CN103198197A - 大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法 - Google Patents

Abstract

大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，属于电机技术领域。本发明是为了解决现有大型同步发电机的负载越来越高，导致其端部绕组发热越来越严重，但端部绕组的表面散热系数难确定的问题。它首先获得二维流体系统仿真模型、三维端部电磁场计算模型和三维端部流体与传热耦合计算模型，并通过相应的求解器求解获得三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件和载荷并传递给三维端部流体与传热耦合求解器；三维端部流体与传热耦合求解器根据三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件、载荷及材料属性计算获得定子端部绕组表面散热系数。本发明用于大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的计算。

Description

大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法

技术领域

本发明涉及大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，属于电机技术领域。

背景技术

目前，发电设备主要是由火力发电、核电和水电等大型同步发电机组成。为提高材料的利用率及电机效率，大型同步发电机的容量都比较大，随着单机容量的增大，发电机的负荷越来越高，导致其端部绕组发热越来越严重，影响到了大型同步发电机的安全稳定运行。因此，在大型同步发电机设计中有必要对其定子端部绕组的温升进行计算，而定子端部绕组温升计算的准确性在很大程度上取决于其表面散热系数的计算精度。因此，需要一种方法来获得其定子端部绕组表面散热系数。

发明内容

本发明目的是为了解决现有大型同步发电机的负载越来越高，导致其端部绕组发热越来越严重，但端部绕组的表面散热系数难确定的问题，提供了一种大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法。

本发明所述大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，它包括以下步骤：

步骤一：将所述同步发电机的参数化结构数据、参数化边界条件数据和参数化网格划分数据输入到前处理模块，经前处理模块处理后，分别生成二维流体系统仿真模型、三维端部电磁场计算模型和三维端部流体与传热耦合计算模型；同时，给二维流体系统仿真模型中电机各支路的风阻系数及过风面积赋值；给三维端部电磁场计算模型施加初始化条件、载荷和材料属性，并对三维端部电磁场计算模型进行网格划分；给三维端部流体与传热耦合计算模型施加材料属性，并对三维端部流体与传热耦合计算模型进行网格划分；

步骤二：由中枢控制模块的程序接口模块将二维流体系统仿真模型传递给二维流体系统仿真求解器，将三维端部电磁场计算模型传递给三维端部电磁场求解器，将三维端部流体与传热耦合计算模型传递给三维端部流体与传热耦合求解器；

步骤三：二维流体系统仿真求解器根据电机各支路的风阻系数及过风面积对二维流体系统仿真模型进行求解，获得三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件，并将此边界条件通过数据传递模块传递给三维端部流体与传热耦合求解器；三维端部电磁场求解器根据初始化条件、载荷和材料属性对三维端部电磁场计算模型进行求解，获得三维端部流体与传热耦合计算模型的载荷，并将此载荷通过数据传递模块传递给三维端部流体与传热耦合求解器；

步骤四：三维端部流体与传热耦合求解器根据三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件、载荷及材料属性计算获得定子端部绕组表面散热系数。

所述参数化结构数据为同步发电机的结构尺寸。

所述参数化边界条件数据为同步发电机运行过程中实际参数数据和结构件的材料属性。

所述参数化网格划分数据为根据同步发电机结构尺寸确定的划分节点数。

所述二维流体系统仿真模型包括发电机内部结构中的冷却器支路、定子端部绕组支路、机座与导风环之间支路、汽轮发电机的风扇压头、护环旋转压头、转子端部绕组进风支路、压指之间支路、气隙支路、冷热风区支路、铁心背部风室支路、压圈与挡风板之间支路和铜屏蔽与压圈之间的支路。

所述三维端部电磁场计算模型包括压圈、压指、铜屏蔽、转子端部绕组、定子端部绕组、铁心、转轴和流体域。

三维端部流体与传热耦合计算模型由固体区域和流体区域构成，其中固体区域包括压圈、铜屏蔽、定子端部绕组绝缘、上下层水管、压指、挡风板、隔板、气隙隔板、槽楔和铁心；流体区域包括流体、上下层水管入口、风扇入口、定子铁心背部二号风区冷风出口、定子铁心背部四号风区冷风出口、气隙出口和铁心与固定壁板内圆之间的冷风出口。

