一种全空冷冷却方式的大型同步调相机冷却通风计算方法与流程

本发明属于调相机冷却通风计算领域，具体涉及一种全空冷冷却方式的大型同步调相机冷却通风计算方法。

背景技术：

传统调相机的冷却结构多采用全氢冷、水氢冷、双水内冷和全空冷。其中，全氢冷和水氢冷由于结构过于复杂，且对运行人员要求更为严苛，成本较高，基本被双水内冷和全空冷冷却方式取代。

在满足调相机散热需要的前提下，全空冷冷却方式具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，能有效地减少二次运行费用。同时，相比于其他冷却方式，辅机设备数量减少，在很大程度上降低了设备故障率和运行维护的工作量。

全空冷冷却方式就是冷却空气在调相机风路内受迫流动的过程中与产生损耗而发热的调相机部件进行热传递，将调相机的热量带到冷却器，冷却空气与冷却水热交换散出全部热量。因此，通风计算和冷却风量的合理分配以及掌握调相机各部分的温度分布是关系到调相机能否正常稳定工作的关键。对于全空冷冷却方式，有必要进行深入研究，使得调相机有足够的冷却风量，风量沿轴向长度均匀分布。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种全空冷冷却方式的大型同步调相机冷却通风计算方法，将通风计算和温度场分析相结合，检验大型同步调相机采用全空冷冷却方式的合理性，为同步调相机采用全空冷冷却方式提供理论支持。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种全空冷冷却方式的大型同步调相机冷却通风计算方法，包括以下步骤：

(1)计算调相机通风系统各部分的流动损失；

(2)计算调相机通风系统内压；

(3)建立通风计算网络并对其进行计算，求出调相机通风系统中的总风量和风量的沿轴向的分配；

(4)确定温度场计算的边界条件；

(5)进行调相机中的定子和转子的温度场分析，完成大型同步调相机冷却通风计算。

优选地，所述步骤(1)具体包括以下子步骤：

(1.1)获取调相机通风系统各部分的阻力系数；

(1.2)基于所述各部分的阻力系数得到各部分的阻力；

(1.3)基于各的阻力计算得到调相机通风系统各部分的流动损失。

优选地，所述各部分阻力包括流道沿程摩擦阻力和局部变形阻力。

优选地，所述的流道沿程摩擦阻力的计算公式为：

式中，zf为沿程阻力；λ为沿程阻力系数；ρ为流体密度；l为流道长度；d为等效直径；a为过流面积。

优选地，所述的局部变形阻力的计算公式为：

式中，z'f为局部变形阻力；ξ为局部阻力系数。

优选地，所述步骤(2)具体为：

(2.1)将大型同步调相机的转子的径向流道看作径向离心风扇；

(2.2)将流道内缘半径、流道外缘半径、旋转角速度、流道入口处相对风速和流道出口处相对风速代入相对运动的伯努利方程中计算得到调相机通风系统的内压s(l)，s(l)的计算公式为：

式中，s(l)为调相机通风系统内压；r1为流道内缘半径；r2为流道外缘半径；ω为旋转角速度；w1为入口处相对风速；w2为出口处相对风速，ρ为流体密度。

优选地，所述调相机通风系统内部呈对称结构，所述步骤(3)具体为：

基于调相机通风系统各部分的流动损失、调相机通风系统内压以及调相机通风系统的物理结构，利用flowmaster流体动力分析软件建立上下计算节点的对称通风计算网络模型，其中，前述的调相机通风系统各部分作为该对称通风计算网络模型中的各个节点；

根据质量守恒定律，在调相机通风系统内流入和流出同一个流道的冷却流体质量流量相等，因此该对称通风计算网络模型中的每一个节点都有：

∑qi＝0(2)

