大型同步发电机复杂结构下发热与冷却机理的研究

论文摘要

大型发电机的温度状况直接影响着电机的性能,因此发电机的散热问题一直备受关注,发电机的通风结构成为了研究的重点。采用不同的通风结构直接影响着发电机内部的风路及风量分配,进而对电机的散热状况产生很大的影响。发电机内部的发热与冷却问题一直是电机设计研究中的重点问题,尤其是如何确定发电机的温度分布和最高温升位置,不仅可以为发电机内绝缘等级的选取,还可以为发电机安全和稳定运行提供参考。因此,对发电机内温升分布的准确计算具有实际的工程意义。本文根据电磁场理论,建立了大型汽轮发电机端部实体模型,通过对发电机端部三维瞬态电磁场求解,确定了发电机空载和额定负载端部区域漏磁分布及端部铜屏蔽、压圈、压指的涡流损耗,对比研究了发电机端部铜屏蔽相对压圈位置改变及空实心铜屏蔽内、外层铜屏蔽之间风道宽度对端部区域漏磁分布及端部各结构件涡流损耗的影响。通过将三维瞬态涡流场计算得到的结构件损耗结果作为热源,结合大型汽轮发电机的实际结构和流体力学、传热学理论,建立了大型汽轮发电机三维端部区域流体与传热耦合的数学模型,给出了相应的基本假设和边界条件,基于有限体积法对该发电机三维端部区域耦合场进行求解,确定了端部区域各构件的温度分布,并将铜屏蔽温度计算结果与实测值进行比较,验证了计算方法的准确性与可靠性。还对端部构件铜屏蔽与压圈之间不同距离和空实心铜屏蔽时端部区域内流体速度分布和端部构件铜屏蔽、压圈、压指温度分布的变化规律进行了数值分析,为大型汽轮发电机通风系统结构设计提供了可靠的依据。此外以一台全空冷水轮发电机为例,根据该电机特殊的通风冷却结构,确定了转子旋转情况下的计算区域,建立了三维流体场和温度场的计算模型,给定相应的基本假设与边界条件,采用有限体积法对其通风和发热问题进行计算,得到转子支架、磁轭通风沟、磁极间隙以及定转子气隙内冷却气体的流速分布与转子各部分的温度分布,详细分析了极靴表面和磁极中心线处流体流速和温度沿轴向的变化趋势,并将转子表面温度的计算结果与运行试验数据进行比较,验证了该计算结果的可靠性。图76幅,表13个,参考文献136篇。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 汽轮发电机通风冷却技术发展概述
• 1.3 水轮发电机冷却技术发展概述
• 1.4 大型同步发电机端部电磁场理论研究
• 1.5 大型同步发电机内温度场与流体场计算方法的研究
• 1.6 课题研究的主要内容
• 2 汽轮发电机端部三维瞬态电磁场模型建立与研究
• 2.1 330MW水-氢-氢冷汽轮发电机端部结构特点
• 2.2 端部三维涡流场求解域及数学模型
• 2.2.1 端部三维瞬态电磁场求解域的确定
• 2.2.2 三维涡流场数学模型
• 2.2.3 基于双重收敛条件的励磁电流确定
• 2.3 空载和额定负载时端部空气域漏磁及边段气隙磁密的研究
• 2.3.1 空载和额定负载时端部空气域漏磁分布的研究
• 2.3.2 额定负载时靠近边段铁心的气隙磁密的研究
• 2.4 本章小结
• 3 不同铜屏蔽结构的端部三维瞬态电磁场及涡流损耗研究
• 3.1 汽轮发电机端部结构件表面漏磁分布及涡流损耗研究
• 3.1.1 发电机端部绕组及铜屏蔽电密矢量分布
• 3.1.2 空载和额定负载时端部结构件漏磁分布及涡流损耗研究
• 3.2 铜屏蔽与压圈相对位置对端部结构件漏磁分布及涡流损耗的影响
• 3.2.1 铜屏蔽与压圈相对位置对端部结构件漏磁分布的影响
• 3.2.2 铜屏蔽与压圈相对位置对端部构件涡流损耗的影响
• 3.3 端部空实心铜屏蔽结构对压圈漏磁分布和端部结构件涡流损耗的影响
• 3.3.1 空实心铜屏蔽对端部压圈漏磁分布的影响
• 3.3.2 空实心铜屏蔽对端部结构件涡流损耗的影响
• 3.4 本章小结
• 4 汽轮发电机端部流体与传热耦合场的研究
• 4.1 汽轮发电机端部流体流动与传热耦合数学模型
• 4.1.1 汽轮发电机内流体网络的研究
• 4.1.2 汽轮发电机端部区域多物理场耦合数学模型
• 4.2 汽轮发电机定子端部区域流体与传热耦合场的求解模型
• 4.2.1 三维定子端部区域求解模型
• 4.2.2 三维定子端部区域求解模型的基本假设和边界条件
• 4.3 汽轮发电机端部构件三维流体与传热耦合场的计算与研究
• 4.3.1 铜屏蔽温度场计算结果与研究
• 4.3.2 端部压圈和压指温度计算结果与研究
• 4.4 铜屏蔽与压圈之间不同距离对端部区域内流体流动和端部构件温度分布的影响
• 4.4.1 铜屏蔽与压圈之间不同距离对端部区域流体流动的影响
• 4.4.2 铜屏蔽与压圈之间不同距离对铜屏蔽温度分布的影响
• 4.4.3 铜屏蔽与压圈之间不同距离对压圈温度分布的影响
• 4.4.4 铜屏蔽与压圈之间不同距离对压指温度分布的影响
• 4.5 空实心铜屏蔽结构的电机端部区域内温度场的研究
• 4.6 本章小结
• 5 计及转子旋转状态下水轮发电机转子耦合场的计算与研究
• 5.1 水轮发电机转子电磁损耗的确定
• 5.2 水轮发电机转子三维耦合场模型的建立
• 5.2.1 水轮发电机转子求解域的网格离散
• 5.2.2 计及转子旋转状态下水轮发电机转子求解域边界条件的确定与数学模型的建立
• 5.3 计及转子旋转状态下转子通风系统内流体场的研究
• 5.3.1 转子极靴表面周围流体流动状态的研究
• 5.3.2 磁极间中心线处流体流动状态的研究
• 5.4 计及转子旋转状态下转子温度场的研究
• 5.4.1 极靴温度场的研究
• 5.4.2 转子极身绝缘温度场的研究
• 5.4.3 端环和压板的温度场的研究
• 5.4.4 极身和极靴的温度场的研究
• 5.4.5 励磁绕组温度场的研究
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集