空冷汽轮发电机旋转流PIV实验研究及流道结构反演

随空冷汽轮发电机单机容量不断增大，绕组的局部温升相对较高，威胁电机的安全运行，旋转条件下多风路冷却流道中的湍流流动特征、流量分布及流场与温度场间的相互影响研究成为大型空冷汽轮发电机及其类似设备中的基本科学问题。本课题主要对大型空冷汽轮发电机气隙中的旋转流动微观机理进行实验研究，并反演气隙、转子的几何结构，达到改善流量分布、增强冷却效果，使转子温升较均匀的目的。采用局部PIV实验与CFD模拟相结合的方法，研究气隙中微观流场分布特性，即气隙进入的空气与转子槽楔各出风孔高速射出的空气相互掺混、相互影响机理，及内部涡流形成发展过程；研究结构参数对气隙微观流场的影响；探索气隙流场与转子各支路的流道内风量分布及与温度场间的相互影响规律，研究温度分布均匀与流量分布均匀的关系。为更大容量的空冷汽轮发电机转子及气隙通风冷却优化设计提供理论基础。

随空冷汽轮发电机单机容量不断增大，绕组的局部温升相对较高，威胁电机的安全运行，旋转条件下多风路冷却流道中的湍流流动特征、流量分布及流场与温度场间的相互影响研究成为大型空冷汽轮发电机及其类似设备中的基本科学问题。考虑封闭的实验台流场多测点布置及测量较难，建立了定子多风路大型空冷汽轮发电机开式风速测量实验台，测量了风路末端，靠近定子出风区的风沟出口等位置的风速分布，得到定子各风沟中的风量分布规律曲线，并与相应位置的风速数值模拟结果对比，研究了湍流模型变化时数值模拟结果与实验结果的差别，发现数值模拟结果数值偏低，实际电机中冷却风量比数值模拟值大，电机设计偏于安全。标准Rea K-ε 两方程模型风速计算结果与实验测得曲线分布规律较接近。推荐空冷汽轮发电机内部流场数值模拟采用Rea K-ε 湍流模型进行数值计算。为理论结合实际，采用数值模拟方法，反演风道几何结构变化对旋转流场、温度场分布特点，达到改善流量分布、增强冷却效果，使转子温升较均匀的目的。通过研究得出端部风口布置方式对温度场的整体分布影响显著。端部风口布置个数及位置对冷却空气及绕组温度分布影响非常显著，既可调节峰值温度数值大小，又影响峰值温度所在位置；副槽段沿轴向及半径增大方向，各径向风沟内相同位置处的表面传热系数逐渐变小；当电机转子峰值温度位于中心对称面处时，不宜采用斜槽布置；同理，当电机转子峰值温度位于中心对称面处时，不宜采用斜槽布置；同理，中心对称面附近槽楔出风孔口径变小的方案也不宜采用。转子轴径向段槽楔出风口的静压急剧变化，副槽段各出风口的压力是上下波动的，不是常数。该结论指出了以往研究结论的误区。为更大容量的空冷汽轮发电机转子及气隙通风冷却优化设计提供理论基础。