本發(fā)明涉及汽輪發(fā)電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種空冷汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部的散熱系數(shù)的計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
：大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，定子繞組和鐵心溫度的高低是設(shè)計(jì)制造與運(yùn)行部門所特別關(guān)心的。因此，工程界和科學(xué)界提出很多針對(duì)空冷汽輪發(fā)電機(jī)理論與方法方面的研究工作。計(jì)算汽輪發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)時(shí)，齒頂?shù)纳嵯禂?shù)和軛背部散熱系數(shù)對(duì)電機(jī)定子的溫升影響較大，而氣隙的空氣流動(dòng)和傳熱是在非常復(fù)雜的情況下進(jìn)行的。汽輪發(fā)電機(jī)齒頂?shù)纳嵯禂?shù)根據(jù)流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合的解析法給出，軛背部散熱系數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)給定。由于定子徑向通風(fēng)溝入風(fēng)口和齒頂受氣隙空氣流動(dòng)和傳熱的影響，風(fēng)向會(huì)出現(xiàn)突變，產(chǎn)生紊流現(xiàn)象；定子徑向通風(fēng)溝的出風(fēng)口受軛背和機(jī)殼的影響，其流向是沒(méi)有規(guī)律的。目前，在空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)研究工作中，通常采用典型的分析方法是熱路方法、熱傳導(dǎo)方程加散熱邊界條件或流固耦合數(shù)學(xué)模型加散熱邊界條件，這些方法在計(jì)算空冷發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)中，齒部或軛背部表面散熱系數(shù)都是人為給定的或依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給定的，或多或少使計(jì)算模型不夠準(zhǔn)確，進(jìn)而影響計(jì)算精度，并對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此，如何準(zhǔn)確地求解出汽輪發(fā)電機(jī)齒頂?shù)凝X頂和軛背部的散熱系數(shù)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種空冷汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部的散熱系數(shù)的計(jì)算方法，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地計(jì)算出空冷汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部的散熱系數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。一種空冷汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部的散熱系數(shù)的計(jì)算方法，包括：根據(jù)空冷汽輪發(fā)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)實(shí)體模型，對(duì)所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立對(duì)應(yīng)于所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)實(shí)體模型的發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型；建立所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子上下層不等股繞組的附加銅耗表達(dá)式，根據(jù)所述附加銅耗表達(dá)式，并基于電磁場(chǎng)理論方法計(jì)算出所述空冷氣輪發(fā)電機(jī)上下層不等股繞組的定子銅耗、鐵耗以及附加損耗；基于所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子入口風(fēng)量和風(fēng)溫，通過(guò)求解轉(zhuǎn)子三維溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)耦合方程，計(jì)算出轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)溫和風(fēng)速，或通過(guò)求解轉(zhuǎn)子三維流體場(chǎng)，得出轉(zhuǎn)子出口風(fēng)速，再利用解析法計(jì)算出轉(zhuǎn)子出口風(fēng)溫，將轉(zhuǎn)子圓周速度和所述轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)速合成，得出所述空冷氣輪發(fā)電機(jī)的施加定子的入口邊界條件；將根據(jù)所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)上下層不等股繞組的定子銅耗、鐵耗以及附加損耗計(jì)算出的熱密加到定子繞組相應(yīng)部位，將所述空冷氣輪發(fā)電機(jī)施加的定子入口邊界條件加到氣隙中心切面部分，對(duì)所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型設(shè)置材料、邊界條件，利用所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)流固耦合溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算，得到所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部的散熱系數(shù)。