中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)熱流耦合溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究.pdf

1、開(kāi)發(fā)和利用低水頭及超低水頭的水力資源，中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組是最佳的機(jī)組型式。由于中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組受制于安裝空間和結(jié)構(gòu)形式，相較于其它類型的水力發(fā)電機(jī)，隨著單機(jī)容量的不斷提高，其結(jié)構(gòu)更緊湊，通風(fēng)散熱條件更差，各部件溫升更高，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的正常使用壽命和運(yùn)行的可靠性。因此，在發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中，需要準(zhǔn)確計(jì)算和分析發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)分布。然而，以往在計(jì)算發(fā)電機(jī)熱源損耗及其內(nèi)部溫度時(shí)主要依靠傳統(tǒng)公式和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法準(zhǔn)確描述

2、發(fā)電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)分布。本研究以某一型號(hào)中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬方法，從熱源損耗、多物理耦合場(chǎng)和通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度對(duì)發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)展開(kāi)了計(jì)算和分析。
　　首先，根據(jù)發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)尺寸生成二維幾何模型；建立了二維電磁場(chǎng)有限元分析模型并確定了發(fā)電機(jī)試驗(yàn)工況和額定工況下的勵(lì)磁參數(shù)和邊界條件；利用有限元法分別計(jì)算了發(fā)電機(jī)定子原結(jié)構(gòu)和兩種改造結(jié)構(gòu)的時(shí)均鐵耗分布。
　　其次，根據(jù)傳熱學(xué)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)以及多物理場(chǎng)

3、耦合理論，建立了發(fā)電機(jī)熱流耦合溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算三維模型；以電磁場(chǎng)有限元計(jì)算得到的定子時(shí)均鐵耗以及UDF編程得到定轉(zhuǎn)子銅耗為熱源，計(jì)算了發(fā)電機(jī)在試驗(yàn)工況下的溫度場(chǎng)；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所施加邊界條件的準(zhǔn)確性；對(duì)額定工況下發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析并討論了入口冷卻風(fēng)速大小和定子有無(wú)軛部通風(fēng)孔對(duì)發(fā)電機(jī)各部件溫升的影響；對(duì)發(fā)電機(jī)定子通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)提出了增設(shè)齒部通風(fēng)槽、增大定子線圈截面、適當(dāng)減少定子軛部通風(fēng)孔的優(yōu)化改進(jìn)措施并分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和

4、數(shù)據(jù)對(duì)比分析。
　　最后，基于優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，運(yùn)用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)發(fā)電機(jī)定子通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)（定子軛部通風(fēng)孔、定子齒部通風(fēng)槽的大小、位置共四個(gè)參數(shù)）進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；最終獲得了定子通風(fēng)散熱的結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)一步降低了定子線圈最高溫升。
　　論文通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)熱流耦合溫度場(chǎng)的研究，旨在利用有限元數(shù)值計(jì)算方法得到發(fā)電機(jī)內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，提高研發(fā)能力。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的對(duì)比數(shù)據(jù)表明，利用熱流耦合數(shù)值計(jì)算方法得到的發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)