CFD应用解决大型汽轮发电机的通风问题

1 序言

汽轮发电机作为发电系统的核心，其高效可靠的运转涉及多种技术因素，尤其是与之相关的通风系统对改善发电机性能、延长其使用寿命至关重要。本文基于复杂流体动力学（CFD）模拟，探讨了大型汽轮发电机在通风过程中面临的挑战，特别是如何利用CFD技术优化现有设计以解决发电机内部的通风问题。




2 汽轮发电机原理与结构概述

汽轮发电机是一种将机械能转换为电能的同步电机，由汽轮机驱动，其原理基于转子的旋转产生磁力线切割定子线圈，从而产生感应电势，进而实现能量转换。其结构由定子和转子构成，其中：

定子：通常包含铁心、线圈以及支撑结构等，位于发电机的外壳内，面向外部气流或冷却介质。

转子：主要组成包括铁心、线圈、支撑（中心环）和冷却结构等，负责机械能的转换，并在发电机内部产生磁场。

3 通风与介质选择

为了确保发电机内部的高效冷却，通常采用空冷、氢冷、油冷或水冷等冷却方式。冷却介质（如空气、氢气、水等）通过其“比热”特性带走发电机产生的热量。为确保高效率的热量转移和功率损耗降低，选择冷却介质需考虑比热容大、粘度小、导热系数高、密度小、介电强度高以及无毒、无腐蚀性、化学稳定及物美价廉等特性。

4 CFD应用在通风优化中的作用与案例

大型汽轮发电机在作业过程中，有时会遇到铁心端部过热的现象，这直接关系到发电机的可靠性和效率。为了解决这些问题，数值模拟和CFD技术被广泛应用。以一台1000MW水氢冷发电机为例：

1. CFD应用实例描述：通过在汽、励两端靠近边段铁心处设置径向挡风板，增强周边冷却气流的流通速度，从而减少局部过热。

2. 数值模型建立与分析：考虑到汽端和励端关于铁心中心线的对称性，采用一半铁心作为计算区域，分别对挡风板高度为0mm、10mm、15mm、20mm、25mm及30mm时的流速分布进行模拟与分析。

3. 结果对比与优化：

流量变化：随着挡风板高度的增加，上游98、97号风道的流量有所增加，支持了流体运动的直观判断。

局部过热：挡风板高度若小于10mm，例如100号风道的规模流量较小，容易引发局部过热问题，与实际运行数据相符。

流量负值：挡风板高度增大至30mm时，部分风道出现流量为负值的情况，这是由于气隙进口处的压力较高、气流速度较快，局部导致出现负压区，诱使空气倒流产生。

4. 改进措施与实验验证：通过将汽端挡风板的高度由10mm优化至20mm，以及比较改造前后发电机各段铁心的温升数值，证实了CFD分析的准确性和实施改进的有效性，特别是在降低汽端铁心过热方面取得了显著效果，激励端铁心温升保持在一个可控范围内。