该对称通风计算网络模型中各节点冷却流体的质量流量和压力之间的关系式为：

式中，δp为节点的压力变化量；k为常系数；q为各节点质量流量；ρ为流体密度；a为过流面积；

由式(2)和(3)建立压力求解方程：

式中，p1...pn为各节点压力值，a11...ann为系数；

根据公式(4)求得各节点的压力后，利用式(3)求出各节点冷却流体的质量流量，即风量的沿轴向的分配；

对上下流道入口处冷却流体的质量流量求和，得到总风量。

优选地，所述步骤(4)具体为：

使用散热系数作为边界条件，当求出的总风量和风量的沿轴向的分配与实际测出的风量和风量沿轴分配一致时，则根据实际测量出的风速值，计算出各散热系数；

所述散热系数包括：导热系数、转子极靴表面散热系数、励磁绕组表面散热系数和定子通风沟表面散热系数中的任一个或者多个的组合；

其中，所述转子极靴表面散热系数α的计算公式为：

α＝28(1+u^0.5)

式中，u为实际测量出的风速值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明通过计算可以得到调相机内部的总风量和冷却风量的分配，以及掌握调相机各部分的温度分布，对调相机能否正常稳定工作起到至关重要的作用。

(2)本发明进行通风冷却的分析计算，对于优化调相机通风系统结构，以最小的通风损耗使调相机的各部分具有合理均衡的温升，无疑对今后大容量同步调相机的设计提供了技术保障和重要的参考意义。

(3)本发明将根据通风计算得到风量的轴向分布，可以据此验证调相机通风结构的合理性，同时如果与实测风量一致，也就验证了实验中风速测量的准确性，从而确保温度场分析的边界条件，温度场分析后得到调相机各区域内的温度分布，更加验证了全空冷冷却方式的合理性，为大型同步调相机采用空冷冷却方式提供了理论支持。

附图说明

图1是本发明一种实施例中的计算方法的流程示意图；

图2是本发明一种实施例根据调相机模型建立的通风计算网络模型；

图3是本发明一种实施例中的调相机转子部分区域的温度分布点图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述，说明如下：

基于现有的大型同步调相机普遍采用的全空冷冷却方式，本发明提出了一种全空冷冷却方式的大型同步调相机冷却通风计算方法，为同步调相机采用全空冷冷却方式提供理论支持。

实施例1

在本发明中，调相机中的定子和转子均位于调相机通风系统内，如图1所示，当进行全空冷冷却方式的大型同步调相机通风冷却计算时，进行以下步骤：

步骤(1)：计算调相机通风系统各部分的流动损失，具体包括以下子步骤：

(1.1)获取调相机通风系统各部分的阻力系数；所述的调相机通风系统各部分的阻力系数可以通过查找获得，有些部分的阻力系数是公式形式，有点部分的阻力系数是曲线形式，均属于现有技术，不是本发明的创新点所在，因此不做过多赘述；

(1.2)基于所述各部分的阻力系数得到各部分的阻力，该过程也是基于现有技术实现的，不是本发明的创新点所在，因此不做过多赘述；

(1.3)基于各的阻力计算得到调相机通风系统各部分的流动损失，计算公式为：流动损失＝阻力*流速*时间，完成调相机通风系统各部分的流动损失的计算。

在进行通风系统中的定子阻力和转子阻力的确定时，需要考虑定子径向通风沟和转子径向通风沟的沿程阻力；在本发明的某一具体实施例中，所述的调相机通风系统各部分阻力可以包括：流道沿程摩擦阻力和局部变形阻力，进一步地，所述局部变形阻力可以包括缩小、扩散、分流、合流、转弯等阻力。

所述的流道沿程摩擦阻力的计算公式为：

式中，zf为沿程阻力；λ为沿程阻力系数；ρ为流体密度(kg/m³)；l为流道长度(m)；d为等效直径(m)；a为过流面积(m²)；

所述的局部变形阻力的计算公式为：

其中，z'f为局部变形阻力；ξ为局部阻力系数。

步骤(2)：计算调相机内压；

对于常规大型同步调相机，转动部分(即转子)的径向流道可近似看作径向离心风扇，利用流道内缘半径、流道外缘半径、旋转角速度、流道入口处相对风速和流道出口处相对风速代入到相对运动的伯努利方程中计算得到调相机通风系统的内压s(l)，s(l)的计算公式为：

