高水头高转速水轮发电机通风系统研究

丁大鹏，李　原，王铁成

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)

高水头高转速水轮发电机通风系统研究

丁大鹏，李原，王铁成

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：以“A”电站水轮发电机通风系统为例，通过理论分析和真机实验相结合的方式研究了高水头高转速水轮发电机的通风系统，并通过真机试验验证了理论分析的准确性。该文的研究成果对今后高水头高转速水轮发电机通风系统设计有一定的参考意义，在工程应用中具有实用价值。

关键词：水轮发电机；全空冷；高水头；高转速；通风系统；通风试验

0引言

“A”水电站是穆阳溪梯级的核心电站，电站装机2台125 MW水轮发电机组，发电机设计水头400 m，最高水头437 m，额定转速428.5 r/min，采用的是全空冷无风扇端部回风的冷却方式，是我国目前在运行水电站中极具代表性的高水头高转速全空冷水轮发电机组[1]。

高水头高转速的水轮发电机为了适应高转速的运行要求，定子铁心通常设计成细而长的结构，这种结构对通风冷却系统要求很高[2]。为了保证发电机足够的冷却风量及风量沿轴向的合理分布，这类机组的冷却系统多采用安装轴流式或离心式风扇，但加装风扇在满足风压的同时也增加了整个通风系统的通风损耗，势必影响整个机组的效率。“A”电站的水轮发电机组采用了无风扇端部回风的冷却方式，在保证总风量的前提下，尽量降低通风损耗[3]。近10年的运行实践充分证明了发电机通风系统设计合理，定子铁心及线圈温度正常稳定。研究分析该机组的通风系统对今后这类机组通风冷却系统的设计和优化具有重要的参考意义。

1通风系统及技术参数

“A”电站的水轮发电机组的冷却系统对机组旋转产生的风压、风路的风阻及各关键部件的风流面积都有极高的设计要求。整个冷却系统的风压主要由转子支架、磁轭及磁极自身旋转的离心力产生。在风压的驱动下，冷却空气依次流经转子支架入口、磁轭间隙、磁极间隙、气隙、定子径向风沟，在定子背部汇集后，将发电机损耗热传递给空气冷却器，与空气冷却器中的冷却水热交换散去热量后，重新分上、下两路流经定子线圈端部进入转子支架，从而完成一次自循环过程。风路图如图1所示[4]。

图1　机组通风系统风路示意图

在发电机通风系统分析过程中，主要应用到的技术参数如表1所示。

表1　发电机主要技术参数

2通风系统计算

根据该水轮发电机组通风系统的结构特点，应用流场模拟软件FLOWMASTER确定计算网络，其中包括转子支架、磁轭、磁极的压力元件及风阻元件，定子入口、出口风阻元件，空气冷却器风阻元件等。

在通风网络的每个节点上有若干个元件的网络支路，可给出每个节点的质量流量之和，建立线性方程用于建立矩阵，进行求解。求解结果见图2所示[5]。

图2　通风系统计算网络图

从计算网络图中可以看出通风系统的总风量Q=60.38 m3/s，上端进风量Q=35.1 m3/s，下端进风量Q=34.4 m3/s，轴向风量分布比较均匀。但在气隙两端由于存在机械间隙，造成了一定的风量损失，气隙两端共损失风量约9 m3/s，占通风系统总风量的15%。这15%的风量损失对整个通风系统没有益处，相反地会增加通风系统的通风损耗，应设法避免或减低。在工程实践中，为了解决这个问题，通常在发电机转子上装设旋转挡风板，以挡住磁极轴向和部分气隙，同时在定子线圈端部装设橡胶圈，保证此处的机械间隙小于8 mm，达到漏风量极小的良好密封效果，提高电机的有效风量[6]。

3通风试验

3.1总风量测量

发电机总风量测量的目的是判断发电机实际风量是否与设计值相符。风量测量根据不同位置有多种测量方法，本试验采用高精度风速仪测量每个空气冷却器平均风速(Vi)。依次测量每个冷却器的有效出风面积(Si)，由下式可计算出发电机的总风量：

