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基于纵向涡发生器的水轮发电机定子通风系统CFD优化研究

董成举  
【摘要】:近年来水力发电行业不断进步,水力发电需求逐渐增大,我国的水电总装机容量持续增高。水轮发电机作为水力发电过程中的重要设备,其设计和运行也越来越受到重视。水轮发电机运行中的发热问题直接关系到它的运行可靠性与使用寿命,因此通风散热一直是水力发电设备研究的关键问题之一。定子通风系统是水轮发电机通风散热系统的重要组成部分,其结构设计的合理与否以及内部冷却气体流动速度和温度的分布直接关系到水轮发电机的正常运行。本文基于计算流体力学和传热学的基本理论建立了灯泡贯流式水轮发电机定子通风系统多场耦合计算模型,针对水轮发电机定子通风系统的流场和温度场分布及其耦合进行深入研究并通过在定子通风沟内·设置纵向涡发生器改进定子通风系统结构,增强散热效果。本文利用三维造型软件UG建立了定子通风系统模型,通过ICEM CFD对三维模型进行网格划分之后导入流体流动分析软件Fluent中计算分析定子通风系统的流场和温度场,了解系统整体与局部的风速和温度分布以及高温区域的位置,并研究了入口风速对定子通风系统温升的影响。研究表明系统内的最高温度出现在定子线圈,流体部分的高温出现在定子线圈后面的轭部区域。入口风速在一定程度内增大会导致系统温升迅速降低,超过一定范围后入口风速继续增大温升的降低不再明显。本文中基于强化散热理论提出了在定子通风沟中设置纵向涡发生器来改善定子通风系统散热效果的方法,并对纵向涡发生器的设置方案进行介绍,研究了纵向涡发生器增强散热的机理和影响因素包括冲角,高度以及径向安装位置等。本文提出了最高温度降低量和对比阻力系数两个优化设计的标准来进行对比。在定子通风系统中设置纵向涡发生器后其下游区域形成明显的纵向涡增强换热。通过对纵向涡发生器优化因素的分析发现,在定子通风系统齿部中间靠近入口处设置高度为5mm,冲角为45°的纵向涡发生器增强散热效果最佳,系统内部的温度分布相对比较均匀。本文的研究为水轮发电机通风系统特别是定子通风系统的设计提供了一定的参考。


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