調(diào)整副槽墊條實現(xiàn)直副槽和斜副槽的變換。計算及試驗結(jié)果見圖4、圖5和表1。

圖3 徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 計算及試驗結(jié)果

圖5 直副槽結(jié)構(gòu)壓力和速度計算結(jié)果

因為冷卻氣體的流速大小直接影響到發(fā)熱部件的溫度分布計算中的邊界條件。從計算和試驗結(jié)果可以看出，斜副槽結(jié)構(gòu)與直副槽結(jié)構(gòu)相比沿軸向的風(fēng)量更加均勻，從防止局部過熱，使轉(zhuǎn)子線圈沿軸向溫度更加均勻角度考慮，建議在這種徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)下采用斜副槽結(jié)構(gòu)。如果采用直副槽結(jié)構(gòu)，沿軸向的最高風(fēng)量是最低風(fēng)量的近2倍(試驗結(jié)果)，這容易引起溫升的較大差異，可能會出現(xiàn)低風(fēng)速區(qū)域溫升過高的問題。

2.2 轉(zhuǎn)子槽楔形式

多段軸向-徑向斜副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，1/2轉(zhuǎn)子線圈上共開有40個腰圓形通風(fēng)孔，每10個為一組共4組。針對不同的槽楔出風(fēng)口尺寸進行了如下研究：一種采用相同槽楔出風(fēng)口尺寸Φ18 mm；另一種采用組合槽楔出風(fēng)口尺寸，從副槽入口至轉(zhuǎn)子中心位置，5個槽楔為一組、直徑依次為Φ18-Φ14-Φ18-Φ14-Φ14-Φ12-Φ14-Φ12 mm。

圖6 軸向-徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)

圖7為計算得到的轉(zhuǎn)子通風(fēng)道內(nèi)的壓力云圖和速度矢量圖，具體計算結(jié)果以及對應(yīng)試驗結(jié)果如圖8和表2所示。綜合CFD計算和轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型試驗可知，計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)比較吻合；采用Φ18 mm槽楔出風(fēng)口時出風(fēng)風(fēng)量在0.009～0.00 14 m3/s范圍內(nèi)變化，且呈現(xiàn)越靠近轉(zhuǎn)子中心位置風(fēng)量越高的趨勢；采用組合槽楔出風(fēng)口大小后，各個出風(fēng)口之間風(fēng)量變化明顯變小，風(fēng)量分配比較均勻。

圖7 壓力和速度矢量計算結(jié)果

圖8 CFD計算及試驗結(jié)果

需要注意的是，轉(zhuǎn)子線圈冷卻與轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)道內(nèi)的空氣流速有關(guān)。上述風(fēng)量結(jié)果反映的是槽楔

表2 風(fēng)速測試結(jié)果 m/s

出口位置的風(fēng)量， 雖然槽楔出口處由于面積不同導(dǎo)致風(fēng)速相差很多，但是由于混合槽楔結(jié)構(gòu)下通過各個轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)通道內(nèi)的風(fēng)量是較為均勻的，且線圈通風(fēng)孔尺寸相同(均為面積相同的腰圓孔)，也就是說，在轉(zhuǎn)子線圈各個通風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速可以認為與風(fēng)量是成正比的，故風(fēng)量越均勻，轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)道內(nèi)的流速越均勻。所以相對等槽楔出風(fēng)口結(jié)構(gòu)，大小混合的槽楔出風(fēng)口結(jié)構(gòu)更利于轉(zhuǎn)子線圈的冷卻。

3 結(jié)語

本文通過對1 400 MW空冷汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型試驗及流場計算分析得出如下結(jié)論：

1) CFD計算結(jié)果與轉(zhuǎn)子通風(fēng)模型測試結(jié)果比較接近；

2) 對于轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)，采用斜副槽設(shè)計轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔內(nèi)風(fēng)量、風(fēng)速分布更為均勻，更利于轉(zhuǎn)子的冷卻。

3) 對于轉(zhuǎn)子軸向-徑向斜副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)節(jié)槽楔出風(fēng)口尺寸來實現(xiàn)風(fēng)量分布的控制，此結(jié)構(gòu)下，建議從副槽入口至轉(zhuǎn)子中心方向采用槽楔出風(fēng)口面積逐漸減小的設(shè)計，這樣更利于轉(zhuǎn)子的冷卻。

[1]汪耕,丁舜年.1 000 MW級大型汽輪發(fā)電機開發(fā)設(shè)計研究課題總結(jié)(上)[J].上海大中型電機,2001(3):2～5.

[2]魏書慈.國外汽輪發(fā)電機冷卻方式發(fā)展綜述[C].國外大電機,1979(1):1～7.

劉維維，1985年生，女，2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，碩士?，F(xiàn)工作于哈爾濱電機廠有限責任公司哈爾濱大電機研究所，從事電機通風(fēng)冷卻研究工作，工程師。