大型水轮发电机损耗、发热与通风问题研究

论文摘要

随着电机设计与制造技术的进步,大型水轮发电机的容量不断提高,功率体密度不断增加。但与此同时,其损耗、发热与通风的问题也变得越来越严重。为了保证大型水轮发电机的可靠运行和使用寿命,有必要对其降低损耗与发热、改善通风效果的方法进行系统而深入的研究。针对大型水轮发电机设计与制造中的这些关键技术问题,本文采用电路、风路、热路和电磁场、温度场的分析计算方法,对大型水轮发电机的定子线棒换位问题、空载电压波形问题、转子阻尼系统损耗和温升问题、混合通风问题和定子温升问题进行了研究,其主要工作与取得的成果如下。首先,针对大型水轮发电机的结构特点,对其定子线棒的换位方法及其减损效果进行了研究,分析了360o全换位、360o空换位、不足360o换位、360o延长换位等4种不同方法的优缺点,推导并提出了完整的股线漏感电势简明计算公式,为股线环流及其附加损耗的分析计算奠定了理论基础。在Windows平台上研发了1套大型水轮发电机定子线棒换位优化设计软件,并结合4台不同机组,对上述4种不同换位方法的减损效果进行了对比研究。在此基础上,提出了混合换位的思想与“不足360o+延长”换位、“不足360o+空段”换位、“360o延长+空段”换位等3种新方法。结果表明,与传统的Roebel线棒360o全换位方法相比,各种改进换位方法的最佳可减损效果可达95%以上,其中360o延长换位方法的减损效果最好,3种新的混合换位方法为大型水轮发电机定子线棒优化设计提供了更为丰富、灵活的选择方案。其次,分析并建立了“二维非线性稳态电磁场有限元结合解析公式计算损耗”、“二维非线性时变运动电磁场有限元及其损耗计算”、“二维非线性时变运动电磁场场路耦合有限元及其损耗计算”等3种不同的电磁场和转子损耗计算模型以及转子三维各向异性稳态温度场有限元计算模型,为大型水轮发电机的电磁场、温度场综合分析以及转子涡流、损耗、温升的计算奠定了理论基础。与试验数据的对比表明,“模型3”的计算精度更高。第三,利用本文建立的二维非线性时变运动电磁场场路耦合有限元及其损耗计算模型,针对大型水轮发电机不对称磁极结构设计方案,首次对其改善空载电压波形的效果进行了研究。结果表明,采用极靴偏心和阻尼条偏心的结构设计方案,对削弱齿谐波、改善发电机空载电压波形、提高电能质量具有明显效果,可以替代定子铁心斜槽等传统设计方法,具有制造工艺简单等优点。第四,利用本文建立的二维非线性时变运动电磁场有限元及其损耗计算模型、转子三维各向异性稳态温度场有限元计算模型,针对大型贯流式水轮发电机的不同运行工况、不同转子结构和不同材料,对电磁场和温度场进行了大量的计算与分析。结果表明,在额定运行工况和12%负序运行工况时,每根阻尼条的涡流和损耗不等,背风面阻尼条的损耗与温升明显大于迎风面阻尼条的损耗与温升,转子最高温度出现在阻尼绕组上。最后,针对大型贯流式水轮发电机的结构特点,对其轴向与径向混合通风系统和二次冷却循环系统进行了研究,分别建立了混合通风系统的等效风路模型和定子等效热路模型,推导并提出了具有良好收敛性的复杂风网通用迭代算法,为大型水轮发电机的通风发热计算奠定了理论基础。在此基础上,在Windows平台上研发了1套大型水轮发电机通风发热计算软件,并针对新型的定子铁心叠片不等距分段结构设计,对发电机的混合通风系统与定子温升进行了分析与计算。结果表明,在以轴向通风为主的混合通风系统中,定子铁心叠片采用不等距分段结构设计方案,对改善各支路风量的分配、降低定子铁心和绕组的温升发热具有良好效果,发电机的温升较低,即使在超发10%工况下也可以长期安全运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 大型水轮发电机损耗、发热与通风问题研究的目的与意义
• 1.1.1 水力发电在国民经济中的地位和作用
• 1.1.2 研究水轮发电机损耗、发热与通风问题的工程价值
• 1.1.3 研究水轮发电机损耗、发热与通风问题的学术意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 大型交流电机定子线棒换位技术
• 1.2.2 大型水轮发电机通风冷却技术
• 1.2.3 大型水轮发电机物理场求解技术
• 1.2.4 尚需研究和解决的一些理论与工程问题
• 1.3 本文的研究目标、内容和创新点
• 1.3.1 本文的研究目标
• 1.3.2 本文的主要研究内容
• 1.3.3 本文的创新点
• 2 大型水轮发电机定子线棒换位方法与减损效果研究
• 2.1 引言
• 2.2 定子线棒环流、损耗及其周围漏磁场分析
• 2.3 定子线棒换位方法及其特点
• 2.4 股线环流与损耗的计算原理
• 2.4.1 股线编号与空间位置
• 2.4.2 漏感电势法计算原理
• 2.4.3 漏磁场的简明计算公式
• 2.5 股线漏感电势的计算方法
