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　　在大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組中，水輪機(jī)具有比轉(zhuǎn)速高、單位過流量大、空化系數(shù)小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，為廣泛應(yīng)用于開發(fā)低水頭水利資源的良好機(jī)型，在我國有著廣闊的市場前景。然而由于受低水頭和燈泡比的限制，發(fā)電機(jī)的直徑小、電磁負(fù)荷高，與常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)相比，散熱條件相當(dāng)惡劣；同時(shí)電機(jī)的主要尺寸比較大，使得整個(gè)電機(jī)的風(fēng)路壓降大，通風(fēng)冷卻困難。為了解決好燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)高電磁負(fù)荷產(chǎn)生的大量熱損耗與體積小且細(xì)長電機(jī)的不利冷卻條件之間的突出矛盾，本文提出了一種新的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)大型燈泡式水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)與發(fā)熱問題進(jìn)行了分析與計(jì)算研究。

　　風(fēng)路計(jì)算模型大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)在冷卻方式上采用二次循環(huán)冷卻方式，即發(fā)電機(jī)的損耗通過熱傳導(dǎo)、表面散熱傳遞給冷卻空氣，再通過常規(guī)冷卻器對(duì)帶有電機(jī)熱量的冷卻空氣進(jìn)行冷卻，將電機(jī)熱量傳遞給冷卻器的冷卻水，最后獲得熱量的冷卻水通過冷卻套將電機(jī)熱量傳遞給河水。在其混合通風(fēng)系統(tǒng)中，定轉(zhuǎn)子鐵心有徑向通風(fēng)溝，且定子鐵心為不貼壁結(jié)構(gòu)，定子鐵心與機(jī)座間有通風(fēng)道，系統(tǒng)中的風(fēng)壓元件主要是鼓風(fēng)機(jī)。其冷卻空氣的循環(huán)路徑如圖所示，風(fēng)路模型如圖所示。由于在大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的混合通風(fēng)系統(tǒng)中增加了鼓風(fēng)機(jī)等風(fēng)壓元件，導(dǎo)致各風(fēng)壓元件產(chǎn)生的風(fēng)壓對(duì)電機(jī)的通風(fēng)冷卻影響較大，本文提出了一種含有風(fēng)壓源復(fù)雜結(jié)構(gòu)風(fēng)路的新穎閉環(huán)迭代解法，其風(fēng)路計(jì)算的基本原理如下：根據(jù)風(fēng)量連續(xù)性原理，流入任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有風(fēng)量的代數(shù)和等于零，即沿任何閉合回路各支路風(fēng)壓降的代數(shù)和等于大電機(jī)技術(shù)零，即根據(jù)上述原理，考慮風(fēng)路中含有風(fēng)壓源時(shí)，風(fēng)壓元件將改變各支路分量的分配和風(fēng)壓降的大小，經(jīng)推證其網(wǎng)孔風(fēng)量為熱路計(jì)算模型本文采用等效熱路法來計(jì)算大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的溫升。簡化了電機(jī)的二維熱傳導(dǎo)過程，將薄板內(nèi)的二維熱流視為在研究方向受到阻力的兩個(gè)一維熱流相互作用的結(jié)果；合成熱流在自己方向上受到的阻力，被看為兩個(gè)一維熱流方向阻力的迭加。為了便于計(jì)算，假定發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間無熱交換，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的各熱源均勻分布，以徑向通風(fēng)溝為界，分段進(jìn)行分析計(jì)算。下面以定子等效熱路為例，說明通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)：定子鐵心存在徑向通風(fēng)溝，故在徑向通風(fēng)溝圖燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)混合通風(fēng)系統(tǒng)氣流循環(huán)原理圖圖燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)混合通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路模型圖之間，每段鐵心熱量與線圈繞組熱量的大部分將由鐵心兩側(cè)的徑向通風(fēng)溝中的冷卻空氣帶走；電機(jī)的機(jī)殼不再具有散熱的作用，從鐵心外圓流出的熱量，將全部由鐵心背部通風(fēng)溝內(nèi)的冷卻介質(zhì)帶走；電機(jī)的損耗將全部由冷卻氣體帶走。根據(jù)混合通風(fēng)式電機(jī)的具體散熱方式，建立發(fā)電機(jī)定子各段的等效熱路模型，如圖所示。

　　圖燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)混合通風(fēng)定子等效熱路圖大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)與溫升圖中主要符號(hào)的物理意義如下：各熱源：用損耗表示，其中為定子軛部損耗；為定子齒部損耗；為每段鐵心槽內(nèi)銅耗；為端部損耗或通風(fēng)溝內(nèi)繞組損耗。

　　各溫度：為各段鐵心背部氣體平均溫度；為各段徑向通風(fēng)溝軛部氣體平均溫度；為各段徑向通風(fēng)溝軛部氣體平均溫度；為各段氣隙平均溫度；為各段徑向通風(fēng)溝齒部氣體平均溫度；為各段徑向通風(fēng)溝齒部氣體平均溫度。

　　各熱阻：為定子軛與背部通風(fēng)溝間的熱阻；為定子軛部與徑向通風(fēng)溝間的熱阻而成；為軛齒間傳熱熱阻串聯(lián)而成；為齒部與氣隙間熱阻；為定子齒部與徑向通風(fēng)溝間的熱阻；為定子線圈切向絕緣熱阻；為定子線圈徑向絕緣和槽楔熱阻；為定子槽部線圈與通風(fēng)溝內(nèi)端部線圈間熱阻；為徑向通風(fēng)溝內(nèi)端部線圈對(duì)空氣的熱阻串聯(lián)而成。

