发电机轴径向转子温度场的计算方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种发电机轴径向转子温度场的计算方法。可以用来精确计算大型发电机转子在有轴径向通风结构的温度场，该方法采用合理假设，根据沿转子轴向和径向的通风沟和副槽按不等距和变截面分布方式，将计算模型从三维模型简化成二维模型，大大缩短了计算时间。同时采用等效风路和散热系数相结合的计算方法，可精确计算出大型发电机转子各部件的温度。

Method for calculating temperature field of radial rotor of generator shaft

The embodiment of the invention provides a method for calculating the temperature field of a radial rotor of a generator shaft. Can be used to accurately calculate the large generator rotor temperature field in axial and radial ventilation structure, this method adopts reasonable assumptions, according to the ventilation ditch along the rotor axial and radial and side groove according to unequal and variable cross-section distribution, the simplified calculation model from 3D model into a two-dimensional model, can greatly shorten the calculation time. At the same time, the temperature of each part of the large generator rotor can be accurately calculated by the combination of the equivalent air path and the heat transfer coefficient.

【技术实现步骤摘要】
发电机轴径向转子温度场的计算方法
本专利技术涉及发电机
，尤其涉及一种发电机轴径向转子温度场的计算方法。
技术介绍
随着汽轮发电机单机容量的不断增大和电机经济技术指标的不断提高，对转子绕组温升计算的精确性要求也变得越来越高，对转子绕组温升计算的精确性要求也变得越来越高。转子温升直接关系到汽轮发电机的性能和经济技术指标，并影响汽轮发电机的寿命和运行可靠性，电机内转子整体或局部的温升过高还会导致转子绕组烧毁，从而造成重大经济损失。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种发电机轴径向转子温度场的计算方法，以实现有效地计算发电机转子铁心和绕组温度等温度场。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。一种发电机轴径向转子温度场的计算方法，包括：建立发电机转子直线段部分的稳态温度场求解模型，根据所述发电机转子的实际结构和通风结构确定假设条件，基于所述假设条件确定所述发电机转子直线段部分的稳态温度场求解域的边界条件，得到所述发电机转子稳态热传导方程；建立所述发电机转子通风系统的等效风路模型，采用流体网络计算所述发电机转子轴径向通风沟内气体流速；根据流体相似理论基于所述发电机转子轴径向通风沟内气体流速，计算出所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数，计算出所述发电机转子表面散热系数；将所述发电机转子直线段部分的二维稳态温度场求解模型进行有限元离散运算，将所述有限元离散运算结果带入所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数和所述发电机转子表面散热系数，得到所述发电机轴径向转子温度场。进一步地，所述的建立发电机转子直线段部分的稳态温度场求解模型，根据所述发电机转子的实际结构和通风结构确定假设条件包括：所述发电机转子直线段部分的稳态温度场求解模型包括：转子绕组、转子槽楔、楔下垫条、槽底垫条、副槽、转子径向通风沟和转子铁心；根据所述发电机转子的实际结构和通风结构确定的假设条件如下：1)转子上的各径向通风沟沿转子轴向不等间距分布，转子绕组内气流分布是均匀的，将转子槽部温度场视为二维温度场；2)边界ab是齿的对称轴，把边界ab和ag作为无穷大热阻边界处理；3)在边界cdI，Jef上，4)忽略转字体的表面损耗与转子绕组铜耗。