汽轮发电机定子流体和温度场的耦合计算

华北电力大学（保定）

硕士学位论文

汽轮发电机定子流体和温度场的耦合计算

姓名：符建民

申请学位级别：硕士

专业：电气工程；电机与电器

指导教师：李俊卿

2011-03

摘 要

摘 要

大型发电机作为电网的重要设备，是电能的直接生产者。汽轮发电机容量的

提高则会导致绕组铜损耗的增加，从而使得绕组温度升高，为了将电机温升控制

在容许范围内，必须采用更有效的冷却技术。提高冷却介质流量分布及温升计算

的准确性，可以准确的预测汽轮发电机各部分温升，将其控制在允许范围内，保

证电机安全可靠的运行。因此，汽轮发电机通风及发热耦合计算研究就成为越来

越重要的研究课题。

水路堵塞故障是水氢氢冷却汽轮发电机中常见的故障之一，掌握其温度变化

规律有利于及早发现水路堵塞故障。由于水氢氢冷却汽轮发电机的定子铁心采用

多路通风系统进行冷却，定子绕组采用通水冷却，其热传递过程比较复杂。鉴于

此，根据大型汽轮发电机冷却系统内流体流动和传热的特点，建立了汽轮发电机

定子三维流体场与温度场的物理模型和数学模型，并给出求解域的相应的边界条

件及假设条件。通过计算汽轮发电机的二维电磁场，得到定子铁心损耗的分布，

进而采用有限体积法对定子半个轴长的三维流体场和温度场进行耦合计算。采用

上述物理场的耦合模型，研究了定子线棒空心股线在不同堵塞故障下定子中的温

度分布规律。最后，以220MW水氢氢汽轮发电机为例进行了计算，将计算结果

与实测值进行了比较分析，证明该方法的准确性。本文所得到的结论可用于大型

汽轮发电机的设计和热故障分析。

关键词：汽轮发电机；流体场；电磁场；温度场；耦合场

Abstract

Abstract

As an important installation of the power grid, the large generators are the direct

producer of electrical energy. Improvement of the capacity of turbogenerator will

result in the increase of copper loss of the winding bar and thus the rising of the

winding’s temperature. In order to keep the temperature rise within the allowable

range, more efficient cooling technology must be adopted. Enhancing accuracy of the

calculation about the flow distribution of the cooling medium and temperature rise

can forecast precisely the temperature rise of the turbogenerator’s various parts. The

temperature rise can be controlled within a permitted scope to ensure the safe and

reliable operation of the generator. Therefore, the research on the turbogenerator’s

ventilation and heating coupling has become more important.

The waterway blockage is one of the common malfunctions of the

water-hydrogen-hydrogen turbogenerator, so it is easy to detect the fault at an early

date when the regulation of the temperature variation is grasped. The heat-transfer

process of the water-hydrogen-hydrogen turbogenerator is comparatively complex

because its stator core is cooled by the multipath ventilation system and its stator

winding is cooled by cooling-water. Thus, the mathematicaland physical models for

the 3-D fluid field and temperature field of turbogenerator is established according to

the characteristics of the fluid flowing and heat transfer within the cooling system of

the large turbogenerator. Meanwhile, the corresponding boundary conditions under

some assumptions were given. Through the calculation of 2-D electromagnetic field

of the generator, the loss distribution of the stator core can be obtained, and then the

coupling calculation of the three-dimensional fluid field and temperature field of the

stator’s half of the axial length can be carried out by adopting the finite volume

method. By using the coupling model in the physical field, the research has been done

about the temperature distribution law when the hollow strands of the stator bars are

under different blockage malfunctions. Finally, a 220 MW water-hydrogen-hydrogen

turbogenerator is taken as an test example, theoretical approach together with

measured values confirms the validity of the proposed method. The conclusion in this

paper can be used for the design and thermal failure analysis of the large

turbogenerator.

Keywords: turbogenerator； fluid field； electromagnetic field； temperature field；

coupled field

华北电力大学硕士学位论文原创性声明

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的耦合计算》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。

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《汽轮发电机定子流体和温度场的耦合计算》系本人在华北电力大学攻读

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

随着改革开放的深入，经济持续快速的发展，电力系统正朝着超高压、大容

量、多机互联系统的方向发展。200MW、300MW及以上容量的大型发电机已成

为我国电网的主力机组。截至2009年底，全国电力装机容量累计达8.74亿千瓦，

其中，火电装机容量达6.52亿千瓦，占装机总容量的74.6%；水电装机达1.97

亿千瓦，占总容量的22.51%；核电建设步伐进一步加快，到2009年年底在建施

工规模达2305万千瓦；风电并网总容量1613万千瓦。预计2010年年底，全国< …… 此处隐藏：11255字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……