随着能源工业的发展,低水头水力资源的开发受到了普遍重视,在低水头水电站建设中,灯泡式机组以其高效率,低造价的优势得以较大的发展。我公司自行设计制造的灯泡贯流式水轮发电机组。

图 1发电机剖面图

２.“Y”形导风弯管 2.空冷器 3. 轴流风机 4.定子 5. 转子

3 通风系统的特点

　 灯泡式机组因受灯泡比的影响,发电机的直径要比常规机组小,Lt/t 值大,对发电机的通风冷却不利。同时,机组转数低,转子直径小,依靠转子自身和装在转子上的风扇建立起来的风压满足不了通风冷却的要求,因此需要采用外加鼓风机的强迫循环通风方式。

4 热损耗的排出

　　在发电机内产生的损耗一起的发热,需通过一套冷却系统将温升控制在一定的范围内, 对于简接空冷的贯流是水轮发电机,有两种散热方式:

　　(1) 由定子结构件产生的损耗热直接传递到水中.此种方式适合于贴壁结构的电机。由于灯泡体处于水下,河水是冷却介质,壳体传递到水中的损耗包括定子轭部损耗,齿部损耗和槽内铜耗等损耗的一部分。

　　(2) 全部损耗热由机组中的冷风排除,即冷却空气在循环过程中,再通过气隙,极间及定子铁心背部时将电机的全部损耗热带走。

　　在电机内部产生的损耗热,全部或部分的传递给了空气。再传递过程中冷风变成了热风,因此为了使发电机的损耗源源不断地传递出去,必须有冷、热风的循环。灯泡式水轮发电机采用密闭循环通风.为了达到在密闭循环中的冷却目的,热风还需变成冷风,即冷却空气所携带的损耗热还需传递出去,通常有以下两种方法:

　　a. 通过空气冷却器将冷却空气所携带的损耗热传递给冷却水。这需要建立一套复杂的冷却水循环系统。热风在循环过程中将热量传递给壳体,由壳体再传递给河水进行冷却。但是,由于空气在金属上传热系数较低,为了尽可能冷却热风,可在灯泡体内侧装焊散热筋来增加散热面。单在灯泡体内装焊散热筋,增加了工艺难度,更重要的是增加了制造成本。此外,热风在带筋的灯泡体内冷却时,还需有较高的气流速度才能得到较高的传热系数.因此,带筋结构还会产生较高的通风损耗.基于上述原因,机组采用常规的空气冷却装置,而不用装焊散热筋装置。

5.温升计算

　　机组通风系统采用轴向强迫密闭通风结构,且定子铁心贴壁。针对这种结构建立了如图2,图3所示的热网络图。

河水(28°C)齿部轴向隙空气(t_A1) 气隙空气(t_A2)端部空气(t_A3)

图2 定子热网络图

图 3 定子热网络等效电路图

t_A(空气温升)=45°C
图4转子热网络图

图5 转子热网络等效电路图

　　温升计算基本公式如下:

　　(1) 热传导

　　导热基本定 q==-lgradt

　　式中 q ¾ 热流强度,W/m²

　　l¾导热系数, W/m²·°C

　　Q =(t₂-t₁)/ R_r

　　式中 t_2，t₁ ¾物体两侧的表面温度, °C

　　R_r¾导热热阻, ° C

　　Q¾单位时间内通过等温面的总热量,W

　　(2) 热的对流

　　Dt=t₄-t₃=q/a=QRa

　　式中 q¾热流强度,W/m²

　　a¾散热系数,W/m²· °C　　

　　t_4,t₃¾流体,固体的温度, °C

　　Ra ¾散热热阻, ° C·h/kal

　　Q¾单位时间内通过等温面的总热量,W

6. 通风结构形式

　　灯泡式水轮发电机具体的通风结构形式,安空气流动的方向分强迫循环轴向通风冷却方式和轴,径向强迫循环混合通风冷却方式.水轮发电机由于容量不大,铁心较短(Lt=730mm),采用了常压密闭循环轴向强迫通风方式。

