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摘要：通过对安徽潜山九井岗水电站10000kW立式水轮发电机进行热流耦合温度场模拟仿真，模拟出发电机内部温度场，得到发电机内各部分温度分布及最高温度部位和温度值。温度场分析结果与电站运行时温度数据基本相同。该水轮发电机温度场分析案例可为发电机设计、优化提供可靠的参考依据。
关键词：立式水轮发电机温升温度场热流耦合对流传热系数
1前言
温升是水轮发电机运行的重要考核指标之一。如果温升过高，会导致绝缘的损坏，烧毁线圈发生短路故障，直接影响电站的可靠运行和带来经济损失；相反，发电机温升过低，会造成电机内铜、铁、绝缘材料等的浪费，增加制造成本。准确计算出发电机各部位温升是产品设计的关键之一。
目前，温升计算的主要方法有简化公式法、等效热网络法、温度场法和热流耦合温度场法。前两种方法基于经验公式估算和等效热路的方法计算电机温升，结果比较保守。随着电脑的发展和有限元技术的普及出现了后两种更接近实际的计算方法。温度场法是用现代数值方法来求解热传导方程，也就是将求解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解，即有限元法。由此可见，温度场法是将研究对象从宏观转为微观，从总体转到局部单元，求得每一点的温度，对整个计算区域中的每个局部单元都能获得可靠的计算数据。然而，水轮发电机的运行是一个包含着电磁场、流体场、温度场和应力场等多种物理场的复杂过程，这些物理场之间又是相互影响、相互制约的，是有一定耦合关系的综合物理场，就电机部件内温度及其分布而言，除了其自身的材料性质之外，主要依赖于热源和发电机通风情况。一般孤立地求解发电机内温度场而不考虑它们之间的相互影响，就会由于初始条件的变化而使计算结果失去准确性。因此要想准确地计算出发电机的温度分布，就必须将这些因素的相互影响在计算时加以综合考虑。所以用热流耦合温度场法研究发电机内部的温度场是目前最准确方法。下面以安微潜山九井岗水电站10000kW立式水轮发电机为案例进行热流耦合温度场模拟分析研究。
2温度场分析模型的建立
2.1温度场分析的物理模型
温度场分析所建立的物理模型是按照水轮发电机SF-J10-14/3250设计图纸，以空气作介质建立的。
SF-J10-14/3250水轮发电机是安微潜山九井岗水电站已运行的立式机组，通风系统是封闭双路径向通风系统,冷空气从空冷器出来经机座两端进入转子支架，在转子支臂离心风压及磁轭两端的桨式风扇压头作用下，通过磁极极间间隙和空气隙，经定子铁心风沟流经机座空冷器形成循环。
根据发电机的对称性和电脑计算能力，建立了发电机结构的1/4作为分析模型。由于模型的复杂性，为了保证计算的可行性，在保证计算准确性的前提下对流场和温度场求解区域的结构做出如下假设。
图11/4物理模型
1.简化掉阻尼环和端箍支架、端部线圈连接线等细节。
2.转子线圈为发热源，简化掉包裹线圈的绝缘材料，把铜线和绝缘材料一起作为发热体。
3.由于转子损耗主要分布在磁极绕组和极靴的表面，而在磁极铁芯内部没有损耗，假设在磁极与磁轭之间没有热交换。
4.定子线圈分为铜线和绝缘两部分，铜线为发热源。
根据以上的条件及假设，建立水轮发电机的温度场物理模型，如图1所示。
2.2温度场分析的流体域求解模型
温度场分析所需的流体域求解模型是在物理模型基础上建立的。包括端部进风口段、转子部分、定子部分、冷却器出风口段。其中定子、转子为主流区域，如图2所示。
图21/4求解模型
3温度场有限元分析
3.1通风系统的有限元分析
在进行温度场分析之前应先进行通风系统流场分析，这是因为温度场中热量的传递与流场中的风速有直接关系。或者说，电机中的热交换方式主要是对流换热，衡量对流换热的程度是对流传热系数；要想确定各部分的传热系数就必须知道各部分的平均风速。从通风系统分析的案例中可以获得各部分的平均风速，本次分析直接引用。
3.2求解类型的选择
UGNX热和流是一个综合的热传递和流仿真套件，它将热分析和计算流体动力学(CFD)分析结合起来。这两个求解器可以单独运行，也可以一起运行。对温度场分析来说，热和流求解器同时使用。流求解器选用标准的湍流κ-ε两方程模型。
3.3温度场分析的边界条件
该发电机通风系统的冷却介质为空气，忽略浮力影响；空气的流速小于声速，可以不计流体的压缩性，作为不可压流体运动来处理；通风系统无外力影响，边界条件自动建立，环境温度设为36℃。热流耦合边界条件如下。
流求解边界条件有：
1.进出口风速为开口流。
2.模型对称处为对称面。
3.网格划分。定转子线圈及定子铁心用3D扫掠网格，磁轭用3D四面体网格，单元总数为155489。定转子空气域网格：463538。
4.空气流动面；壁摩擦设为光滑-有摩擦，无滑动壁。5.移动旋转框；旋转转速为428.6r/min.