進(jìn)一步地，所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型包括定子鐵芯、定子齒、定子股線、股線絕緣、定子主絕緣、層間絕緣、定子槽楔、槽楔絕緣、通風(fēng)溝、氣隙和軛背；進(jìn)一步地，所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型模擬湍流方程，滿足下述式1～3：質(zhì)量守恒方程：▽(ρvr)＝0(1)動(dòng)量守恒方程：▿(ρvr2)+ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)=-▿p+▿τ+F---(2)]]>能量守恒方程：∂(ρT)∂t+div(ρvT)=div(λcgradT)+Sr---(3)]]>其中，ρ為密度；vr為相對(duì)速度矢量；r為轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中的微元體的位置矢量；p為作用于空氣微元體上的靜壓力；τ為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用于微元體表面的粘性應(yīng)力；ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)為科里奧里力；F為微元體上的體積力；T為溫度；v為絕對(duì)速度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；c為定壓比熱；Sr為單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與c的比值；所述標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型模擬湍流方程如下：∂(ρk)∂t+div(ρkV)=div[(u+utσk)gradk]+Gk-ρϵ∂(ρϵ)∂t+div(ρVϵ)=div[(u+utσϵ)gradϵ]+GIϵϵkGk-G2ϵρϵ2k---(4)]]>式中：k為湍流動(dòng)能；ε為擴(kuò)散因子；ρ為流體密度；V為流體的速度矢量；t為時(shí)間；Gk為紊流產(chǎn)生率；ut為紊流粘性系數(shù)；G1ε、G2ε為常量；σk和σε為紊流普朗克常數(shù)。進(jìn)一步地，所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)采用流固耦合方法計(jì)算，所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)的傳熱方程為：∂∂x(λx∂T∂x)+∂∂y(λy∂T∂y)+∂∂z(λz∂T∂z)=-qV(x,y,z)∈Ω---(5)]]>式中，λx、λy、λz分別是不同方向上的傳熱系數(shù)；qV為內(nèi)部熱源密度。進(jìn)一步地，所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)的邊界條件如下：S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8為絕熱面，滿足式中，T是物體的溫度，n是邊界法向量；S9、S10為進(jìn)出口邊界條件，滿足入口速度和出口壓力給定條件，入口速度條件通過(guò)轉(zhuǎn)子出風(fēng)口的速度和風(fēng)溫計(jì)算得出，出口壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。進(jìn)一步地，所述的建立所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子上下層不等股繞組的附加銅耗表達(dá)式，根據(jù)所述附加銅耗表達(dá)式，并基于電磁場(chǎng)理論方法計(jì)算出所述空冷氣輪發(fā)電機(jī)上下層不等股繞組的定子銅耗、鐵耗以及附加損耗，包括：設(shè)所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)的上、下層股線數(shù)分別為m+x和m-x根，則上層股線的菲爾德系數(shù)為:ξ＝αa(8)其中，a為導(dǎo)線高度，為電磁波透入深度，并且當(dāng)股線高度較小，股線的相對(duì)高度ξ在0-1之間時(shí)，其中，I1為第P根股線下面全部P-1股線的總電流；ip為從槽底開(kāi)始數(shù)第P根股線的電流，且上下層股線電流表示為：ip=icmm+xih=icmm-x---(10)]]>式中ic為上下層股線數(shù)相同情況下股線中的電流，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到：I1=ip(m+x)+ip[(P-1)-(m-x)]I1=ip(2x+P-1)---(11)]]>I12+I1ipip2=2x(2x-1)+4xP+P2-P---(12)]]>下層繞組推導(dǎo)公式為：I1＝ih(P-1)(13)I12+I1ihih2=(P-1)P---(14)]]>計(jì)算出上下層股線的菲爾德系數(shù)，根據(jù)所述上下層股線的菲爾德系數(shù)計(jì)算出銅耗，基于電磁場(chǎng)理論方法計(jì)算出軛部和齒部的鐵耗，所述鐵耗包括基本鐵耗和附加鐵耗；計(jì)算出定子各部件的基本損耗具體包括以下三項(xiàng)：三相定子繞組中基本銅損，定子鐵芯軛的鐵損耗，定子齒的鐵損耗；計(jì)算出定子各部件的諧波損耗具體包括以下三項(xiàng)：轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)高次諧波在定子表面產(chǎn)生的損耗，轉(zhuǎn)子齒諧波在定子表面產(chǎn)生的損耗，轉(zhuǎn)子齒諧波在定子齒中產(chǎn)生的脈動(dòng)損耗。