二维流体系统仿真求解器中二维流体系统仿真模型的数学方程为：

$\mathrm{\Δp}=\mathrm{\ζ}{v}^2\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2}=z\·Q^2,$

式中Δp为二维流体系统仿真模型中各支路风阻的压降，ζ为风阻系数；v为流体的速度；ρ为冷却流体密度；z为风阻；Q为流体流量；

根据二维流体系统仿真模型的数学方程计算获得发电机端部区域风扇入口的速度值、定子铁心背部二号风区冷风出口的压力值、定子铁心背部四号风区冷风出口的压力值、气隙出口的压力值和铁心与固定壁板内圆之间的冷风出口的压力值，并将计算获得的所有数据作为三维端部流体与传热耦合求解器中三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件。

所述三维端部电磁场求解器对三维端部电磁场计算模型进行求解的具体过程为：

将三维端部电磁场计算模型的求解区域Ω分为涡流区域V1和非涡流区域V2，其中涡流区域V1包括压圈、铜屏蔽和压指；非涡流区域V2包括定子端部绕组、转子端部绕组和铁心；三维端部电磁场计算模型的数学方程为：

在涡流区域V1中：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×{\mathrm{\ρ}}_1\▿\×T-\▿{\mathrm{\ρ}}_1\▿\·T+\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_1(T-\▿\mathrm{\ψ})}{\∂t}+\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_1{H}_s}{\∂t}=0\\ \▿\·{\mathrm{\μ}}_1(T-\▿\mathrm{\ψ})=-\▿\·{\mathrm{\μ}}_1{H}_s\end{array}\right.,$

在非涡流区域V2中：

$\▿\·{\mathrm{\μ}}_1\▿\mathrm{\ψ}=\▿\·{\mathrm{\μ}}_1{H}_s,$

$H_s=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\Ω}}_s}\frac{J_s\×r}{r^3}\mathrm{d\Ω},$

三维端部电磁场计算模型的边界条件为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\mathrm{\ψ}}{\∂n}{|}_{S_1,S_2}=0\\ \mathrm{\ψ}{|}_{S_3}={\mathrm{\ψ}}_0\end{array}\right.,$

初始化条件(t＝0s)：

$\left\{\begin{array}{c}T{|}_{V1}=T_0(x,y,z)\\ \mathrm{\ψ}{|}_{V1,V2}={\mathrm{\ψ}}_0(x,y,z)\end{array}\right.,$

式中为拉普拉斯算符，ρ₁为电阻率，T为矢量电位，μ₁是磁导率，ψ为标量磁位，t是时间，H_s为磁场强度；J_s是端部绕组中的电流密度，r为求解域的半径，Ω_s为求解区域Ω的积分求解区域，n为s₁和s₂面的单位法向量，s₁求解域的侧外表面，s₂为求解域的上外表面，s₃为求解域的端部截面，ψ₀为初始时刻的标量磁位，T₀是初始时刻的矢量电位，x为空间坐标系x轴的坐标值，y为空间坐标系y轴的坐标值，z为空间坐标系z轴的坐标值；

对端部构件的损耗值采用下面公式进行计算：

$P_e=\frac{1}{T}\∫\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{J_e}^2{\mathrm{\Δ}}_e{{\mathrm{\σ}}_r}^{-1}\mathrm{dt},$

式中：P_e是涡流损耗，k为网格划分获得的剖分单元总数，i为剖分单元的序号，J_e是剖分单元涡流密度，Δ_e是剖分单元体积，σ_r是端部构件的电导率；

采用上述公式求解获得压圈的损耗值、铜屏蔽的损耗值和压指的损耗值作为三维端部流体与传热耦合求解器中三维端部流体与传热耦合计算模型的载荷。

三维端部流体与传热耦合求解器根据三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件、载荷及材料属性计算获得定子端部绕组表面散热系数的具体方法为：

