电磁场有限元分析

水轮发电机单通风沟三维简化模型温升计算

一、问题分析

近年来，随着水轮发电机单机容量的不断增加，在发电机进行能量转换过程中产生的损耗不断增大，使其运行的温升问题日趋严峻。根据上述情况，运用有限元分析方法，建立发电机单通风沟三维简化模型进行发电机温升计算。

二、电机单通风沟有限元分析

1.1 水轮发电机单通风沟三维简化模型建立

根据实际水轮发电机结构和通风沟特点，并考虑可接受误差，进行适当简化，以便于简化有限元分析计算得到以下模型，如图1所示。

图1 发电机单通风沟简化物理模型

由图1所示：水轮发电机单风沟简化物理模型三维求解域在轴向上包含发电机一个通风沟以及通风沟两侧各半个轴向铁心段；幅向上包含发电机定子三个槽、转子两个槽。

根据有限元分析特点，对发电机单通风沟简化物理模型进行网格剖分，得到发电机单通风沟简化物理模型剖分图如图2所示。

图2 电机单通风沟简化物理模型网格剖分

由于物理模型较小，可以适当加密剖分进而提高计算精度，故采用楔形和六面体的混合网格进行剖分，总网格数共48万，节点数为30万。利用有限体积法，将流体场和温度场进行强耦合求解，从而

得到发电机的详细温升分布情况。

1.2 边界条件

在图1中，求解域内的面

S为径向通风沟的进风口，沿径向与面

1

S对应的面2S为径向通风沟的出风口。由此，根据所研究发电机的实1

际运行工况，可以给定如下发电机单风沟物理模型的边界条件：1）冷却空气的初始基值绝对温度为0K；

2）径向通风沟入口

S风速为5.1m/s的速度入口边界，通风沟出

1

口

S为自由流动边界；

2

3）求解域其它外边界均为绝热面，发电机内部流体与固体的接

触面均为无滑移边界面。

采用有限体积法，利用共轭传热问题的相关求解技术，可以对双馈水轮发电机温升分布情况进行流—热耦合场数值计算。进入单个径向通风沟内的空气流速为5.1m/s。

三、计算结果

图3 发电机温升计算值

如图3所示：发电机转子温升略高于定子，尤其是绕组位置最为明显，最高温升点出现在转子绕组处，最高温升为56.91K；无论定转子，绕组部分的温升高于铁心部分温升；对于在铁心部分，铁心齿部温升明显高于轭部温升。

取求解域中铁心轴向远风端模型的外表面，即实际发电机单铁心段轴向中心位置处截面为采样面，该采样面为求解域内最高温升所在的轴向截面，提取该采样面温升如图3-a)所示；取通风沟轴向中心截面为另一采样面，该采样面为求解域内最低温升所在位置，如图3-b)所示。

a）铁芯远风端外表面温升计算值b）通风沟轴向中心截面温升计算值

图4 温升极值所在轴向截面计算值

由图4-a)图可知：发电机转子绕组的温升最高，数值为56.91K，并且由数值计算结果可知，其位置位于发电机转子上层绕组径向偏下处，且转子绕组温升上层明显高于下层，而定子绕组温升相对于转子绕组的较低。

如图4-b)可见：在该区域转子绕组的温升依然最高，最高温升同样为55.82K，比最热面转子绕组的最高温升低了1.09K，由于绕组铜有着良好的导热性能，发电机内流体流动以及温升达到稳定状态后，绕组沿轴向的温升变化幅度很小，而通风沟内的绕组受到冷却空气的吹拂作用，散热性能优于铁心槽内绕组，故温升较低；最低温升为0K，在冷却空气入口处。