• 2.5.1 360°全换位情况
• 2.5.2 360°空换位情况
• 2.5.3 不足 360°换位情况
• 2.5.4 360°延长换位情况
• 2.6 大型水轮发电机4 种换位方法减损效果的对比研究
• 2.6.1 四台发电机的计算结果
• 2.6.2 端部横向漏磁场对计算结果的影响
• 2.6.3 计算结果分析
• 2.6.4 计算结果验证及对比
• 2.7 混合换位方法的提出与对比研究
• 2.7.1 混合换位思想的提出
• 2.7.2 单一换位方法与混合换位方法的对比研究
• 2.7.3 三种混合换位方法的特点比较
• 2.8 本章小结
• 3 大型水轮发电机二维非线性时变运动电磁场研究
• 3.1 引言
• 3.2 基本假设与求解区域
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 求解区域与网格剖分
• 3.3 电磁场与损耗计算模型
• 3.3.1 二维非线性稳态电磁场有限元结合解析公式计算损耗模型
• 3.3.2 二维非线性时变运动电磁场有限元及其损耗计算模型
• 3.3.3 二维非线性时变运动电磁场场路耦合有限元及其损耗计算模型
• 3.4 时变运动电磁场计算的关键技术
• 3.4.1 局部细剖技术
• 3.4.2 转子旋转问题的处理
• 3.4.3 薄片区域的处理
• 3.4.4 时步迭代的处理
• 3.5 不对称磁极结构设计改善空载电压波形的研究
• 3.5.1 不对称磁极结构设计方案
• 3.5.2 空载线电压波形分析
• 3.5.3 计算结果与对比
• 3.6 阻尼条涡流与损耗的计算和对比研究
• 3.6.1 不同运行工况的对比
• 3.6.2 不同槽配合的对比
• 3.6.3 不同单边气隙长度的对比
• 3.6.4 不同阻尼条根数的对比
• 3.6.5 不同阻尼条直径的对比
• 3.6.6 不同阻尼条材料的对比
• 3.7 本章小结
• 4 大型水轮发电机转子三维各向异性稳态温度场研究
• 4.1 引言
• 4.2 转子三维各向异性稳态温度场的定解问题
• 4.2.1 导热微分方程
• 4.2.2 边界条件
• 4.2.3 边值问题和等价的条件变分问题
• 4.3 转子三维各向异性稳态温度场的有限元分析模型
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 求解区域与网格剖分
• 4.3.3 边界条件分析
• 4.4 导热系数与散热系数分析
• 4.4.1 导热系数
• 4.4.2 散热系数
• 4.5 转子三维各向异性稳态温度场计算和对比研究
• 4.5.1 不同运行工况的对比
• 4.5.2 不同槽配合的对比
• 4.5.3 不同单边气隙长度的对比
• 4.5.4 不同阻尼条根数的对比
• 4.5.5 不同阻尼条直径的对比
• 4.5.6 不同阻尼条材料的对比
• 4.5.7 不同装配气隙长度的对比
• 4.5.8 不同铁心导热系数的对比
• 4.5.9 不同励磁绕组表面散热系数的对比
• 4.6 三种不同模型计算结果与试验数据的对比
• 4.6.1 电磁场有限元计算的网格剖分
• 4.6.2 热源计算结果与比较分析
• 4.6.3 温度场计算结果与比较分析
• 4.6.4 温度场计算结果与试验数据的对比
• 4.7 本章小结
• 5 大型水轮发电机混合通风系统及其计算方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 贯流式水轮发电机的通风冷却系统
• 5.2.1 通风系统的结构与特点
• 5.2.2 通风冷却方式的选择
• 5.2.3 基本假设
• 5.3 通风计算基本公式
• 5.4 复杂风网的统一迭代算法
• 5.4.1 风网计算的基本原理
• 5.4.2 基本迭代法
• 5.4.3 通用迭代法
• 5.4.4 压头元件的处理
• 5.4.5 算例
• 5.5 定子等效热路模型
• 5.6 大型水轮发电机通风发热计算软件简介
• 5.7 大型贯流式水轮发电机混合通风系统分析与计算实例
• 5.7.1 定子铁心叠片分段结构
• 5.7.2 混合通风系统的等效风路与简化风路
• 5.7.3 风阻的分析与计算
• 5.7.4 混合通风系统的计算结果与分析
• 5.7.5 不同运行工况对定子温度的影响
• 5.7.6 计算结果与试验数据的对比
• 5.8 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.1 大型水轮发电机基本参数
• A.1.1 定子线棒换位计算参数
• A.1.2 电磁场与温度场计算参数
• A.1.3 通风发热计算参数
• A.2 作者在攻读博士学位期间取得的主要成果
• A.2.1 发表的主要学术论文
• A.2.2 承担与完成的主要科研项目