刘传杰

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)



50 MW空冷发电机通风温升计算及风路优化

刘传杰

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

对50 MW小型空冷发电机定子和转子通风结构进行了简要介绍，并对该通风型式下定子线圈RTD温度、定子线圈热点温度、定子铁心热点温度、转子平均温度、转子热点温度进行了计算分析。在原方案基础上，通过对定、转子通风结构进行多方案的比较计算，从中得出了温升较低且分布较为均匀的优化方案。

定子线圈RTD温度；定子线圈热点温度；定子铁心热点温度；转子平均温度；转子热点温度

0　引言

目前，小容量空冷发电机越来越多的被用于生物质发电、太阳能发电、热电联产、自备电厂等项目。之前，市场对小型发电机产品的考量较为注重产品性能，现在的市场不仅对发电机性能有要求，而且对产品的价格给予更多关注。只有成本低、体积小、性能优良的产品才能在市场竞争中占据绝对优势。

为了进一步降低发电机成本，需要对现有发电机进行整体方案的优化设计，力求进一步缩小体积，减轻质量，提升产品性能。由于产品体积的缩小，电负荷和磁负荷往往选取的比较高，此时，需要对电机通风和温升进行仔细的分析计算，以期选择更为合理的风路结构及电磁负荷，既能满足产品散热要求，又方便加工制造，省工、省时。

本文针对50 MW发电机产品进行通风温升计算、分析，在此基础上进行优化设计。

1　发电机通风系统设计

1.1通风系统概述

对于用空气作为一次介质进行冷却的小型发电机来说，其冷却方式主要有两种，一种为定、转子均为表面冷却，另一种为定子采用表面冷却，转子采用空内冷结构。就冷却效果而言，由于增加了散热面积，转子空内冷结构的发电机较表冷结构的发电机，冷却效果大大增强。在产品设计时，根据发电机容量、加工成本、制造能力等因素选择较为合适的冷却方式，可以达到最优化设计的目的。

本文所研究50 MW空冷发电机为了缩小电机体积，采用了定子表冷，转子空内冷的冷却方式，其通风系统风路示意图如图1所示。定子铁心采用径向通风结构，沿轴向，出风区和进风区依次排布。转子加工有副槽，转子线圈上开有径向通风孔。

图1　发电机风路示意图

1.1.1定子风路设计

根据现有产品结构及经验， 50 MW发电机定子内风路采用一进两出风路，定子风区分为3个风区，中间为进风区，两侧为出风区，机座上焊接有通风管道。冷风从端部经铁心背部通风管流入中间进风区。定子径向风道共有48个，沿轴向排布。定子结构图见图2。

图2　发电机定子结构图

1.1.2转子风路设计

转子的通风冷却方式为：转子本体线圈采用副槽通风径向冷却系统，转子端部线圈采用间接冷却。这种通风系统的优点是槽楔加工方便，铜线的冲制、定位较简单；转子表面风摩损耗小；不需要高压风扇；转子的冷却气体直接来自风扇而不经过定子加热，冷却效果好；转子线圈温升均匀。

转子线圈本体部分及端部通风冷却系统分别如图1和图3所示。

图3　转子端部通风示意图

冷却空气经风扇进入护环下和副槽内。进入护环下的冷风，流经端部线圈表面，将端部线圈的热量带走，热风从大、小齿上出风口流出，进入气隙。进入本体的冷风从线圈上的通风孔沿径向进入气隙，直接冷却转子绕组。

2　原方案定转子通风和温升计算

以定子轴向中心线为界，在原方案中，定子半个中部进风区风道数设为7，则一侧出风区风道数为17。按照定子通风计算程序，将一侧出风区又分为端部出风区和中间出风区(进风区的风进入气隙后由中间出风区流出)，端部出风区风道数为11，中间出风区风道数为6。

转子线圈槽内部分沿径向开通风孔，中心孔的排布轴向对称，整个轴向共有2×23个通风孔，详见图4。转子副槽采用斜副槽，端部副槽高度为36，轴向中心部位副槽高度为16。

