大型水轮发电机定子温度与热应力的耦合计算

摘要

随着经济的快速发展，全球气候变暖和能源供应紧张等影响人类生存的问题正日益突出。在全世界节能减排的大趋势下，清洁、绿色、可再生能源正受到人们的青睐。水力发电作为开发技术成熟、全球能源量最大的可再生能源，正在被人们重视和得到有效利用。作为水力发电的重要设备之一，水轮发电机正朝着大容量的趋势发展，随着单机容量的增大发电机的电磁负荷和热负荷同时增大，有关大型水轮发电机的电磁分析、温度与热应力的研究尤为重要。电机的发热、冷却、热应力以及故障分析的研究，涉及到电磁场理论、流体力学、结构力学、计算方法等多种学科及领域，是综合性较强的研究课题，具有较高的学术研究价值和工程实际意义。
　　 本文以250MW水轮发电机为例，建立了二维瞬态电磁场计算模型，利用时步有限元法，对发电机内的瞬态电磁过程进行了计算分析，研究了额定电流短路时磁场三次谐波在齿部的大小及分布情况;在此基础上，计算了发电机定子侧的不同损耗，包括:空载基本铁耗和附加损耗，短路电流等于额定电流时齿部三次谐波附加损耗，股线的涡流损耗。此外，以第二章计算的定子损耗分布求得热源，建立了半个齿槽、半个铁心段的三维温度场计算模型，并确定了其边界条件，计算并分析了水轮发电机定子三维温度分布情况;研究了计及额定电流短路齿部三次谐波附加损耗时温度分布的变化，对比分析了不同股线涡流损耗系数分布对定子温度分布的影响。最后，建立了水轮发电机一个极距范围内定子整个轴向的计算模型，进行了三维温度与热应力的耦合计算，得到了定子热应力分布，并对不同风速、风温、损耗值对铁心热应力的影响进行了分析，结合以往发电机运行故障实例，对可能由温度与热应力等引起的发电机故障作了预测，得到了一些有益的结论，为今后大型水轮发电机的优化设计和故障诊断提供了参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究目的和意义

1．2 电机温度与热应力的国内外研究现状

1．2．1 电机温度与热应力的国外研究现状

1．2．2 电机温度与热应力的国内研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 水轮发电机定子损耗的数值计算

2．1 水轮发电机二维瞬态电磁场物理模型的建立

2．2 空载状态水轮发电机铁心损耗及附加损耗的计算

2．3 短路电流等于额定电流时齿部三次谐波附加损耗的计算

2．3．1 额定电流短路齿部三次谐波磁密的间接与直接计算

2．3．2 两种方法计算结果的对比分析

2．4 不同励磁状态时定子股线菲尔德系数的计算

2．4．1 水轮发电机定子股线菲尔德系数的数值计算

2．4．2 两种情况下绕组菲尔德系数的计算结果分析

2．5 本章小结

第3章 考虑三次谐波附加损耗的定子三维温度场的计算与分析

3．1 定子温度场的数值计算

3．1．1 定子三维温度场物理模型的建立

3．1．2 三维稳态热传导方程及等价变分问题

3．1．3 热源的分析及边界条件的确定

3．2 不考虑负载附加损耗时定子温度计算结果与分析

3．3 额定电流短路三次谐波附加损耗对定子温度的影响

3．4 股线涡流损耗的分布对定子温度场的影响

3．5 本章小结

第4章 水轮发电机定子温度与热应力的耦合计算

4．1 热应力问题的有限元关系式

4．2 数学模型的建立与加载求解

4．2．1 计算区域的选择

4．2．2 模型的简化方法和基本假定

4．2．3 材料属性的定义与边界条件的施加

4．3 定子热应力计算结果与分析

4．4 风速、风温及三次谐波附加损耗对定子铁心热应力的影响

4．4．1 风速对定子铁心热应力的影响

4．4．2 风温对定子铁心热应力的影响

4．4．3 额定电流短路齿部三次谐波附加损耗对定子热应力的影响

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