流体区域的三维控制方程如下：

质量守恒方程为：

$\frac{\∂u}{\∂x}+\frac{\∂v}{\∂y}+\frac{\∂w}{\∂z}=0,$

式中x为空间坐标系中x轴的坐标值，y为三维坐标系中y轴的坐标值，z为三维坐标系中z轴的坐标值，u为沿x轴方向的速度分量，v为沿y轴方向的速度分量，w为沿z轴方向的速度分量；

动量守恒方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuw}\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂x},$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvw}\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂y},$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρww}\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂z},$

式中μ是动力粘度；p是流体压强；

能量守恒方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρu}{T}_1\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρv}{T}_1\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρw}{T}_1\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{c_p}\frac{\∂T_1}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{c_p}\frac{\∂T_1}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{c_p}\frac{\∂T_1}{\∂z}\right),$

式中：c_p是流体比热容；T₁是温度；λ_l为流体导热系数；

基于上述流体区域的三维控制方程，再通过下面的三维导热方程确定发电机定子端部绕组表面散热系数α：

$\left.\begin{array}{c}\frac{\∂}{\∂x}\left(k_x\frac{\∂T_2}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_y\frac{\∂T_2}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k_z\frac{\∂T_2}{\∂z}\right)=-q\\ -k_2\frac{\∂T_2}{\∂n}=\mathrm{\α}(T_2-T_f)\end{array}\right\},$

式中T₂为固体待求温度，k_x为求解域内材料沿x轴方向的导热系数，k_y为求解域内材料沿y轴方向的导热系数，k_z为求解域内材料沿z轴方向的导热系数，q为求解域内构件的热源密度，k₂为常数，α为定子端部绕组表面散热系数，T_f为散热面周围流体的温度；

对上式进行求解，获得定子端部绕组表面散热系数α。

本发明的优点：本发明方法通过对发电机端部区域多物理场耦合的联合仿真求解，准确地计算了定子端部绕组表面散热系数，避免了高昂的实验费用，具有计算结果准确和易于实现等优点。

附图说明

图1是本发明所述大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法的流程图；

图2是以大型汽轮发电机为例，构建的二维流体系统仿真模型示意图；

图2中，1为汽轮发电机内部结构中的冷却器支路，2为定子端部绕组支路，3为机座与导风环之间支路，4为汽轮发电机的风扇压头，5为护环旋转压头，6为转子端部绕组进风支路，7为压指之间支路，8为气隙支路，9为冷热风区支路，10为铁心背部风室支路，11为压圈与挡风板之间支路，12为铜屏蔽与压圈之间的支路；①表示风扇入口，②表示定子铁心背部二号风区冷风出口，③表示定子铁心背部四号风区冷风出口，④为气隙出口，⑤为铁心与固定壁板内圆之间的冷风出口；

图3是以大型汽轮发电机为例，构建的三维端部电磁场计算模型示意图；

图3中，13为压圈，14为铜屏蔽，15为转子端部绕组，16为定子端部绕组，17为流体域，18为铁心，19为转轴；

图4是以大型汽轮发电机为例，构建的三维端部流体与传热耦合计算模型示意图；

图4中20为流体；

图5是图4的剖面图；

图6是图4的各端部入口示意图；

图7是图4的各端部出口示意图。

图5至图7中，21为压指，22为定子端部绕组绝缘，23为上下层水管，24为挡风板，25为隔板，26为气隙隔板，27为槽楔，28为上下层水管入口。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，它包括以下步骤：

步骤一：将所述同步发电机的参数化结构数据、参数化边界条件数据和参数化网格划分数据输入到前处理模块，经前处理模块处理后，分别生成二维流体系统仿真模型、三维端部电磁场计算模型和三维端部流体与传热耦合计算模型；同时，给二维流体系统仿真模型中电机各支路的风阻系数及过风面积赋值；给三维端部电磁场计算模型施加初始化条件、载荷和材料属性，并对三维端部电磁场计算模型进行网格划分；给三维端部流体与传热耦合计算模型施加材料属性，并对三维端部流体与传热耦合计算模型进行网格划分；

步骤二：由中枢控制模块的程序接口模块将二维流体系统仿真模型传递给二维流体系统仿真求解器，将三维端部电磁场计算模型传递给三维端部电磁场求解器，将三维端部流体与传热耦合计算模型传递给三维端部流体与传热耦合求解器；