進(jìn)一步地，所述的基于所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子入口風(fēng)量和風(fēng)溫，通過(guò)求解轉(zhuǎn)子三維溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)耦合方程，計(jì)算出轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)溫和風(fēng)速，包括：已知轉(zhuǎn)子入口風(fēng)量和風(fēng)溫，采用流固耦合方法對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行求解，使用k-ε模型模擬湍流方程，計(jì)算出轉(zhuǎn)子出風(fēng)口的風(fēng)速和風(fēng)溫，轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)溫即為定子入風(fēng)口風(fēng)溫；質(zhì)量守恒方程：▽(ρvr)＝0(15)動(dòng)量守恒方程：▿(ρvr2)+ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)=-▿p+▿τ+F---(16)]]>能量守恒方程：∂(ρT)∂t+div(ρvT)=div(λcgradT)+Sr---(17)]]>其中，ρ為密度；vr為相對(duì)速度矢量；r為轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中的微元體的位置矢量；p為作用于空氣微元體上的靜壓力；τ為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用于微元體表面的粘性應(yīng)力；ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)為科里奧里(Coriolis)力；F為微元體上的體積力；T為溫度；v為絕對(duì)速度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；c為定壓比熱；Sr為單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與c的比值；標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬湍流方程：∂(ρk)∂t+div(ρkV)=div[(u+utσk)gradk]+Gk-ρϵ∂(ρϵ)∂t+div(ρVϵ)=div[(u+utσϵ)gradϵ]+GIϵϵkGk-G2ϵρϵ2k---(18)]]>式中：k為湍流動(dòng)能；ε為擴(kuò)散因子；ρ為流體密度；V為流體的速度矢量；t為時(shí)間；Gk為紊流產(chǎn)生率；ut為紊流粘性系數(shù)；G1ε、G2ε為常量；σk和σε為紊流普朗克常數(shù)；采用流固耦合計(jì)算熱傳導(dǎo)方程得到轉(zhuǎn)子的出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)溫：∂∂x(λx∂T∂x)+∂∂y(λy∂T∂y)+∂∂z(λz∂T∂z)=-qV(x,y,z)∈Ω---(19)]]>式中，λx、λy、λz分別是不同方向上的傳熱系數(shù)；qV為內(nèi)部熱源密度。進(jìn)一步地，所述的將轉(zhuǎn)子圓周速度和所述轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)速合成，得出所述空冷氣輪發(fā)電機(jī)的施加定子的入口邊界條件，包括：(1)轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸的接觸處做絕熱處理，即：-λi∂tw∂n=0;---(20)]]>(2)根據(jù)空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子總空氣流量m＝10m3/s，在空氣流量均勻分布于轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝風(fēng)道內(nèi)的假設(shè)下，相對(duì)入口速度為ur＝4m/s；轉(zhuǎn)子進(jìn)風(fēng)口風(fēng)溫為55.9℃；(3)轉(zhuǎn)子兩側(cè)為周期性邊界；(4)轉(zhuǎn)子外表面為耦合對(duì)流邊界，即-λi∂tw∂n=h(tw-tf‾)---(21)]]>式中：為空氣出口的平均溫度，經(jīng)多次迭代計(jì)算獲得；λi為固體壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)不同導(dǎo)熱材料分別賦值。(5)轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝出口設(shè)置為出口流動(dòng)邊界條件；(6)在空氣通道內(nèi)，空氣和壁面的接觸面為副槽鐵芯、徑向通風(fēng)溝、墊條槽楔等，所有內(nèi)部流體與壁面交界處均采用耦合對(duì)流邊界，其中對(duì)流換熱系數(shù)由下述換熱微分方程求得：-λi∂tw∂n=h(tw-tf)---(22).]]