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汽轮发电机定子换位线棒的损耗与温升问题研究

边旭  
【摘要】:汽轮发电机是核电站中关键的机电能量转换装置,在我国大力发展安全、高效核电的大背景下,汽轮发电机的设计研发已经成为核电工业发展的重要问题。随着汽轮发电机单机容量的增大,定子线棒的损耗与温升随之增加,为了有效控制其损耗与温升,大容量汽轮发电机的定子线棒常采用编织换位的并绕股线结构,换位方式的合理设计取决于定子线棒在不同换位方式下损耗与温升的准确计算。本文以百万千瓦级核电汽轮发电机为研究对象,对其定子换位线棒的漏磁场、环流损耗、涡流损耗以及温升等问题进行了研究。分别建立了研究定子线棒槽部漏磁场的二维瞬态时步有限元模型以及研究端部漏磁场的三维瞬态时步有限元模型,计算了定子线棒的槽部漏磁场与端部漏磁场;讨论了转子主极磁场对定子线棒槽部漏磁场的影响以及端部结构件对定子线棒端部漏磁场的影响,修正了传统的定子换位线棒损耗的计算方法中关于槽部漏磁场与端部漏磁场的假设。研究了定子换位线棒环流损耗的产生机理,提出了一种可以快速计算不同换位方式下定子线棒环流损耗的计算方法—等效电路网络法。建立了适用于各种换位方式的定子换位线棒的通用等效电路网络模型,提出了以“离散积分”为基本思想的等效电路网络模型中漏电抗参数的计算方法;计算了百万千瓦级核电汽轮发电机定子换位线棒的股线电流以及环流损耗;针对百万千瓦级核电汽轮发电机的定子线棒由四列股线组成的结构特点,提出了能够有效地减小环流损耗的定子换位线棒优化结构。研究了定子换位线棒涡流损耗的产生机理,提出了一种可以考虑股线实际换位结构以及端部漏磁场的定子线棒涡流损耗计算方法—导体细分法。分别建立了定子换位线棒的槽部和端部导体细分模型并提出了求解方法;计算了百万千瓦级核电汽轮发电机定子换位线棒的槽部和端部涡流损耗;讨论了股线换位结构以及导体细分段数对定子换位线棒涡流损耗计算结果的影响。提出了能够考虑股线实际换位结构和实际热源分布的定子温升计算的三维流体—传热耦合网络法。建立了适用于不同定子线棒换位方式的定子三维流体—传热耦合网络模型并提出了求解方法;提出了流体—传热耦合网络模型中热阻参数和热源的计算方法;计算了百万千瓦级核电汽轮发电机的定子全域温度并讨论了是否考虑定子线棒换位结构对定子温度计算结果的影响。采用有限元法对提出的定子换位线棒环流损耗的等效电路网络法、涡流损耗的导体细分法以及温升的流体—传热耦合网络法进行了验证;利用搭建的单槽定子换位线棒的辅助实验测试平台对定子换位线棒损耗的计算方法进行了实验验证。


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