步骤三：二维流体系统仿真求解器根据电机各支路的风阻系数及过风面积对二维流体系统仿真模型进行求解，获得三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件，并将此边界条件通过数据传递模块传递给三维端部流体与传热耦合求解器；三维端部电磁场求解器根据初始化条件、载荷和材料属性对三维端部电磁场计算模型进行求解，获得三维端部流体与传热耦合计算模型的载荷，并将此载荷通过数据传递模块传递给三维端部流体与传热耦合求解器；

步骤四：三维端部流体与传热耦合求解器根据三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件、载荷及材料属性计算获得定子端部绕组表面散热系数。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述参数化结构数据为同步发电机的结构尺寸。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式所述参数化边界条件数据为同步发电机运行过程中实际参数数据和结构件的材料属性。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，本实施方式所述参数化网格划分数据为根据同步发电机结构尺寸确定的划分节点数。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，本实施方式所述二维流体系统仿真模型包括发电机内部结构中的冷却器支路、定子端部绕组支路、机座与导风环之间支路、汽轮发电机的风扇压头、护环旋转压头、转子端部绕组进风支路、压指之间支路、气隙支路、冷热风区支路、铁心背部风室支路、压圈与挡风板之间支路和铜屏蔽与压圈之间的支路。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式五作进一步说明，本实施方式所述三维端部电磁场计算模型包括压圈、压指、铜屏蔽、转子端部绕组、定子端部绕组、铁心、转轴和流体域。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式六作进一步说明，本实施方式所述三维端部流体与传热耦合计算模型由固体区域和流体区域构成，其中固体区域包括压圈、铜屏蔽、定子端部绕组绝缘、上下层水管、压指、挡风板、隔板、气隙隔板、槽楔和铁心；流体区域包括流体、上下层水管入口、风扇入口、定子铁心背部二号风区冷风出口、定子铁心背部四号风区冷风出口、气隙出口和铁心与固定壁板内圆之间的冷风出口。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式七作进一步说明，本实施方式所述二维流体系统仿真求解器中二维流体系统仿真模型的数学方程为：

$\mathrm{\Δp}=\mathrm{\ζ}{v}^2\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2}=z\·Q^2,$

式中Δp为二维流体系统仿真模型中各支路风阻的压降，ζ为风阻系数；v为流体的速度；ρ为冷却流体密度；z为风阻；Q为流体流量；

根据二维流体系统仿真模型的数学方程计算获得发电机端部区域风扇入口的速度值、定子铁心背部二号风区冷风出口的压力值、定子铁心背部四号风区冷风出口的压力值、气隙出口的压力值和铁心与固定壁板内圆之间的冷风出口的压力值，并将计算获得的所有数据作为三维端部流体与传热耦合求解器中三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件。

具体实施方式九：本实施方式对实施方式八作进一步说明，本实施方式所述三维端部电磁场求解器对三维端部电磁场计算模型进行求解的具体过程为：

将三维端部电磁场计算模型的求解区域Ω分为涡流区域V1和非涡流区域V2，其中涡流区域V1包括压圈、铜屏蔽和压指；非涡流区域V2包括定子端部绕组、转子端部绕组和铁心；三维端部电磁场计算模型的数学方程为：

在涡流区域V1中：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×{\mathrm{\ρ}}_1\▿\×T-\▿{\mathrm{\ρ}}_1\▿\·T+\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_1(T-\▿\mathrm{\ψ})}{\∂t}+\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_1{H}_s}{\∂t}=0\\ \▿\·{\mathrm{\μ}}_1(T-\▿\mathrm{\ψ})=-\▿\·{\mathrm{\μ}}_1{H}_s\end{array}\right.,$

在非涡流区域V2中：

$\▿\·{\mathrm{\μ}}_1\▿\mathrm{\ψ}=\▿\·{\mathrm{\μ}}_1{H}_s,$

$H_s=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\Ω}}_s}\frac{J_s\×r}{r^3}\mathrm{d\Ω},$