>進(jìn)一步地，所述通過(guò)求解轉(zhuǎn)子三維流體場(chǎng)，得出轉(zhuǎn)子出口風(fēng)速，包括：已知轉(zhuǎn)子入口風(fēng)量，通過(guò)轉(zhuǎn)子流體場(chǎng)求解域，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型模擬湍流方程，計(jì)算出轉(zhuǎn)子出風(fēng)口的風(fēng)速，滿足如下方程：質(zhì)量守恒方程：▽(ρvr)＝0(23)動(dòng)量守恒方程：▿(ρvr2)+ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)=-▿p+▿τ+F---(24)]]>其中，ρ為密度；vr為相對(duì)速度矢量；r為轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中的微元體的位置矢量；p為作用于空氣微元體上的靜壓力；τ為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用于微元體表面的粘性應(yīng)力；ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)為科里奧里(Coriolis)力；F為微元體上的體積力；標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬湍流方程：∂(ρk)∂t+div(ρkV)=div[(u+utσk)gradk]+Gk-ρϵ∂(ρϵ)∂t+div(ρVϵ)=div[(u+utσϵ)gradϵ]+GIϵϵkGk-G2ϵρϵ2k---(25)]]>式中：k為湍流動(dòng)能；ε為擴(kuò)散因子；ρ為流體密度；V為流體的速度矢量；t為時(shí)間；Gk為紊流產(chǎn)生率；ut為紊流粘性系數(shù)；G1ε、G2ε為常量；σk和σε為紊流普朗克常數(shù)。進(jìn)一步地，計(jì)算轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)速的邊界條件如下：(1)在空氣流量均勻分布于轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝風(fēng)道內(nèi)的假設(shè)下，相對(duì)入口速度為ur＝4m/s；(2)轉(zhuǎn)子兩側(cè)為周期性邊界；(3)轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝出口設(shè)置為出口流動(dòng)邊界條件；進(jìn)一步地，所述定子入風(fēng)口邊界的溫度采用下面的方法計(jì)算：已知副槽通風(fēng)溝總流量Q,某一風(fēng)溝內(nèi)的空氣流量為qs：qs＝Q/(Zr·Zm)(26)其中，Zr為轉(zhuǎn)子副槽數(shù)，Zm為每副槽通風(fēng)溝數(shù)；經(jīng)風(fēng)溝兩側(cè)鐵單元加熱后空氣吸收的熱量為∑P，熱量為轉(zhuǎn)子損耗，轉(zhuǎn)子損耗分為勵(lì)磁損耗和附加損耗，不考慮延長(zhǎng)阻尼和局部阻尼；則空氣溫升為ΔT為ΔT=ΣPqsραCpα---(27)]]>由此，得出轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝的溫差，已知轉(zhuǎn)子入風(fēng)口溫度，計(jì)算出定子入風(fēng)口施加溫度；定子施加入口風(fēng)速計(jì)算公式如下：v=vakp2+va2---(28)]]>vakp為轉(zhuǎn)子圓周速度即角速度；va為計(jì)算出的轉(zhuǎn)子出風(fēng)口的風(fēng)速；v即所求定子入風(fēng)口風(fēng)速。由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的求解大型電機(jī)定子齒部和軛背部表面散熱系數(shù)的方法，利用有限元方法，通過(guò)取邊界的不同，給出了求取齒頂和軛背的直接計(jì)算方法；該新方法通過(guò)有限元直接計(jì)算，可更準(zhǔn)確地計(jì)算出齒頂和軛背部的散熱系數(shù)；提高了對(duì)大型電機(jī)定子溫升計(jì)算的精度，并且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部散熱系數(shù)確定流程圖圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種空冷汽輪發(fā)電機(jī)三維定子溫度場(chǎng)計(jì)算模型；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種入口邊界條件計(jì)算流程圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種新的空冷汽輪發(fā)電機(jī)三維定子溫度場(chǎng)計(jì)算模型邊界圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種定子不等股繞組矩形開(kāi)口槽內(nèi)集膚效應(yīng)解析計(jì)算示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子流體場(chǎng)模型邊界圖。具體實(shí)施方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。本
技術(shù)領(lǐng)域：
技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時(shí)，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無(wú)線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個(gè)或更多個(gè)相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)的任一單元和全部組合。本
技術(shù)領(lǐng)域：
