基于多场耦合计算的水轮发电机冷却通风特性分析与优化

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1、国内图书分类号：TM301．4工学博士学位论文基于多场耦合计算的水轮发电机冷却通风特性分析与优化博士研究生：导师：申请学位级别：学科、专业：所在单位：答辩日期：授予学位单位：宋厚彬李伟力工学博士电机与电器电气与电子工程学院2014年3月哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TM301．4DissertationfortheDoctorDegreeinEngineeringCandidate：Supervisor：AcademicDegreeAppliedfor：Specialty：DateofOralExamination：

2、University：SongHoubinLiWeiliDoctorofEngineeringElectricMachineandApparatusMar．2014HarbinUniversityofScienceandTechnology■II】●'IⅧgLr●¨●l删呜叫．KnUn0．Ⅱ0C叫∞埘勰舻蕊黜bgn皿曲哪眦肌一州刚一例Cla№¨豫廿江bSI．11n●■T■，甜掣．mJE●I●rL躐蝴忸nh引哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《基于多场耦合计算的水轮发电机冷却通风特性分析与优化》

3、，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：揪日期：2矽j}尹年3月弓D日哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书《基于多场耦合计算的水轮发电机冷却通风特性分析与优化》系本人在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了

4、解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口，在年解密后适用授权书。不保密由。(请在以上相应方框内打√)作者签名：导师签名：日期：久汐∥年3月勿日日期：又研年J月多护日摘要基于多场耦合计算的水轮发电机冷却通风特性分析和优化摘要灯泡贯流式水轮发电机是灯泡贯流式水电站的主体设备，它具有结构尺寸大、电磁负荷高等特点，是目前水电站大中型水轮发电机的首选。然而，水

5、轮发电机发热一直是影响水轮发电机组安全运行的一个主要因素，发电机通风冷却系统结构的设计是否合理，能否满足发电机实际运行的需要，成为要研究和解决的重点问题之一。本文基于流体力学与传热学的基本理论，针对流场和温度场多场共同作用下的灯泡贯流式水轮发电机通风结构开展了理论研究工作。通过对灯泡贯流式水轮发电机轴径向通风结构在冷却介质是空气的情况下的温度场和流场，进行了全三维数值模拟及分析，研究了传统结构下的各场量分布情况以及耦合相关性。并探究了发电机转子支架轴径向安放角对流场和温度场的影响，以及发电机转子支架安放位置的变化对发电机轴功率的影响

6、，揭示了转子支架轴径向安放角变化，冷却气体流量变化时定子和转子及铁心和绕组上的温度分布特性。通过对传统结构灯泡贯流式水轮发电机轴径向通风结构的数值计算结果与实际运行机组测点数据的比较表明，采用热场(温度场)、流场之间相互耦合的数值计算方法所得结果是可靠的。同时研究结果也揭示了传统设计轴径向通风冷却结构在定子及绕组之间通风孔间隙处存在有明显局部高温的原因。本文提出了发电机转子支架轴径向安放角的概念，利用风机的设计方法，采用基于涡流理论、叶素理论的Wilson方法对传统发电机转子支架进行了重新设计，并以MATLAB语言为工具编写叶片设计

7、的计算程序；为便于叶片加工制造，又对叶片径向安放角口与轴向安放角∥进行修正，输出各参数的计算结果。通过对叶片径向安放角口与轴向安放角∥的单相匹配的数值研究发现，当叶片轴向安放角p=06时，随着径向安放角的增加发电机内部最高温度有所下降，但数值较小；当叶片径向安放角a=0。时，随着轴向安放角增加，哈尔滨理下大学T学博‘上学位论文发电机内部最高温度有所下降，较仅仅改变径向安放角时下降的数值有所增加，但整体的温度下降仍然不够明显。通过对叶片径向安放角口与轴向安放角∥的双向匹配的数值研究发现，在不采用风机强制通风时轴径向支架安放角OC=6。

8、，∥=6。时通风冷却结构的流场流动更为顺畅、流场分布更加合理，冷却介质的轴向流速和径向速度有最佳匹配值。发电机转子在相同转速下，优化后径向通风结构使得定子及周围流体所传递与辐射的能量有所减小，最终使得温度场内最高温度与高温区域均有所减