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　　在大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機組中，水輪機具有比轉(zhuǎn)速高、單位過流量大、空化系數(shù)小、效率高等優(yōu)點，為廣泛應用于開發(fā)低水頭水利資源的良好機型，在我國有著廣闊的市場前景。然而由于受低水頭和燈泡比的限制，發(fā)電機的直徑小、電磁負荷高，與常規(guī)水輪發(fā)電機相比，散熱條件相當惡劣；同時電機的主要尺寸比較大，使得整個電機的風路壓降大，通風冷卻困難。為了解決好燈泡貫流式水輪發(fā)電機高電磁負荷產(chǎn)生的大量熱損耗與體積小且細長電機的不利冷卻條件之間的突出矛盾，本文提出了一種新的數(shù)學模型，并對大型燈泡式水輪發(fā)電機的通風與發(fā)熱問題進行了分析與計算研究。

　　風路計算模型大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機在冷卻方式上采用二次循環(huán)冷卻方式，即發(fā)電機的損耗通過熱傳導、表面散熱傳遞給冷卻空氣，再通過常規(guī)冷卻器對帶有電機熱量的冷卻空氣進行冷卻，將電機熱量傳遞給冷卻器的冷卻水，最后獲得熱量的冷卻水通過冷卻套將電機熱量傳遞給河水。在其混合通風系統(tǒng)中，定轉(zhuǎn)子鐵心有徑向通風溝，且定子鐵心為不貼壁結(jié)構(gòu)，定子鐵心與機座間有通風道，系統(tǒng)中的風壓元件主要是鼓風機。其冷卻空氣的循環(huán)路徑如圖所示，風路模型如圖所示。由于在大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機的混合通風系統(tǒng)中增加了鼓風機等風壓元件，導致各風壓元件產(chǎn)生的風壓對電機的通風冷卻影響較大，本文提出了一種含有風壓源復雜結(jié)構(gòu)風路的新穎閉環(huán)迭代解法，其風路計算的基本原理如下：根據(jù)風量連續(xù)性原理，流入任何一個節(jié)點的所有風量的代數(shù)和等于零，即沿任何閉合回路各支路風壓降的代數(shù)和等于大電機技術(shù)零，即根據(jù)上述原理，考慮風路中含有風壓源時，風壓元件將改變各支路分量的分配和風壓降的大小，經(jīng)推證其網(wǎng)孔風量為熱路計算模型本文采用等效熱路法來計算大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機的溫升。簡化了電機的二維熱傳導過程，將薄板內(nèi)的二維熱流視為在研究方向受到阻力的兩個一維熱流相互作用的結(jié)果；合成熱流在自己方向上受到的阻力，被看為兩個一維熱流方向阻力的迭加。為了便于計算，假定發(fā)電機定子與轉(zhuǎn)子間無熱交換，發(fā)電機內(nèi)部的各熱源均勻分布，以徑向通風溝為界，分段進行分析計算。下面以定子等效熱路為例，說明通風系統(tǒng)的特點：定子鐵心存在徑向通風溝，故在徑向通風溝圖燈泡貫流式水輪發(fā)電機混合通風系統(tǒng)氣流循環(huán)原理圖圖燈泡貫流式水輪發(fā)電機混合通風系統(tǒng)風路模型圖之間，每段鐵心熱量與線圈繞組熱量的大部分將由鐵心兩側(cè)的徑向通風溝中的冷卻空氣帶走；電機的機殼不再具有散熱的作用，從鐵心外圓流出的熱量，將全部由鐵心背部通風溝內(nèi)的冷卻介質(zhì)帶走；電機的損耗將全部由冷卻氣體帶走。根據(jù)混合通風式電機的具體散熱方式，建立發(fā)電機定子各段的等效熱路模型，如圖所示。

　　圖燈泡貫流式水輪發(fā)電機混合通風定子等效熱路圖大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機的通風與溫升圖中主要符號的物理意義如下：各熱源：用損耗表示，其中為定子軛部損耗；為定子齒部損耗；為每段鐵心槽內(nèi)銅耗；為端部損耗或通風溝內(nèi)繞組損耗。

　　各溫度：為各段鐵心背部氣體平均溫度；為各段徑向通風溝軛部氣體平均溫度；為各段徑向通風溝軛部氣體平均溫度；為各段氣隙平均溫度；為各段徑向通風溝齒部氣體平均溫度；為各段徑向通風溝齒部氣體平均溫度。

　　各熱阻：為定子軛與背部通風溝間的熱阻；為定子軛部與徑向通風溝間的熱阻而成；為軛齒間傳熱熱阻串聯(lián)而成；為齒部與氣隙間熱阻；為定子齒部與徑向通風溝間的熱阻；為定子線圈切向絕緣熱阻；為定子線圈徑向絕緣和槽楔熱阻；為定子槽部線圈與通風溝內(nèi)端部線圈間熱阻；為徑向通風溝內(nèi)端部線圈對空氣的熱阻串聯(lián)而成。