技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。為便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個(gè)具體實(shí)施例為例做進(jìn)一步的解釋說(shuō)明，且各個(gè)實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。本發(fā)明提出了一種空冷汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部的散熱系數(shù)的求解方法，該方法主要是給出全新求解域計(jì)算模型，其中也包括新的邊界條件的確定方法，該方法通過(guò)考慮轉(zhuǎn)子通風(fēng)效應(yīng)，計(jì)算出定子齒表面和軛背部的表面散熱系數(shù)，避免計(jì)算失真和電機(jī)全流場(chǎng)計(jì)算的復(fù)雜性、時(shí)間長(zhǎng)及不容易收斂等不足。同時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子求解域范圍大，因此只計(jì)算其流體場(chǎng)，出風(fēng)口溫度采用解析法計(jì)算得出。而且，無(wú)論采用全流場(chǎng)耦合或只計(jì)算轉(zhuǎn)子流體場(chǎng)，其軛背部的散熱系數(shù)難以確定，采用這種新的計(jì)算模型，為空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)理論計(jì)算提供新的思路。該實(shí)施例提供了一種空冷氣輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部的散熱系數(shù)的計(jì)算方法的處理流程如圖1所示，包括如下的處理步驟：步驟S110:根據(jù)發(fā)電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立新的發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)實(shí)體模型，并進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，在此基礎(chǔ)上，建立圖1所示的對(duì)應(yīng)于實(shí)體模型的溫度場(chǎng)計(jì)算模型(數(shù)值計(jì)算模型)。上述圖1所示的三維的發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型包括一個(gè)定子鐵芯1，定子齒2，定子繞組3，定子主絕緣4，層間絕緣5，定子槽楔6，槽楔絕緣7，通風(fēng)溝8，氣隙9，軛背10。上述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型采用使用廣泛的k-ε模型模擬湍流方程,滿足式1～3：質(zhì)量守恒方程：▽(ρvr)＝0(1)動(dòng)量守恒方程：▿(ρvr2)+ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)=-▿p+▿τ+F---(2)]]>能量守恒方程：∂(ρT)∂t+div(ρvT)=div(λcgradT)+Sr---(3)]]>其中，ρ為密度；vr為相對(duì)速度矢量；r為轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中的微元體的位置矢量；p為作用于空氣微元體上的靜壓力；τ為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用于微元體表面的粘性應(yīng)力；ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)為科里奧里(Coriolis)力；F為微元體上的體積力；T為溫度；v為絕對(duì)速度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；c為定壓比熱；Sr為單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與c的比值。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬湍流方程：∂(ρk)∂t+div(ρkV)=div[(u+utσk)gradk]+Gk-ρϵ∂(ρϵ)∂t+div(ρVϵ)=div[(u+utσϵ)gradϵ]+GIϵϵkGk-G2ϵρϵ2k---(4)]]>式中：k為湍流動(dòng)能；ε為擴(kuò)散因子；ρ為流體密度；V為流體的速度矢量；t為時(shí)間；Gk為紊流產(chǎn)生率；ut為紊流粘性系數(shù)；G1ε、G2ε為常量；σk和σε為紊流普朗克常數(shù)。上述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型采用流固耦合方法計(jì)算，其傳熱方程為：∂∂x(λx∂T∂x)+∂∂y(λy∂T∂y)+∂∂z(λz∂T∂z)=-qV(x,y,z)∈Ω---(5)]]>式中，λx、λy、λz分別是不同方向上的傳熱系數(shù)；qV為內(nèi)部熱源密度。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，如圖3所示，上述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型的邊界條件如下：S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8為絕熱面，滿足式中，T是物體的溫度，n是邊界法向量。S9、S10為進(jìn)出口邊界條件，滿足入口速度和出口壓力給定條件，入口速度條件通過(guò)轉(zhuǎn)子出風(fēng)口的速度和風(fēng)溫計(jì)算得出，出口壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。