热求解边界条件有：
1.热耦合。有磁极线圈与磁轭、磁极铁心等之间的热耦合，定子线圈与定子铁心之间的的热耦合。以上两种热耦合面之间都有几毫米厚的绝缘材料，其导热系数很小，可作为绝热处理,因此它们之间没有热传导。磁极绕组的绝缘比较复杂,绕组匝间绝缘最厚为0.28mm左右,故假定绕组之间不存在绝缘视为整体。定子线圈铜线与主绝缘之间的耦合系数为0.26w/m.k。
2.对流。磁极线圈表面（迎风面、背风面）与空气之间的对流，极靴表面与空气之间的对流，定子通风槽（定子铁心）表面与空气之间的对流，定子线圈与空气之间的对流系数。分别为：200w/m2.k、140w/m2.k、160w/m2.k、42w/m2.k、14w/m2.k。
3.热载荷。发电机内的定子线圈、定子铁心、转子线圈、极靴表面和阻尼条、齿压板及端盖等损耗全部转换为热载，分别为：57.31kW、39.24kW、60.14kW、27.17kW、1.45kW。
3.4温度场解算结果
图3是发电机内各部分温度分布图。从图上可以清楚看出，在定子线圈上，位于线圈铜线直线部分下层边中心处77.65℃，线圈绝缘表面温度在61.42℃左右。定子线圈端部比直线部分温度低。
图3各部温度分布图
其次，温度最高部位在转子线圈上，位于磁极线圈背风面对称面处81.42℃；转子线圈的迎风面与背风面温差约（10-12）℃。此外，定子铁心和转子磁轭温度比较低，定子铁心端部比中心处温度高，齿部比轭部低，是因为端部有附加损耗所致。转子磁轭最高温度位于极靴对称面（磁轭中心）。定转子空气的温度分布见图4。最高温度处于极间对称面中心处，与机座壁相接触的空气处温度为37.5℃左右。以上各部分的最高温度都在温升允许范围之内。
4模拟值与实测数据比较
电站运行数据如下表，从表中运行数据可见，模拟结果与实际运行数据非常接近，证明模拟方法和所取参数是合理的，可为今后发电机设计和优化提供可靠的依据。
图4定转子空气温度分布图
5结论
通过采用UGNXTHERMAL/FLOW模块功能，以安徽潜山九井岗水电站10000kW立式水轮发电机为例，进行热流耦合温度场模拟仿真，可模拟出发电机任意部位的温度、最高温度部位和温度值，并与电站运行数据基本相同，误差在10%以内，模拟解算结果形象、准确。说明了该水轮发电机温度场分析案例的实用性和准确性，可为以后发电机设计和优化提供可靠依据。
参考文献
[1]白延年，水轮发电机设计与计算[M]。北京：机械工业出版社，1982.
[2]丁舜年，大型电机的发热与冷却[M]。北京：机械工业出版社，1992.
作者简介：
裘迪林（1976年），女，浙江萧山，工程师，大学，主要从事发电机设计方面的研究。