进一步地，所述的基于所述假设条件确定所述发电机转子直线段部分的稳态温度场求解域的边界条件，包括：基于所述假设条件确定的所述发电机转子直线段部分的稳态温度场求解域的边界条件包括：(1)由于齿中心为对称轴，在边界ab上(2)在转子铁心表面边界bc上，有式中，λ1为转子铁心导热系数，T1为转子齿表面温度，Tf1为气隙中空气温度，α1为转子表面散热系数；(3)在边界cdI和Jef上，把边界cdI和Jef作为无穷大热阻边界处理；(4)在边界IJ上，在径向通风沟中绕组与空气存在热交换，式中，λ2、T2分别为绕组的导热系数和表面温度，Tf2为转子绕组径向通风沟空气温度，α2为转子绕组表面散热系数；(5)在边界fg上，副槽与空气之间存在热交换，则式中，λ3、T3分别表示副槽铁心壁面的导热系数和温度，Tf3为副槽内空气温度，α3为副槽铁心壁面散热系数。进一步地，所述的得到转子稳态热传导方程，包括：根据上述假设条件和边界条件，得到所述电机转子直线段部分的二维稳态温度场热传导方程如下：式中，T为温度，kx、ky分别为x、y方向的导热系数，q为热源密度。进一步地，所述的建立所述发电机转子通风系统的等效风路模型，采用流体网络计算所述发电机转子轴径向通风沟内气体流速包括：1)根据所述发电机的轴径两向空冷系统通风结构,建立转子通风系统等效风路图；2)HK为由径向通风沟离心力作用产生的压头，H′ki由相应支路内动压损失所决定；HN为由副槽通风沟的压头，副槽第i段压头为：上述两式中，ρ为流体密度，Vi-1为在副槽第i-1段上气体流速，Si(i＝1,...,nw)为副槽通风沟的截面积，Ql为在标号为第l个径向通风沟内的气体流量；nw表示通风沟的总数；3)径向通风沟流阻Rk和处于2个径向通风沟之间的副槽流阻Ri为：式中，ζWR为径向通风沟进出口阻力系数，ζTR为气体与径向通风沟壁面发生摩擦的阻尼系数，ζTP为气体与副槽壁面产生的摩擦系数，li(i＝1,...,nw)为第i和第i+1个径向通风沟间的距离，Pk、Pi为径向及副槽各风沟冷却周长，Sk、Si为径向及副槽各风沟截面积；4)利用上述式(2)-(4)，确定各径向通风沟内气体流量，再根据伯努利定律，利用等效风路图，列出等效风路图中所描述气体运动的nw个代数方程，第i个径向通风沟流量表示为Qi＝εiQ1(i＝1,...,nw)，从转子端面进入副槽风沟的气体流量为，式中，ΔTR为冷却励磁绕组气体的允许温升，CV为气体比热容，q为损耗，由电磁计算结果得到；第1通风沟内流量为，则第i个径向通风沟内气体流速为，按照以上步骤可以求得各径向风沟内气体流速。进一步地，所述的根据流体相似理论基于所述发电机转子轴径向通风沟内气体流速，计算出所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数，包括：流体呈紊流状态下，转子径向通风沟内流体满足如下准则方程式中，Re为流体的雷诺数，υ为径向通风沟流体的流速，v为流体的粘滞系数，d为流体直径，Nu为流体的努尔系数，λ为流体的导热系数。当流体在径向通风沟和副槽内呈紊流运动时，努谢尔数相似准则方程具有如下形式：式中，Pr(cp)为通风沟内流体平均温度所对应的普朗特数，Pr(cT)为通风沟内壁面温度所对应的普朗特数ε为修正系数，由于在径向通风沟和副槽内流体的物性参数受温度变化的影响很小，故因此上述式(11)写成：将上述式(10)和式(12)联立，得到径向通风沟内流体在紊流状态下的表面散热系数α：或者；采用经验公式计算径向通风沟内流体在紊流状态下的表面散热系数α：式中，Vi表示大型发电机转子径向通风沟内的流速，Si表示第i个径向通风沟所在位置对应的副槽截面积，Pi表示对应于该副槽截面积Si的平均直径。进一步地，所述的计算出所述发电机转子表面散热系数，包括：所述发电机转子表面散热系数转子表面散热系数αδ的计算公式为：式中，υakp为转子圆周速度，υa为通过气隙的气体轴向速度，单位是m/s，αδ为转子表面散热系数。进一步地，所述的将所述发电机转子直线段部分的二维稳态温度场求解模型进行有限元离散运算，将所述有限元离散运算结果带入所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数和所述发电机转子表面散热系数，得到所述发电机轴径向转子温度场，包括：步骤6.1，根据所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数和所述发电机转子表面散热系数，计算得到转子铁心及转子绕组温度；步骤6.2，确定所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数的收敛条件为确定所述发电机转子表面散热系数的收敛条件为确定所述发电机转子绕组温度的收敛条件为：式中：Ts为转子铁心的实测温度值；Tr为对应此处铁心的计算温度值；Tp为转子绕组的实测温度，Tw为对应此处绕组的计算温度，αi为第i个节点的散热系数；αi+1为第i+1个节点的散热系数；ε1、ε2和ε3分别为满足迭代要求的残差；当迭代结果同时满足收敛条件式(16)-(18)时，停止迭代，此时，根据式(1)计算得到所述发电机转子铁心和绕组温度。