式中：Si为单个空气冷却器有效出风面积(m2)；Vi为空气冷却器的平均出风风速(m/s)。

该水轮发电机组共装备了6个相同尺寸的空气冷却器，单个空气冷却器高度2.06 m，宽度1.46 m，面积约为3.0 m2。本试验对测量每个冷却器的平均风速的精度要求很高，测量误差会直接影响试验的准确性。为了提高冷却器风速的测量精度，本试验采用手持式风速仪按照一定规则的路径平行扫过冷却器的全部出风面，最大化地保证测量到冷却器各点的风速情况，再求风速平均值。

在进行总风量测量试验时，发电机空载运行至额定转速，空气冷却器正常通水，运行2 h以上，待整个通风系统的流场稳定后，试验人员进入发电机风洞中，手持风速仪测取每个空气冷却器的出风速度，试验数据如表2所示。

表2　风量测量数据

从试验数据可以看出，发电机实际总风量约为10.31×6=61.86 m3/s，与设计值60.38 m3/s仅存在2.5%的偏差，这说明采用上述计算方法对水轮发电机通风系统总风量的计算精度很高，能够满足发电机设计及科研精度要求。

3.2风沟风速测量

发电机定子风沟风速测量是为了验证风量沿发电机定子铁心轴向的分布是否均匀。风沟风速测量需要拆掉一台空气冷却器，待发电机空转至额定转速，用智能风速仪逐一测量定子风沟的风速[7]，测量数据如图3所示。

图3　定子风沟风速分布图

4结语

从实验测量数据可以看出，发电机定子风沟风速沿轴向呈现中间高于两端的趋势，这与发电机定子两端的风沟出口受机座阻挡有一定的关系。定子风沟风速总体分布均匀，主要集中在25～30 m/s之间,这也说明了发电机的通风系统完全满足了发电机轴向风量均匀分配的技术要求。

根据“A”电站的高水头高转速水轮发电机细长的定子铁心结构及技术参数，为其设计了无风扇端部回风的通风系统，并用理论计算及仿真模拟的方法得出发电机通风系统的总风量为60.38 m3/s。对真机进行的通风试验，验证了通风系统设计方法的准确性。通风试验还通过测量定子风沟的风速分布情况，验证了通风系统沿定子铁心轴向风量均匀分布的事实。

应用先进的计算软件与成熟的试验测试技术相结合的方法，对于解决高水头高速水轮发电机通风冷却方面问题具有极大的帮助。这种方法对优化发电机通风系统的结构以及预期发电机投入运行后的风量分布及各元件的冷却效果也具有一定的应用价值。

参考文献

[1]丁大鹏，李广德，安志华．抽水蓄能机组温升与通风系统分析[J]，黑龙江电力，2011(3):225-227．

[2] 李广德．全空冷三峡右岸水轮发电机冷却技术研究[C]．北京：700MW级大型水轮发电机技术研讨会.2007．

[3] 丁大鹏，李广德，朱磊. 129 MVA全空冷水轮发电机通风系统研究[J]．黑龙江电力，2013(05):417-419．

[4] 李广德，付刚，何文秀．大型水轮发电机定子三维温度场计算[J]．大电机技术，2000(2)：1-5．

[5] GOTT B E B，KAMINSKI C A，SHARTRAND AC．Experience and recent development with gas directly cooled rotors for large steam turbine generators[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1984， PAS-103(10)：2974-2981．

[6] 李伟力，靳慧勇，丁树业,等．大型同步发电机定子多元流场与表面散热系数数值计算与分析[J]．中国电机工程学报，2005，25(23)：138-143．

[7] 安志华，刘双，秦光宇，等．700MW 级水轮发电机通风模型试验研究[J]．大电机技术，2006(3)：4-6．

作者简介：

丁大鹏，1980年生，男，工程硕士，工程师，从事大型水轮发电机通风冷却系统研究、定转子温度场分析等技术研发工作。