步驟S120:推導(dǎo)出定子上下層股線不等股繞組的附加銅耗表達(dá)式；根據(jù)《電工專業(yè)指導(dǎo)性技術(shù)文件(汽輪發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算公式)》的電磁場(chǎng)理論解析方法計(jì)算出上下層不等股繞組的定子銅耗、鐵耗以及附加損耗；在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，如圖4所示，上述不等股變截面繞組的銅耗計(jì)算過(guò)程包括：針對(duì)定子上、下層股線不同以及股線截面不等的情況，其下層股線的菲爾德系數(shù)的求解和以上的推導(dǎo)是一致的；上層股線的菲爾德系數(shù)可以由以下推導(dǎo)得出。假設(shè)上、下層股線數(shù)分別為m+x和m-x根，則上層股線的菲爾德系數(shù)可以表示為ξ＝αa(8)其中，a為導(dǎo)線高度，為電磁波透入深度，并且當(dāng)股線高度較小，股線的相對(duì)高度ξ在0-1之間時(shí)其中I1為所研究股線(第p根股線)下面全部P-1股線的總電流；ip為從槽底開(kāi)始數(shù)第P根股線的電流。且上下層股線電流可以表示為：ip=icmm+xih=icmm-x---(10)]]>式中ic為上下層股線數(shù)相同情況下股線中的電流。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得：I1=ip(m+x)+ip[(P-1)-(m-x)]I1=ip(2x+P-1)---(11)]]>I12+I1ipip2=2x(2x-1)+4xP+P2-P---(12)]]>下層繞組推導(dǎo)公式為：I1＝ih(P-1)(13)I12+I1ihih2=(P-1)P---(14)]]>通過(guò)計(jì)算出上下層股線的菲爾德系數(shù)，即可算出附加銅耗；通過(guò)《汽輪發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算公式_電指(DZ)28-63》計(jì)算出銅耗、軛部和齒部的鐵耗。上述的鐵耗包括基本鐵耗加上附加鐵耗。計(jì)算出定子各部件的基本損耗具體包括以下三項(xiàng)：三相定子繞組中基本銅損，定子鐵芯軛的鐵損耗，定子齒的鐵損耗。計(jì)算出定子各部件的諧波損耗具體包括以下三項(xiàng)：轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)高次諧波在定子表面產(chǎn)生的損耗，轉(zhuǎn)子齒諧波在定子表面產(chǎn)生的損耗，轉(zhuǎn)子齒諧波在定子齒中產(chǎn)生的脈動(dòng)損耗。步驟S130:如圖2所示，已知轉(zhuǎn)子入口風(fēng)量和風(fēng)溫，通過(guò)求解轉(zhuǎn)子流體和固體三維耦合方程，計(jì)算出轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)溫和風(fēng)速，在此基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)子圓周速度和該風(fēng)速合成，得出施加邊界的入口條件；在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，計(jì)算轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)溫和風(fēng)速：已知轉(zhuǎn)子入口風(fēng)量，采用流固耦合方法對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行求解。使用廣泛的k-ε模型模擬湍流方程，計(jì)算出轉(zhuǎn)子出風(fēng)口的風(fēng)速和風(fēng)溫，轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)溫即為定子入風(fēng)口風(fēng)溫。質(zhì)量守恒方程：▽(ρvr)＝0(15)動(dòng)量守恒方程：▿(ρvr2)+ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)=-▿p+▿τ+F---(16)]]>能量守恒方程：∂(ρT)∂t+div(ρvT)=div(λcgradT)+Sr---(17)]]>其中，ρ為密度；vr為相對(duì)速度矢量；r為轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中的微元體的位置矢量；p為作用于空氣微元體上的靜壓力；τ為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用于微元體表面的粘性應(yīng)力；ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)為科里奧里(Coriolis)力；F為微元體上的體積力；T為溫度；v為絕對(duì)速度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；c為定壓比熱；Sr為單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與c的比值。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬湍流方程：∂(ρk)∂t+div(ρkV)=div[(u+utσk)gradk]+Gk-ρϵ∂(ρϵ)∂t+div(ρVϵ)=div[(u+utσϵ)gradϵ]+GIϵϵkGk-G2ϵρϵ2k---(18)]]>式中：k為湍流動(dòng)能；ε為擴(kuò)散因子；ρ為流體密度；V為流體的速度矢量；t為時(shí)間；Gk為紊流產(chǎn)生率；ut為紊流粘性系數(shù)；G1ε、G2ε為常量；σk和σε為紊流普朗克常數(shù)。采用流固耦合計(jì)算轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)溫計(jì)算滿足熱傳導(dǎo)方程：∂∂x(λx∂T∂x)+∂∂y(λy∂T∂y)+∂∂z(λz∂T∂z)=-qV(x,y,z)∈Ω---(19)]]>式中，λx、λy、λz分別是不同方向上的傳熱系數(shù)；qV為內(nèi)部熱源密度。