　　该水电站的SFWG3000-40/3300水轮发电机的通风系统(如图4)均设置在灯泡体内,运行时冷却空气由3台轴流风机驱动,达到机组内部循环。冷却空气流动途径为(如图4)通风系统等值线路图所示)风机®电机上游侧空腔®转子幅板孔®电机下游侧空腔®气隙、齿部轴向通风孔以及转子机间®电机上游侧空腔®空气冷却器(6个) ®Y形通风管(3个) ®风机(3台).其中每两个空冷器共用一个风机,电机上、下游侧都有隔离密封板与灯泡头侧和水轮机侧隔开,从而形成密闭循环轴向强迫通风结构。在运行中,工作人员可安全地进入灯泡头内,对机组的集电环、电刷、冷却系统和油水管路等进行检查。此外,还可以有效地防止水轮机侧和灯泡头侧的潮湿气体及脏物进入发电机,使碳刷或刹车粉尘也不会污染发电机,有效地保证了机组内的清洁度,延长了机组的检修周期及寿命。

7. 通风系统设计及计算

　　通风计算基本公式如下:

　　(1) 局部损耗

　　H=[zg/2g]´

　　(2)磨擦损耗

　　H=[lrl/2g]´

　　] 式中 H¾ 风压降,Pa

　　Q¾风量, /S

　　g ¾ 气体比重

　　S ¾ 风道面积,

　　z ¾ 局部阻力系数

　　l ¾ 风道长度,m

¾ 等效水力直径,m

　　g ¾ 摩擦系数

　　先初步却定通风系统的具体结构尺寸(如风机,空气冷却器和通风管的选型等),计算各部分的风阻,再利用风网络迭代法,用计算机计算出各部分的风量。

　　温升计算时,根据温升计算基本公式,可以看出温升计算可借助电网络的方法来进行计算.因此,先把热网络图等效成电路图(如图3 ,图5),即热阻等效成电阻,热损耗等效成恒电流源,温度等效成恒压源,温升等效成电压,热量等效成电流,利用节点法求出各支路和节点的电流和电压,也就是各部件传递的热损耗及温升。如温升不合理,就要重新对通风系统进行设计, 直到温升计算合符要求。

　　机组在进行通风系统设计时,考虑到灯泡体外壳处入水中,长时间运行之后,会有泥沙和水生物附着在灯泡体外壳上,影响灯泡体外壳的散热,同时,贴壁结构的定子铁心与机座壁的间隙大小对从铁心轭部传到机座的损耗热影响也非常大,而这一间隙受到工艺的影响。因此,为保证机组长期安全运行,机组在进行通风系统设计时,不考虑从机座直接传入到河水中的损耗热,把损耗热看成全部由冷却空气带走。其热网络图如图6,对应的等效电路图为图7。

t_A1(齿部轴向隙空气)=45 °C t_A2(气隙空气)=45°C T_A3(端部空气)=45°C
图6 定子热网络等值图二

8 结论

　　根据计算通风和温升计算结果,水轮发电机各部分温升均小于相应的温升限度。计算风量大于电机所需风量的20%,说明设计是合理的.实际运行情况表明,机组定转子实际运行温升与计算温升相近。

　　通过机组的设计,有以下以下几点体会:

　　(1) 通风系统选用轴向强迫循环通风方式,还是选用径,轴向强迫循环混合通风方式。应根据机组的容量.转速和铁心长度来确定。

图 7 定子热网络等效电路图二

图8 通风系统等值线路图

　　(2)　 对采用贴壁结构的电机,有温升计算可知,贴壁情况的好坏对电机机定子部分的温升影响很大。因此,在工艺上应严格保证此间隙。

　　(3) 　冷却系统各部件的设计应具有一定的裕度。即在一个空气冷却器或风机发生故障时,不会或很少影响发电机的正常运行 。

　　(4) 轴流风机的选型,除了应满足通风系统所需的压头和流量外,还应有振动和噪很低的要求。

　　(5) 挡风板的正确设计,是通风系统正常工作的前提。挡风板密封不好，就会出现风路短路现象,直接影响机组的正常运行。设计出简单,合理.密封性能好的挡风板是通风系统的关键。

参考文献

　　1 白延年 《 水轮发电机设计与计算》 机械工业出版社

　　2 陈世坤 《 电机设计》机械工业出版社