大型汽轮发电机端部区域流体流动状态与热交换机理的研究

摘要

电能的生产通常是利用发电装置将各种一次能源或其他形式的能源转换成电能，发电方式主要有风力发电、核能发电、水力发电、火力发电、燃料电池发电、生物质能发电以及太阳能发电等，其中核能发电和火力发电是通过汽轮发电机将机械能转换成电能提供给电网使用。汽轮发电机产生了我国大约80％的电力能源，可见其在电力系统中占有很重要的地位，汽轮发电机的发展和应用前景越来越广泛。然而，随着大容量汽轮发电机的容量不断地增加，汽轮发电机端部区域磁密和端部结构件的涡流损耗将会随之增大，这将导致端部构件温升明显增加，造成端部区域局部过热，严重影响到汽轮发电机运行的安全性和可靠性。因此，研究汽轮发电机不同复杂结构和材料特性对端部区域流体流动状态和温度分布的影响规律，揭示汽轮发电机端部区域多级风扇内流体的演变机理，对提高汽轮发电机的运行稳定性具有重要的意义。
　　本文对大容量汽轮发电机定子端部采用不同通风结构、不同材料特性对端部区域内流体速度分布和端部构件温度分布的影响开展了研究，对端部区域内多级高效风扇内的流体分布规律进行了分析，通过实测数据验证了三维端部流体与传热耦合场计算方法和计算结果的可靠性和正确性。
　　针对汽轮发电机复杂通风结构的特点，建立了多风路通风系统半个轴向段汽轮发电机的流体网路模型，揭示了汽轮发电机内部各位置流量、压力以及通风损耗的分布情况。在充分考虑三维篮式端部绕组和复杂端部结构件的基础上，建立了汽轮发电机端部区域内三维流体与传热耦合的计算模型，将流体网络计算得到的端部区域风扇入口速度值和端部各出口压力值作为汽轮发电机三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件以及汽轮发电机端部三维瞬态电磁场计算得到的端部各构件损耗值作为热源，对端部区域三维复杂流体场和温度场进行了耦合计算。揭示了汽轮发电机端部区域内复杂流体速度、流体温度、端部各构件表面流体速度分布情况以及端部各构件的温度分布规律。将发电机端部区域内耦合场计算得到的铜屏蔽温度结果与铜屏蔽的实测值进行了比较，误差满足工程要求，验证了边界条件的合理性和计算方法的准确性。
　　基于数值传热学以及计算流体力学理论，研究了汽轮发电机端部区域内定子端部绕组绝缘和端部各构件表面散热系数的分布规律。揭示了定子端部绕组水管入口冷却水参数的变化对端部区域各构件温度的影响，给出了定子端部绕组水管内水速的合理取值。探究了汽轮发电机端部区域风扇入口流量和风扇入口温度变化对端部区域流体速度、端部构件最高温度和平均温度的影响。
　　研究了汽轮发电机端部通风结构的变化对发电机端部区域各进出口流量、出口压力、端部区域内流体速度以及端部各构件温度的影响，揭示了端部通风构件气隙隔板高度的变化对铜屏蔽内圆区域表面散热系数分布规律的影响，给出了有效降低端部构件温度的合理气隙隔板高度和挡风隔板宽度的尺寸。研究了不同空实心铜屏蔽结构对端部区域内流体速度和端部各构件温度的影响，给出了优化的空实心铜屏蔽结构对降低铜屏蔽温升的贡献程度。探究了不同压圈磁导率下铜屏蔽、压圈、压指和定子端部绕组等端部构件的温度变化规律。
　　基于计算流体力学理论，建立了汽轮发电机端部区域内多级风扇的数学模型，给出了多级风扇的压力-流量特性曲线，揭示了多级风扇动静风叶表面静压力以及动静风叶表面周围流体速度的分布规律，探讨了动静风叶之间径向分量、周向分量和轴向分量流体速度的分布情况，对经过动静风叶后流体静压力和总压力的演变机理进行了深入地研究。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3汽轮发电机温升计算方法及其相关理论的发展概况

1.4本文的主要研究内容

第2章 汽轮发电机端部区域流体流动和温度分布规律的研究

2.1汽轮发电机内通风冷却系统的研究

2.2发电机端部区域流体与传热耦合模型的建立

2.3发电机端部区域内复杂流体流动规律的研究

2.4发电机端部区域内端部构件温度计算结果和实测值对比

2.5本章小结

第3章 汽轮发电机端部构件表面散热系数及温升相关因素敏感性的研究

3.1发电机端部区域定子端部绕组和端部各构件表面散热系数的研究

3.2端部绕组水管内冷却流体参数变化对端部区域温度分布的

3.3风扇入口冷却流体参数变化对端部区域流体与传热关联性

3.4本章小结

第4章 汽轮发电机端部区域结构及材料特性对温度分布影响的研究

4.1端部通风结构对端部区域冷却效果影响的研究

4.2不同铜屏蔽结构对端部区域流体与传热耦合场影响的研究

4.3不同压圈磁导率下端部区域热问题的研究

4.4本章小结

第5章 汽轮发电机端部区域多级高效风扇内流变特性的研究

5.1端部区域多级风扇内流体场数学模型的建立

5.2端部区域多级风扇内动静风叶表面压力和流速分布规律的

5.3端部区域多级风扇内动静风叶之间流体演变机理的研究

5.4多级风扇内通风试验结果和计算结果对比

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

致谢