上面的(15)-(19)是計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的數(shù)學(xué)模型,前面的(1)-(5)是計(jì)算電機(jī)定子的數(shù)學(xué)模型。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，如圖5所示，標(biāo)號(hào)1～12為槽部繞組；13為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；14為槽楔出風(fēng)口；15為楔下墊條；16為徑向風(fēng)溝1；17為徑向風(fēng)溝2；18為墊條；19為副槽。轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)溫計(jì)算的邊界條件如下：(1)轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸的接觸處做絕熱處理，即：-λi∂tw∂n=0---(20)]]>(2)根據(jù)電機(jī)有限責(zé)任公司給出150MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子總空氣流量m＝10m3/s，在空氣流量均勻分布于轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝風(fēng)道內(nèi)的假設(shè)下，相對(duì)入口速度為ur＝4m/s；轉(zhuǎn)子進(jìn)風(fēng)口風(fēng)溫為55.9℃；(3)轉(zhuǎn)子兩側(cè)為周期性邊界；(4)轉(zhuǎn)子外表面為耦合對(duì)流邊界，即-λi∂tw∂n=h(tw-tf‾)---(21)]]>式中：為空氣出口的平均溫度，經(jīng)多次迭代計(jì)算獲得；λi為固體壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)不同導(dǎo)熱材料分別賦值。(5)轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝出口設(shè)置為出口流動(dòng)邊界條件；(6)在空氣通道內(nèi)，空氣和壁面的接觸面為副槽鐵芯、徑向通風(fēng)溝、墊條槽楔等，所有內(nèi)部流體與壁面交界處均采用耦合對(duì)流邊界。其中對(duì)流換熱系數(shù)由換熱微分方程-λi∂tw∂n=h(tw-tf)---(22)]]>求得。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，也可以選擇另一種流體場(chǎng)方法進(jìn)行計(jì)算，即通過(guò)有限元計(jì)算流體場(chǎng)得到轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)速，利用解析法計(jì)算出轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)溫。已知轉(zhuǎn)子入口風(fēng)量，通過(guò)轉(zhuǎn)子流體場(chǎng)求解域，采用使用廣泛的k-ε模型模擬湍流方程，計(jì)算出轉(zhuǎn)子出風(fēng)口的風(fēng)速，滿足如下方程。質(zhì)量守恒方程：▽(ρvr)＝0(23)動(dòng)量守恒方程：▿(ρvr2)+ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)=-▿p+▿τ+F---(24)]]>其中，ρ為密度；vr為相對(duì)速度矢量；r為轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中的微元體的位置矢量；p為作用于空氣微元體上的靜壓力；τ為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用于微元體表面的粘性應(yīng)力；ρ(2Ω×vr+Ω×Ω×r)為科里奧里(Coriolis)力；F為微元體上的體積力。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬湍流方程：∂(ρk)∂t+div(ρkV)=div[(u+utσk)gradk]+Gk-ρϵ∂(ρϵ)∂t+div(ρVϵ)=div[(u+utσϵ)gradϵ]+GIϵϵkGk-G2ϵρϵ2k---(25)]]>式中：k為湍流動(dòng)能；ε為擴(kuò)散因子；ρ為流體密度；V為流體的速度矢量；t為時(shí)間；Gk為紊流產(chǎn)生率；ut為紊流粘性系數(shù)；G1ε、G2ε為常量；σk和σε為紊流普朗克常數(shù)。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，另一種計(jì)算轉(zhuǎn)子出風(fēng)口風(fēng)速的邊界條件如下：(1)在空氣流量均勻分布于轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝風(fēng)道內(nèi)的假設(shè)下，相對(duì)入口速度為ur＝4m/s；(2)轉(zhuǎn)子兩側(cè)為周期性邊界；(3)轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝出口設(shè)置為出口流動(dòng)邊界條件；在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)子出口溫度即定子入風(fēng)口邊界的溫度也可以采用下面的方法計(jì)算：已知副槽通風(fēng)溝總流量Q,某一風(fēng)溝內(nèi)的空氣流量為qs：qs＝Q/(Zr·Zm)(26)其中，Zr為轉(zhuǎn)子副槽數(shù)，Zm為每副槽通風(fēng)溝數(shù)。