式中，s(l)为调相机通风系统内压；r1为流道内缘半径；r2为流道外缘半径；ω为旋转角速度；w1为入口处相对风速；w2为出口处相对风速，ρ为流体密度。

步骤(3)：建立通风计算网络并对其进行计算，求出总风量和风量的沿轴向的分配；

本发明中所述的调相机内部呈对称结构，因此，基于步骤(1)中得到的调相机通风系统各部分的流动损失和步骤(2)中得到的调相机通风系统内压，借助flowmaster流体动力分析软件，依据调相机通风系统的具体通风结构特点(参见图2)，即密闭式全空冷冷却方式的大型同步调相机的内部通风结构为上下对称通风路径，建立上下主要风量计算点对称的通风计算网络，具体参见图3，从而计算调相机的总风量和风量沿轴向的分配。

根据质量守恒定律，在调相机通风系统内流入和流出同一个流道的冷却流体质量流量相等，因此该对称通风计算网络模型中的每一个节点都有：

∑qi＝0(2)

根据调相机中风路的特点，该对称通风计算网络模型中各节点冷却流体的质量流量和压力之间的关系式为：

其中，δp为节点的压力变化量；k为常系数；为冷却流体的质量流量(kg/s)；ρ为流体密度(kg/m³)；a为过流面积(m²)；

式中，δp为节点的压力变化量；k为常系数；q为各节点质量流量；ρ为流体密度；

a为过流面积；

由式(2)和(3)建立压力求解方程：

式中，式中，p1...pn为各节点压力值，a11...ann为系数；

根据公式(4)求得各节点的压力后，利用式(3)求出各节点冷却流体的质量流量，即风量的沿轴向的分配；

对上下流道入口处冷却流体的质量流量求和，得到总风量。

步骤(4)：确定温度场计算的边界条件；

使用散热系数作为边界条件，当求出的总风量和风量的沿轴向的分配与实际测出的风量和风量沿轴分配一致时，则根据实际测量出的风速值，计算出各散热系数；

所述散热系数包括：转子极靴表面散热系数、励磁绕组表面散热系数和定子通风沟表面散热系数。

其中，转子极靴表面散热系数的计算公式为：

α＝28(1+u^0.5)

u为实际测量出的风速值；

励磁绕组表面散热系数通过对通风散热模型所得风速数据进行数学拟合处理得到；

定子铁心通风沟表面散热系数要考虑风沟中的温度是逐步升高的，根据不同风速、不同温度下的物性参数，计算努谢尔特数，从而计算相应的换热系数。

步骤(5)：进行调相机中的定子和转子的温度场分析，完成大型同步调相机冷却通风计算。

在本发明实施例的一种具体方式中，根据调相机中定、转子的基本假设，并综合考虑全空冷冷却方式调相机的结构，确定几何模型和计算区域。考虑到调相机结构的对称性，定子温度场模型取半齿半槽进行分析计算，轴向取包括上下端部在内的整个区域，实现确定所分析的定子几何模型。转子把求解区域确定为从磁极端部到磁极铁心段轴向中心面的半个磁极区域，实现确定所分析的转子几何模型。以有限元分析软件ansys为工作界面展开对调相机定、转子的温度场分析，其原理即用现代数值计算方法来求解热传导的泊松方程，也就是将求解区域离散成为许多小单元，在每个单元中建立方程，后对总体方程组进行求解。将调相机内部总体转换到局部单元，求得局部的温度以及温升从而确定了调相机定子、转子的温度分布。

上述的进行调相机中的定子和转子的温度场分析在本发明实施例的其他实施方式中，还可以采用其他的分析方式，该部分不是本发明的重要发明点，因此，本发明中不对其具体过程做详细的说明。

由图3所示，为本发明实施例所采用的300mvar全空冷冷却方式的大型同步调相机转子从磁极端部到磁极铁心段轴向中心面的半个磁极区域内的温度分布点图。可知，从端部到铁心段轴向中心的温度逐渐上升，但整个温升均在合理范围内。

由此，得到了调相机通风系统的风量分布和调相机中的温度分布。通风计算和温度场结合起来的通风冷却计算方法检验了同步调相机采用空冷冷却方式的合理性，为大型调相机采用全空冷冷却方式提供了理论支持。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。