三维端部电磁场计算模型的边界条件为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\mathrm{\ψ}}{\∂n}{|}_{S_1,S_2}=0\\ \mathrm{\ψ}{|}_{S_3}={\mathrm{\ψ}}_0\end{array}\right.,$

初始化条件(t＝0s)：

$\left\{\begin{array}{c}T{|}_{V1}=T_0(x,y,z)\\ \mathrm{\ψ}{|}_{V1,V2}={\mathrm{\ψ}}_0(x,y,z)\end{array}\right.,$

式中

为拉普拉斯算符，ρ₁为电阻率，T为矢量电位，μ₁是磁导率，ψ为标量磁位，t是时间，H_s为磁场强度；J_s是端部绕组中的电流密度，r为求解域的半径，Ω_s为求解区域Ω的积分求解区域，n为s₁和s₂面的单位法向量，s₁求解域的侧外表面，s₂为求解域的上外表面，s₃为求解域的端部截面，ψ₀为初始时刻的标量磁位，T₀是初始时刻的矢量电位，x为空间坐标系x轴的坐标值，y为空间坐标系y轴的坐标值，z为空间坐标系z轴的坐标值；

对端部构件的损耗值采用下面公式进行计算：

$P_e=\frac{1}{T}\∫\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{J_e}^2{\mathrm{\Δ}}_e{{\mathrm{\σ}}_r}^{-1}\mathrm{dt},$

式中：P_e是涡流损耗，k为网格划分获得的剖分单元总数，i为剖分单元的序号，J_e是剖分单元涡流密度，Δ_e是剖分单元体积，σ_r是端部构件的电导率；

采用上述公式求解获得压圈的损耗值、铜屏蔽的损耗值和压指的损耗值作为三维端部流体与传热耦合求解器中三维端部流体与传热耦合计算模型的载荷。

具体实施方式十：下面结合图2至图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式九作进一步说明，本实施方式所述三维端部流体与传热耦合求解器根据三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件、载荷及材料属性计算获得定子端部绕组表面散热系数的具体方法为：

流体区域的三维控制方程如下：

质量守恒方程为：

$\frac{\∂u}{\∂x}+\frac{\∂v}{\∂y}+\frac{\∂w}{\∂z}=0,$

式中x为空间坐标系中x轴的坐标值，y为三维坐标系中y轴的坐标值，z为三维坐标系中z轴的坐标值，u为沿x轴方向的速度分量，v为沿y轴方向的速度分量，w为沿z轴方向的速度分量；

动量守恒方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuw}\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂x},$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvw}\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂y},$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρww}\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂z},$

式中μ是动力粘度；p是流体压强；

能量守恒方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρu}{T}_1\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρv}{T}_1\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρw}{T}_1\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{c_p}\frac{\∂T_1}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{c_p}\frac{\∂T_1}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{c_p}\frac{\∂T_1}{\∂z}\right),$

式中：c_p是流体比热容；T₁是温度；λ_l为流体导热系数；

基于上述流体区域的三维控制方程，再通过下面的三维导热方程确定发电机定子端部绕组表面散热系数α：

$\left.\begin{array}{c}\frac{\∂}{\∂x}\left(k_x\frac{\∂T_2}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_y\frac{\∂T_2}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k_z\frac{\∂T_2}{\∂z}\right)=-q\\ -k_2\frac{\∂T_2}{\∂n}=\mathrm{\α}(T_2-T_f)\end{array}\right\},$

式中T₂为固体待求温度，k_x为求解域内材料沿x轴方向的导热系数，k_y为求解域内材料沿y轴方向的导热系数，k_z为求解域内材料沿z轴方向的导热系数，q为求解域内构件的热源密度，k₂为常数，α为定子端部绕组表面散热系数，T_f为散热面周围流体的温度；

对上式进行求解，获得定子端部绕组表面散热系数α。

本发明所述定子端部绕组表面散热系数α的计算过程可采用Visual Basic语言编制的计算程序进行。

汽轮发电机端部区域流体流动要受物理守恒定律的支配，由流体力学及传热学基本原理可知，大型同步发电机端部区域内流体的流动与传热满足质量、动量以及能量守恒定律，当端部区域流体为不可压缩且处于稳定流动状态时，采用相应的方程进行计算。