經(jīng)風(fēng)溝兩側(cè)鐵單元加熱后空氣吸收的熱量為∑P，熱量為轉(zhuǎn)子損耗，轉(zhuǎn)子損耗分為勵(lì)磁損耗和附加損耗，不考慮延長(zhǎng)阻尼和局部阻尼。則空氣溫升為ΔT為ΔT=ΣpqsραCpα---(27)]]>由此，得出轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝的溫差，已知轉(zhuǎn)子入風(fēng)口溫度，計(jì)算出定子入風(fēng)口施加溫度。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，施加入口風(fēng)速計(jì)算公式：v=vakp2+va2---(28)]]>vakp為轉(zhuǎn)子圓周速度即角速度；va為計(jì)算出的轉(zhuǎn)子出風(fēng)口的風(fēng)速；v即所求定子入風(fēng)口風(fēng)速。計(jì)算得出，定子溫度場(chǎng)計(jì)算模型的入口風(fēng)速。步驟S140:將步驟(2)根據(jù)所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)上下層不等股繞組的定子銅耗、鐵耗以及附加損耗計(jì)算出的熱密加到定子繞組相應(yīng)部位，將步驟(3)計(jì)算出的所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)的施加定子的入口邊界條件加到氣隙中心切面(S9)部分，對(duì)所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型設(shè)置材料、邊界條件，利用所述發(fā)電機(jī)定子直線段溫度場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)流固耦合溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算，得到所述空冷汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部的散熱系數(shù)。綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所述的求解大型電機(jī)定子齒部和軛背部表面散熱系數(shù)的方法，與傳統(tǒng)方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用有限元方法，通過(guò)取邊界的不同，給出了求取齒頂和軛背的直接計(jì)算方法；該新方法通過(guò)有限元直接計(jì)算，可更準(zhǔn)確地計(jì)算出齒頂和軛背部的散熱系數(shù)；提高了對(duì)大型電機(jī)定子溫升計(jì)算的精度，并且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。本發(fā)明所述的求解大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部表面散熱系數(shù)計(jì)算的新方法，以大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子的新模型為例，但該方法不僅僅局限于空冷汽輪發(fā)電機(jī)的齒部和軛背部表面散熱系數(shù)的計(jì)算，同時(shí)適用于任意種類定子帶有徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的大型電機(jī)。但是在計(jì)算損耗的過(guò)程中，不同電機(jī)需要考慮的損耗應(yīng)該以該電機(jī)直線段部分所需計(jì)算風(fēng)溝所在部位的損耗為準(zhǔn)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：附圖只是一個(gè)實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實(shí)施本發(fā)明所必須的。通過(guò)以上的實(shí)施方式的描述可知，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可借助軟件加必需的通用硬件平臺(tái)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說(shuō)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來(lái)，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)中，如ROM/RAM、磁碟、光盤(pán)等，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例或者實(shí)施例的某些部分所述的方法。本說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見(jiàn)即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對(duì)于裝置或系統(tǒng)實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述得比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法實(shí)施例的部分說(shuō)明即可。以上所描述的裝置及系統(tǒng)實(shí)施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說(shuō)明的單元可以是或者也可以不是物理上分開(kāi)的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下，即可以理解并實(shí)施。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3