由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术提出的发电机轴径向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发电机轴径向转子温度场的计算方法，其特征在于，包括：建立发电机转子直线段部分的稳态温度场求解模型，根据所述发电机转子的实际结构和通风结构确定假设条件，基于所述假设条件确定所述发电机转子直线段部分的稳态温度场求解域的边界条件，得到所述发电机转子稳态热传导方程；建立所述发电机转子通风系统的等效风路模型，采用流体网络计算所述发电机转子轴径向通风沟内气体流速；根据流体相似理论基于所述发电机转子轴径向通风沟内气体流速，计算出所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数，计算出所述发电机转子表面散热系数；将所述发电机转子直线段部分的二维稳态温度场求解模型进行有限元离散运算，将所述有限元离散运算结果带入所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数和所述发电机转子表面散热系数，得到所述发电机轴径向转子温度场。

【技术特征摘要】
1.一种发电机轴径向转子温度场的计算方法，其特征在于，包括：建立发电机转子直线段部分的稳态温度场求解模型，根据所述发电机转子的实际结构和通风结构确定假设条件，基于所述假设条件确定所述发电机转子直线段部分的稳态温度场求解域的边界条件，得到所述发电机转子稳态热传导方程；建立所述发电机转子通风系统的等效风路模型，采用流体网络计算所述发电机转子轴径向通风沟内气体流速；根据流体相似理论基于所述发电机转子轴径向通风沟内气体流速，计算出所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数，计算出所述发电机转子表面散热系数；将所述发电机转子直线段部分的二维稳态温度场求解模型进行有限元离散运算，将所述有限元离散运算结果带入所述发电机转子轴径向通风沟表面散热系数和所述发电机转子表面散热系数，得到所述发电机轴径向转子温度场。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的建立发电机转子直线段部分的稳态温度场求解模型，根据所述发电机转子的实际结构和通风结构确定假设条件包括：所述发电机转子直线段部分的稳态温度场求解模型包括：转子绕组、转子槽楔、楔下垫条、槽底垫条、副槽、转子径向通风沟和转子铁心；根据所述发电机转子的实际结构和通风结构确定的假设条件如下：1)转子上的各径向通风沟沿转子轴向不等间距分布，转子绕组内气流分布是均匀的，将转子槽部温度场视为二维温度场；2)边界ab是齿的对称轴，把边界ab和ag作为无穷大热阻边界处理；3)在边界cdI，Jef上，4)忽略转字体的表面损耗与转子绕组铜耗。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的基于所述假设条件确定所述发电机转子直线段部分的稳态温度场求解域的边界条件，包括：基于所述假设条件确定的所述发电机转子直线段部分的稳态温度场求解域的边界条件包括：(1)由于齿中心为对称轴，在边界ab上(2)在转子铁心表面边界bc上，有式中，λ1为转子铁心导热系数，T1为转子齿表面温度，Tf1为气隙中空气温度，α1为转子表面散热系数；(3)在边界cdI和Jef上，把边界cdI和Jef作为无穷大热阻边界处理；(4)在边界IJ上，在径向通风沟中绕组与空气存在热交换，式中，λ2、T2分别为绕组的导热系数和表面温度，Tf2为转子绕组径向通风沟空气温度，α2为转子绕组表面散热系数；(5)在边界fg上，副槽与空气之间存在热交换，则式中，λ3、T3分别表示副槽铁心壁面的导热系数和温度，Tf3为副槽内空气温度，α3为副槽铁心壁面散热系数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的得到转子稳态热传导方程，包括：根据上述假设条件和边界条件，得到所述电机转子直线段部分的二维稳态温度场热传导方程如下：式中，T为温度，kx、ky分别为x、y方向的导热系数，q为热源密度。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的建立所述发电机转子通风系统的等效风路模型，采用流体网络计算所述发电机转子轴径向通风沟内气体流速包括：1)根据所述发电机的轴径两向空冷系统通风结构,建立转子通风系统等效风路图；2)HK为由径向通风沟离心力作用产生的压头，H′ki由相应支路内动压损失所决定；HN为由副槽通风沟的压头，副槽第i段压头为：上述两式中，ρ为流体密度，Vi-1为在副槽第i-1段上气体流速，Si(i＝1,...,nw)为副槽通风沟的截面积，Ql为在标号为第l个径向通风沟内的气体流量；nw表...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟力，王蒲瑞，李金阳，罗应立，李栋，曹君慈，付敏，焦晓霞，张晓晨，李勇，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11