本发明中，涡流区域V1包括压圈13、铜屏蔽14和压指21；非涡流区域V2包括转子端部绕组15、定子端部绕组16和铁心18。

Claims (10)

1.一种大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一：将所述同步发电机的参数化结构数据、参数化边界条件数据和参数化网格划分数据输入到前处理模块，经前处理模块处理后，分别生成二维流体系统仿真模型、三维端部电磁场计算模型和三维端部流体与传热耦合计算模型；同时，给二维流体系统仿真模型中电机各支路的风阻系数及过风面积赋值；给三维端部电磁场计算模型施加初始化条件、载荷和材料属性，并对三维端部电磁场计算模型进行网格划分；给三维端部流体与传热耦合计算模型施加材料属性，并对三维端部流体与传热耦合计算模型进行网格划分；

步骤二：由中枢控制模块的程序接口模块将二维流体系统仿真模型传递给二维流体系统仿真求解器，将三维端部电磁场计算模型传递给三维端部电磁场求解器，将三维端部流体与传热耦合计算模型传递给三维端部流体与传热耦合求解器；

步骤三：二维流体系统仿真求解器根据电机各支路的风阻系数及过风面积对二维流体系统仿真模型进行求解，获得三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件，并将此边界条件通过数据传递模块传递给三维端部流体与传热耦合求解器；三维端部电磁场求解器根据初始化条件、载荷和材料属性对三维端部电磁场计算模型进行求解，获得三维端部流体与传热耦合计算模型的载荷，并将此载荷通过数据传递模块传递给三维端部流体与传热耦合求解器；

步骤四：三维端部流体与传热耦合求解器根据三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件、载荷及材料属性计算获得定子端部绕组表面散热系数。

2.根据权利要求1所述的大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，所述参数化结构数据为同步发电机的结构尺寸。

3.根据权利要求2所述的大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，所述参数化边界条件数据为同步发电机运行过程中实际参数数据和结构件的材料属性。

4.根据权利要求3所述的大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，所述参数化网格划分数据为根据同步发电机结构尺寸确定的划分节点数。

5.根据权利要求4所述的大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，所述二维流体系统仿真模型包括发电机内部结构中的冷却器支路、定子端部绕组支路、机座与导风环之间支路、汽轮发电机的风扇压头、护环旋转压头、转子端部绕组进风支路、压指之间支路、气隙支路、冷热风区支路、铁心背部风室支路、压圈与挡风板之间支路和铜屏蔽与压圈之间的支路。

6.根据权利要求5所述的大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，所述三维端部电磁场计算模型包括压圈、压指、铜屏蔽、转子端部绕组、定子端部绕组、铁心、转轴和流体域。

7.根据权利要求6所述的大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，三维端部流体与传热耦合计算模型由固体区域和流体区域构成，其中固体区域包括压圈、铜屏蔽、定子端部绕组绝缘、上下层水管、压指、挡风板、隔板、气隙隔板、槽楔和铁心；流体区域包括流体、上下层水管入口、风扇入口、定子铁心背部二号风区冷风出口、定子铁心背部四号风区冷风出口、气隙出口和铁心与固定壁板内圆之间的冷风出口。

8.根据权利要求7所述的大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，二维流体系统仿真求解器中二维流体系统仿真模型的数学方程为：

$\mathrm{\Δp}=\mathrm{\ζ}{v}^2\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2}=z\·Q^2,$

式中Δp为二维流体系统仿真模型中各支路风阻的压降，ζ为风阻系数；v为流体的速度；ρ为冷却流体密度；z为风阻；Q为流体流量；

根据二维流体系统仿真模型的数学方程计算获得发电机端部区域风扇入口的速度值、定子铁心背部二号风区冷风出口的压力值、定子铁心背部四号风区冷风出口的压力值、气隙出口的压力值和铁心与固定壁板内圆之间的冷风出口的压力值，并将计算获得的所有数据作为三维端部流体与传热耦合求解器中三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件。

9.根据权利要求8所述的大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，所述三维端部电磁场求解器对三维端部电磁场计算模型进行求解的具体过程为：