图4　沿轴向半个转子线圈径向通风孔的布置(等节距)

利用定转子通风温升计算程序，对原方案定转子温升进行计算，结果如表1。

表1　原方案定转子通风温升计算结果　℃

3　定子铁心各进、出风区风道数的优化

为了降低定子线圈的热点温度，并进一步改善各出风区温度分布的均匀性，对风道的布置进行了多方案的优化计算。定子风道优化布置及通风温升计算结果见表2。

表2　定子风道优化及温升统计表

结合上表来看，综合考虑出风区温度的均匀性和定子线圈的温升，定子铁心风道的分布推荐采用优化方案aa-3，即：出风区共19个风道，半个进风区5个风道。此时定子线圈RTD温度为107.6 ℃(比原方案降低2.1 K)，定子线圈热点温度为120.3 ℃(比原方案降低2.6 K)，定子铁心热点温度为100 ℃(比原方案降低1.9 K)，该方案的定子线圈RTD温度和定子铁心热点温度都最低，是最优的选择。

4　转子副槽的优化

从通风设计角度，选取直副槽、不同斜率的斜副槽等几种副槽类型，进行分析比较。为了保持转子铜耗不变，转子嵌线槽高度不变，副槽平均高度不变，仅仅改变副槽的斜率，比较分析副槽斜率大小对转子本体线圈轴向温度分布的影响。计算方案说明详见表3，线圈轴向温度分布如图5所示。

表3　各计算方案的副槽尺寸　mm

图5　转子本体轴向温度分布

由分析计算结果可知：

1) 斜副槽结构与直副槽结构相比，一方面可降低副槽入口处的气流速度，另一方面可降低压力损失，平衡副槽内气体静压分布，均衡各径向风孔的流量分布，使得转子线圈沿轴向的温度分布更加均匀。

2) 随着副槽斜率的降低，转子线圈径向风道的流量不断降低，转子线圈的温度不断升高。方案a-1转子线圈平均温度最低，为99.6 ℃；方案a-2转子线圈平均温度为100.7 ℃；采用直副槽时，转子线圈平均温度增加至105.7 ℃。

综合来看，转子副槽宜采用斜副槽结构。在4种斜副槽方案中，a-1方案由于转子平均温度最低，所以为优选方案。

5　转子线圈通风孔排布分析

为了进一步均衡转子线圈各径向风孔的流量分布，对径向风孔的尺寸、节距进行多种方案的计算比较分析。

转子线圈径向风孔的布置可以从以下两个方面来考虑：

1) 在保证转子线圈满足温升限值的前提下，尽可能的使得转子线圈沿轴向的温度分布均匀；

2) 尽可能的简化结构，便于加工、制造。

图6给出的径向风孔采用疏密布置，转子线圈槽内部分每槽27个双排风孔，转子中心线有孔。两种方案转子线圈温度分布如图7所示。

图6　沿轴向半个转子线圈径向通风孔的布置(变节距)

由分析计算结果可知：

由于转子采用斜副槽，径向风孔采用等节距布置时，线圈温度较为均匀，转子平均温度为(100.7 ℃)，最热点温度124.4 ℃，余量比较大。

转子线圈径向风孔采用变节距疏密布置时，转子线圈平均温度为98.3 ℃，最热点温度为122.7 ℃，与等节距布置差别不大。但通风损耗增加、加工成本增加。

综合来看，转子线圈径向风孔推荐采用等节距布置，即原方案为最优方案。

6　结语

电机的风路结构是否合理决定了电机散热效果的好坏，风路设计合理，则电机散热效果良好，温升分布均匀，电机体积在满足电、磁及机械要求的前提下，能够做的尽量小。

针对50 MW小型空冷汽轮发电机定、转子进行了通风温升计算，在多方案对比的基础上提出了优化方案。通过多方案的比较，对该结构类型发电机通风冷却优化方向有了初步的预判，为后期空冷发电机产品的开发提供了参考。