【摘要】：燈泡貫流式水輪發(fā)電機是燈泡貫流式水電站的主體設備，它具有結構尺寸大、電磁負荷高等特點，是目前水電站大中型水輪發(fā)電機的首選。然而，水輪發(fā)電機發(fā)熱一直是影響水輪發(fā)電機組安全運行的一個主要因素，發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)結構的設計是否合理，能否滿足發(fā)電機實際運行的需要，成為要研究和解決的重點問題之一。 本文基于流體力學與傳熱學的基本理論，針對流場和溫度場多場共同作用下的燈泡貫流式水輪發(fā)電機通風結構開展了理論研究工作。通過對燈泡貫流式水輪發(fā)電機軸徑向通風結構在冷卻介質是空氣的情況下的溫度場和流場，進行了全三維數(shù)值模擬及分析，研究了傳統(tǒng)結構下的各場量分布情況以及耦合相關性。并探究了發(fā)電機轉子支架軸徑向安放角對流場和溫度場的影響，以及發(fā)電機轉子支架安放位置的變化對發(fā)電機軸功率的影響，揭示了轉子支架軸徑向安放角變化，冷卻氣體流量變化時定子和轉子及鐵心和繞組上的溫度分布特性。 通過對傳統(tǒng)結構燈泡貫流式水輪發(fā)電機軸徑向通風結構的數(shù)值計算結果與實際運行機組測點數(shù)據的比較表明，采用熱場（溫度場）、流場之間相互耦合的數(shù)值計算方法所得結果是可靠的。同時研究結果也揭示了傳統(tǒng)設計軸徑向通風冷卻結構在定子及繞組之間通風孔間隙處存在有明顯局部高溫的原因。 本文提出了發(fā)電機轉子支架軸徑向安放角的概念，利用風機的設計方法，采用基于渦流理論、葉素理論的Wilson方法對傳統(tǒng)發(fā)電機轉子支架進行了重新設計，并以MATLAB語言為工具編寫葉片設計的計算程序；為便于葉片加工制造，又對葉片徑向安放角與軸向安放角進行修正，，輸出各參數(shù)的計算結果。 通過對葉片徑向安放角與軸向安放角的單相匹配的數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，當葉片軸向安放角=0時，隨著徑向安放角的增加發(fā)電機內部最高溫度有所下降，但數(shù)值較小；當葉片徑向安放角=0時，隨著軸向安放角增加，發(fā)電機內部最高溫度有所下降，較僅僅改變徑向安放角時下降的數(shù)值有所增加，但整體的溫度下降仍然不夠明顯。 通過對葉片徑向安放角與軸向安放角的雙向匹配的數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，在不采用風機強制通風時軸徑向支架安放角=6，=6°時通風冷卻結構的流場流動更為順暢、流場分布更加合理，冷卻介質的軸向流速和徑向速度有最佳匹配值。發(fā)電機轉子在相同轉速下，優(yōu)化后徑向通風結構使得定子及周圍流體所傳遞與輻射的能量有所減小，最終使得溫度場內最高溫度與高溫區(qū)域均有所減小，最高溫度較傳統(tǒng)結構在通風量相同時降低約15℃-18℃，冷卻效果明顯；而葉片優(yōu)化設計后，發(fā)電機軸功率的消耗不超過1‰。 通過對最優(yōu)轉子支架軸徑向安放角組合方案，非定常模式下多場耦合的研究，更加深入揭示了發(fā)電機內部流場壓力、溫度場及轉子軸功率的時域特性。從各個監(jiān)測點上參數(shù)變化規(guī)律，再一次驗證了添加軸徑向安放角要比傳統(tǒng)無安放角通風結構的冷卻效果要好，這種后彎式通風支架結構更有利于冷卻空氣在軸向和徑向的流動，在保證水輪發(fā)電機正常運行情況下能減少風機的使用數(shù)量；由軸功率和支架監(jiān)測點的振動特性可知，優(yōu)化后的結構對支架材料并未提出更高要求，更符合通風結構的使用。
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【學位授予單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM312

【引證文獻】

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1 姜志鵬;干式空心電抗器我物理場分析及應用研究[D];武漢大學;2014年

本文編號：2463637