　　有限元溫度場計(jì)算模型本文采用有限元法對(duì)大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子三維溫度場進(jìn)行分析與計(jì)算。電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部的三維熱傳導(dǎo)方程為：式中：為溫度，分別為方向的導(dǎo)熱為熱源密度。/01。若發(fā)熱體的邊界面由和兩部分組成，和上的邊界條件分別為：式中：為上給定的溫度；為周圍介質(zhì)的溫度；為表面的散熱系數(shù)。/01。與上述混合邊值問題對(duì)應(yīng)的條件變分問題為：通過離散化處理，可將上述三維溫度場的條件變分問題等效為線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解。

　　計(jì)算實(shí)例紅巖子電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)容量為8.，該機(jī)組由于受燈泡比和結(jié)構(gòu)尺寸的限制，電機(jī)的通風(fēng)與溫升存在較多的問題，主要體現(xiàn)在如何使風(fēng)量分配合理和溫升分布均勻等方面。為此，本文根據(jù)制造廠提供的有關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用上述介紹的三種數(shù)學(xué)模型對(duì)紅巖子電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)、溫升進(jìn)行了全面的分析與計(jì)算。

　　該發(fā)電機(jī)額定電壓為、額定電流為額定功率因數(shù)滯后，具有空氣冷卻器的密閉循環(huán)強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方式，燈泡體內(nèi)為常壓。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了該發(fā)電機(jī)的定子鐵心徑向通風(fēng)溝采用等距分段和不等距分段兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，其示意圖分別如圖和圖所示。本文對(duì)兩種不同的通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，其主要計(jì)算結(jié)果分析如下。

　　定子鐵心采用等距分段和不等距分段對(duì)通風(fēng)的影響經(jīng)風(fēng)路計(jì)算，結(jié)果表明：當(dāng)定子鐵心采用段等距分布時(shí)，氣隙各段冷卻空氣風(fēng)量分配較為均勻；而當(dāng)定子鐵心采用段不等距分布后，氣隙各段冷卻空氣的分配呈現(xiàn)靠下游端各段氣隙中風(fēng)量分配較少，靠上游端各段氣隙中風(fēng)量分配較多。由于燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)下游端是冷卻空氣的進(jìn)入端，冷卻空氣溫度低，冷卻效果好，不需要較多的風(fēng)量；而上游端是冷卻空氣的出端，冷卻空氣溫度高，冷卻效果較差，為了保證一定的散熱效果，就需要較多的風(fēng)量。因而，計(jì)算結(jié)果與理論分析一致。事實(shí)上正是這種不均勻分布，改善了鐵心較長的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻效果。

　　定子鐵心采用等距分段和不等距分段對(duì)發(fā)熱的影響利用等效熱路法，對(duì)定子鐵心徑向通風(fēng)溝采用等距和不等距分段兩種結(jié)構(gòu)，在額定工況和超發(fā)工況下對(duì)發(fā)熱進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。仿真結(jié)果表明，不等距的定子鐵心分段有利于發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻。在相同工況下，采用不等距定子鐵心分段，定轉(zhuǎn)子各部分溫度均低于采用等距鐵心分段的情況。因此，在發(fā)電機(jī)主要尺寸、鐵心段數(shù)和損耗確定后，宜采用不等距的定子鐵心分段結(jié)構(gòu)。圖為兩種不同定子鐵心結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的槽內(nèi)繞組溫度沿軸向分布對(duì)比曲線，表所示為轉(zhuǎn)子溫度的計(jì)算結(jié)果。

　　三維溫度場的有限元分析與計(jì)算根據(jù)等效熱路法的計(jì)算結(jié)果，選取定子槽內(nèi)繞組大電機(jī)技術(shù)圖定子鐵心徑向通風(fēng)溝等距分布圖定子鐵心徑向通風(fēng)溝不等距分布圖兩種不同定子鐵心結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的槽內(nèi)繞組溫度沿軸向分布對(duì)比曲線表轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算結(jié)果比較項(xiàng)目等距鐵心額定工況超發(fā)工況不等距鐵心額定工況超發(fā)工況轉(zhuǎn)子繞組溫度極靴表面溫度阻尼條溫度溫度最熱段，利用有限元法對(duì)三維溫度場進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)一步研究各段各部分溫度分布的情況，采用不等距鐵心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子三維網(wǎng)格剖分如圖，所示，定轉(zhuǎn)子最高溫度計(jì)算結(jié)果如表所示。

　　表用有限元法計(jì)算定子轉(zhuǎn)子最高溫度比較項(xiàng)目額定工況超發(fā)工況定子繞組最高溫度定子鐵心最高溫度轉(zhuǎn)子銅排最高溫度轉(zhuǎn)子極身與極靴最高溫度轉(zhuǎn)子阻尼條最高溫度結(jié)論針對(duì)大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)與發(fā)熱難點(diǎn)問題，本文從風(fēng)路、熱路和有限元三維溫度場三個(gè)方圖，轉(zhuǎn)子三維網(wǎng)格剖分圖面提出了一套完整的分析與計(jì)算方法，并對(duì)提出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了算例驗(yàn)證。通過分析比較，仿真結(jié)果與理論分析一致，進(jìn)一步表明其分析與計(jì)算方法具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。