技術(shù)特征：

1.一種空冷汽輪發(fā)電機(jī)齒部和軛背部的散熱系數(shù)的計(jì)算方法，其特征包括：

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)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，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(mǎn)足下述式1～3：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，ρ為密度；v_r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×v_r+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；S_r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：

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；G_k為紊流產(chǎn)生率；u_t為紊流粘性系數(shù)；G_1ε、G_2ε為常量；σ_k和σ_ε為紊流普朗克常數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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：

式中，λ_x、λ_y、λ_z分別是不同方向上的傳熱系數(shù)；q_V為內(nèi)部熱源密度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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(mǎn)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(mǎn)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。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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；i_p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：

式中i_c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：

下層繞組推導(dǎo)公式為：

I₁＝i_h(P-1) (13)

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。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，ρ為密度；v_r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×v_r+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；S_r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：

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；G_k為紊流產(chǎn)生率；u_t為紊流粘性系數(shù)；G_1ε、G_2ε為常量；σ_k和σ_ε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：

式中，λ_x、λ_y、λ_z分別是不同方向上的傳熱系數(shù)；q_V為內(nèi)部熱源密度。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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：

(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u_r＝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

式中：為空氣出口的平均溫度，經(jīng)多次迭代計(jì)算獲得；λ_i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：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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(mǎn)足如下方程：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

其中，ρ為密度；v_r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×v_r+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：

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；G_k為紊流產(chǎn)生率；u_t為紊流粘性系數(shù)；G_1ε、G_2ε為常量；σ_k和σ_ε為紊流普朗克常數(shù)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，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u_r＝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。

11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，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q_s：

q_s＝Q/(Z_r·Z_m) (26)

其中，Z_r為轉(zhuǎn)子副槽數(shù)，Z_m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

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_akp為轉(zhuǎn)子圓周速度即角速度；v_a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。