大型水轮发电机三维涡流—温度耦合场数值计算

摘要

随着发电机容量的不断增大，大型乃至巨型水轮发电机的通风散热问题愈发受到国内外学者和工程技术人员的关注。对发电机不同运行工况下的三维涡流-温度耦合场分析研究已成为大型发电机分析和设计必须解决的关键问题之一。据此，本文对大型水轮发电机端部三维涡流、温度及其耦合场进行了系统、深入的研究。主要研究工作与成果如下:
　　以250MW立轴半伞式水轮发电机为研究对象，对电机端部进行了三维电磁场与温度场的有限元的建模。建模的过程中在保证磁场分布和温升结果正确的前提下，简化了计算模型，为同类工程电磁场问题提供了理论分析的依据。构造了基于动态位(ψ)-A的三维正弦稳态涡流场边值问题。给出了水轮发电机电磁场边界条件，以及等效的媒质特性参数。推导了空载、额定、0.95进相运行工况下发电机的激励源，包括激励电流的大小和初相角。
　　基于网络矩阵法进行了通风系统的整体计算，给出通风系统的风量和风量分配，确定了本文水轮发电机通风计算模型。基于热传导规律和一般导热微分方程，推导了稳态时三维温度场的导热微分方程。确定了水轮发电机温度场数值分析的边界条件。并推导了发电机的导热系数和定子端部、压指和压板的表面散热系数的计算式。
　　基于前述的模型和计算方法，利用ANSYS商用软件，本文系统地进行了空载、额定、0.95进相运行工况下水轮发电机端部全三维涡流—温度耦合场数值分析，为水轮发电机端部温升的分析和工程应用提供了可供借鉴的成果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水轮发电机端部磁场的研究现状

1．2．2 水轮发电机的冷却系统及温度场的研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 水轮发电机三维电磁场分析

2．1 大型水轮发电机端部简化模型及其验证

2．1．1 大型水轮发电机端部简化模型

2．1．2 大型水轮发电机端部简化模型的验证

2．1．3 大型水轮发电机端部简化模型的确立

2．2 大型水轮发电机电磁场分析的边值问题

2．2．1 电机三维电磁场的控制方程

2．2．2 边界条件的处理

2．2．3 激磁电流的确定

2．3 发电机端部漏磁场的计算与分析

2．4 本章小结

第三章 水轮发电机的冷却系统

3．1 发电机通风散热理论基础

3．2 本文中大型水轮发电机通风计算模型

3．2．1 通风计算模型与网络图

3．2．2 等值风路特性

3．3 本章小结

第四章 大型水轮发电机三维温度场分析与计算

4．1 传热学基础

4．1．1 热传导定律

4．1．2 稳态时三维温度场的基本方程

4．1．3 牛顿散热定律

4．2 本文温度场数值分析的边界条件和散热系数

4．2．1 温度场的边界条件

4．2．2 水轮发电机三维温度场研究的导热系数与散热系数

4．3 水轮发电机的损耗

4．4 水轮发电机空载运行时的温度场分析

4．5 水轮发电机额定运行时的温度场分析

4．6 水轮发电机0．95进相运行时的温度场分析

4．7 本章小结

全文总结与展望

致谢

参考文献