1000MW全空冷水轮发电电磁场及温度场数值计算

摘要

全空冷水轮发电机以其效率高,结构简单,安装、运行、维护方便的优势,得到越来越多的应用。但是,全空冷水轮发电机也存在温度分布均匀度较差,热应力、热变形比较突出的问题。随着水轮发电机单机容量不断增加,其电磁负荷和热负荷也相应提高,各部件的温升和温度分布均匀度问题更加严重,直接影响其使用寿命和运行可靠性。因此,对影响巨型全空冷水轮发电机使用寿命和运行安全的发热和冷却问题进行深入研究显得日益重要。
　　 首先,本文以一台目前最大容量的1000MW全空冷水轮发电机为例,建立了二维有限元模型,通过对空载、额定负载、进相(额定有功功率,功率因数0.95超前)等运行工况下的端点条件迭代,确定了电机在对应工况下定转子绕组的激励源参数。接着,建立了水轮发电机直线段的场-路-运动耦合时步有限元模型,得到了三种运行工况下水轮发电机定子直线段的时间平均损耗分布。
　　 其次,依据计算流体力学和计算传热学理论,建立了水轮发电机定子径向通风沟模型,其中包括通风槽钢、定子绕组线棒等结构件。然后,以电磁场计算得到的时间平均损耗分布作为热源密度,并给出边界条件,采用棱柱单元剖分法处理流固界面,利用流体-传热耦合场直接求解法求出通风沟内流体速度分布和各结构件的温度分布。
　　 最后,建立水轮发电机端部三维场-路-运动时步有限元模型,得到了前述三种运行工况下发电机端部结构件磁场和涡流损耗分布,在此基础上讨论了端部结构参数变化对涡流损耗的影响。
　　 文中的研究结论为巨型全空冷水轮发电机的设计和优化提供了理论依据。