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

1、開發(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)電機組是最佳的機組型式。由于中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機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，隨著單機容量的不斷提高，其結(jié)構(gòu)更緊湊，通風散熱條件更差，各部件溫升更高，嚴重影響發(fā)電機的正常使用壽命和運行的可靠性。因此，在發(fā)電機設計、制造過程中，需要準確計算和分析發(fā)電機的溫度場分布。然而，以往在計算發(fā)電機熱源損耗及其內(nèi)部溫度時主要依靠傳統(tǒng)公式和設計經(jīng)驗，無法準確描述

2、發(fā)電機內(nèi)溫度場分布。本研究以某一型號中小型燈泡貫流式水輪發(fā)電機為研究對象，利用數(shù)值模擬方法，從熱源損耗、多物理耦合場和通風散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度對發(fā)電機溫度場展開了計算和分析。
　　首先，根據(jù)發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)尺寸生成二維幾何模型；建立了二維電磁場有限元分析模型并確定了發(fā)電機試驗工況和額定工況下的勵磁參數(shù)和邊界條件；利用有限元法分別計算了發(fā)電機定子原結(jié)構(gòu)和兩種改造結(jié)構(gòu)的時均鐵耗分布。
　　其次，根據(jù)傳熱學、計算流體動力學以及多物理場

3、耦合理論，建立了發(fā)電機熱流耦合溫度場數(shù)值計算三維模型；以電磁場有限元計算得到的定子時均鐵耗以及UDF編程得到定轉(zhuǎn)子銅耗為熱源，計算了發(fā)電機在試驗工況下的溫度場；結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，驗證了所施加邊界條件的準確性；對額定工況下發(fā)電機的溫度場進行了計算分析并討論了入口冷卻風速大小和定子有無軛部通風孔對發(fā)電機各部件溫升的影響；對發(fā)電機定子通風散熱結(jié)構(gòu)提出了增設齒部通風槽、增大定子線圈截面、適當減少定子軛部通風孔的優(yōu)化改進措施并分別進行了數(shù)值計算和

4、數(shù)據(jù)對比分析。
　　最后，基于優(yōu)化設計理論，運用DOE實驗設計方法對發(fā)電機定子通風散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)（定子軛部通風孔、定子齒部通風槽的大小、位置共四個參數(shù)）進行了優(yōu)化設計；最終獲得了定子通風散熱的結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)，進一步降低了定子線圈最高溫升。
　　論文通過對發(fā)電機熱流耦合溫度場的研究，旨在利用有限元數(shù)值計算方法得到發(fā)電機內(nèi)部的溫度場分布，提高研發(fā)能力。數(shù)值計算結(jié)果與實際測量結(jié)果的對比數(shù)據(jù)表明，利用熱流耦合數(shù)值計算方法得到的發(fā)電機定轉(zhuǎn)