　　有限元溫度場計算模型本文采用有限元法對大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機定轉(zhuǎn)子三維溫度場進行分析與計算。電機穩(wěn)態(tài)運行時，其內(nèi)部的三維熱傳導方程為：式中：為溫度，分別為方向的導熱為熱源密度。/01。若發(fā)熱體的邊界面由和兩部分組成，和上的邊界條件分別為：式中：為上給定的溫度；為周圍介質(zhì)的溫度；為表面的散熱系數(shù)。/01。與上述混合邊值問題對應的條件變分問題為：通過離散化處理，可將上述三維溫度場的條件變分問題等效為線性代數(shù)方程組進行求解。

　　計算實例紅巖子電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機容量為8.，該機組由于受燈泡比和結(jié)構(gòu)尺寸的限制，電機的通風與溫升存在較多的問題，主要體現(xiàn)在如何使風量分配合理和溫升分布均勻等方面。為此，本文根據(jù)制造廠提供的有關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)，利用上述介紹的三種數(shù)學模型對紅巖子電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機的通風、溫升進行了全面的分析與計算。

　　該發(fā)電機額定電壓為、額定電流為額定功率因數(shù)滯后，具有空氣冷卻器的密閉循環(huán)強迫通風冷卻方式，燈泡體內(nèi)為常壓。在設(shè)計時，考慮了該發(fā)電機的定子鐵心徑向通風溝采用等距分段和不等距分段兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，其示意圖分別如圖和圖所示。本文對兩種不同的通風結(jié)構(gòu)進行了計算對比，其主要計算結(jié)果分析如下。

　　定子鐵心采用等距分段和不等距分段對通風的影響經(jīng)風路計算，結(jié)果表明：當定子鐵心采用段等距分布時，氣隙各段冷卻空氣風量分配較為均勻；而當定子鐵心采用段不等距分布后，氣隙各段冷卻空氣的分配呈現(xiàn)靠下游端各段氣隙中風量分配較少，靠上游端各段氣隙中風量分配較多。由于燈泡貫流式水輪發(fā)電機下游端是冷卻空氣的進入端，冷卻空氣溫度低，冷卻效果好，不需要較多的風量；而上游端是冷卻空氣的出端，冷卻空氣溫度高，冷卻效果較差，為了保證一定的散熱效果，就需要較多的風量。因而，計算結(jié)果與理論分析一致。事實上正是這種不均勻分布，改善了鐵心較長的燈泡貫流式發(fā)電機的通風冷卻效果。

　　定子鐵心采用等距分段和不等距分段對發(fā)熱的影響利用等效熱路法，對定子鐵心徑向通風溝采用等距和不等距分段兩種結(jié)構(gòu)，在額定工況和超發(fā)工況下對發(fā)熱進行對比計算。仿真結(jié)果表明，不等距的定子鐵心分段有利于發(fā)電機的通風冷卻。在相同工況下，采用不等距定子鐵心分段，定轉(zhuǎn)子各部分溫度均低于采用等距鐵心分段的情況。因此，在發(fā)電機主要尺寸、鐵心段數(shù)和損耗確定后，宜采用不等距的定子鐵心分段結(jié)構(gòu)。圖為兩種不同定子鐵心結(jié)構(gòu)對應的槽內(nèi)繞組溫度沿軸向分布對比曲線，表所示為轉(zhuǎn)子溫度的計算結(jié)果。

　　三維溫度場的有限元分析與計算根據(jù)等效熱路法的計算結(jié)果，選取定子槽內(nèi)繞組大電機技術(shù)圖定子鐵心徑向通風溝等距分布圖定子鐵心徑向通風溝不等距分布圖兩種不同定子鐵心結(jié)構(gòu)對應的槽內(nèi)繞組溫度沿軸向分布對比曲線表轉(zhuǎn)子溫度計算結(jié)果比較項目等距鐵心額定工況超發(fā)工況不等距鐵心額定工況超發(fā)工況轉(zhuǎn)子繞組溫度極靴表面溫度阻尼條溫度溫度最熱段，利用有限元法對三維溫度場進行分析計算，進一步研究各段各部分溫度分布的情況，采用不等距鐵心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子三維網(wǎng)格剖分如圖，所示，定轉(zhuǎn)子最高溫度計算結(jié)果如表所示。

　　表用有限元法計算定子轉(zhuǎn)子最高溫度比較項目額定工況超發(fā)工況定子繞組最高溫度定子鐵心最高溫度轉(zhuǎn)子銅排最高溫度轉(zhuǎn)子極身與極靴最高溫度轉(zhuǎn)子阻尼條最高溫度結(jié)論針對大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機的通風與發(fā)熱難點問題，本文從風路、熱路和有限元三維溫度場三個方圖，轉(zhuǎn)子三維網(wǎng)格剖分圖面提出了一套完整的分析與計算方法，并對提出的數(shù)學模型進行了算例驗證。通過分析比較，仿真結(jié)果與理論分析一致，進一步表明其分析與計算方法具有一定的工程實用價值。