将三维端部电磁场计算模型的求解区域Ω分为涡流区域V1和非涡流区域V2，其中涡流区域V1包括压圈、铜屏蔽和压指；非涡流区域V2包括定子端部绕组、转子端部绕组和铁心；三维端部电磁场计算模型的数学方程为：

在涡流区域V1中：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×{\mathrm{\ρ}}_1\▿\×T-\▿{\mathrm{\ρ}}_1\▿\·T+\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_1(T-\▿\mathrm{\ψ})}{\∂t}+\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_1{H}_s}{\∂t}=0\\ \▿\·{\mathrm{\μ}}_1(T-\▿\mathrm{\ψ})=-\▿\·{\mathrm{\μ}}_1{H}_s\end{array}\right.,$

在非涡流区域V2中：

$\▿\·{\mathrm{\μ}}_1\▿\mathrm{\ψ}=\▿\·{\mathrm{\μ}}_1{H}_s,$

$H_s=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\Ω}}_s}\frac{J_s\×r}{r^3}\mathrm{d\Ω},$

三维端部电磁场计算模型的边界条件为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\mathrm{\ψ}}{\∂n}{|}_{S_1,S_2}=0\\ \mathrm{\ψ}{|}_{S_3}={\mathrm{\ψ}}_0\end{array}\right.,$

初始化条件(t＝0s)：

$\left\{\begin{array}{c}T{|}_{V1}=T_0(x,y,z)\\ \mathrm{\ψ}{|}_{V1,V2}={\mathrm{\ψ}}_0(x,y,z)\end{array}\right.,$

式中

为拉普拉斯算符，ρ₁为电阻率，T为矢量电位，μ₁是磁导率，ψ为标量磁位，t是时间，H_s为磁场强度；J_s是端部绕组中的电流密度，r为求解域的半径，Ω_s为求解区域Ω的积分求解区域，n为s₁和s₂面的单位法向量，s₁求解域的侧外表面，s₂为求解域的上外表面，s₃为求解域的端部截面，ψ₀为初始时刻的标量磁位，T₀是初始时刻的矢量电位，x为空间坐标系x轴的坐标值，y为空间坐标系y轴的坐标值，z为空间坐标系z轴的坐标值；

对端部构件的损耗值采用下面公式进行计算：

$P_e=\frac{1}{T}\∫\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{J_e}^2{\mathrm{\Δ}}_e{{\mathrm{\σ}}_r}^{-1}\mathrm{dt},$

式中：P_e是涡流损耗，k为网格划分获得的剖分单元总数，i为剖分单元的序号，J_e是剖分单元涡流密度，Δ_e是剖分单元体积，σ_r是端部构件的电导率；

采用上述公式求解获得压圈的损耗值、铜屏蔽的损耗值和压指的损耗值作为三维端部流体与传热耦合求解器中三维端部流体与传热耦合计算模型的载荷。

10.根据权利要求9所述的大型同步发电机定子端部绕组表面散热系数的获得方法，其特征在于，三维端部流体与传热耦合求解器根据三维端部流体与传热耦合计算模型的边界条件、载荷及材料属性计算获得定子端部绕组表面散热系数的具体方法为：

流体区域的三维控制方程如下：

质量守恒方程为：

$\frac{\∂u}{\∂x}+\frac{\∂v}{\∂y}+\frac{\∂w}{\∂z}=0,$

式中x为空间坐标系中x轴的坐标值，y为三维坐标系中y轴的坐标值，z为三维坐标系中z轴的坐标值，u为沿x轴方向的速度分量，v为沿y轴方向的速度分量，w为沿z轴方向的速度分量；

动量守恒方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuw}\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂x},$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvw}\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂y},$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρww}\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂z},$

式中μ是动力粘度；p是流体压强；

能量守恒方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρu}{T}_1\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρv}{T}_1\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρw}{T}_1\right)}{\∂z}$

$=\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{c_p}\frac{\∂T_1}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{c_p}\frac{\∂T_1}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_l}{c_p}\frac{\∂T_1}{\∂z}\right),$

式中：c_p是流体比热容；T₁是温度；λ_l为流体导热系数；

基于上述流体区域的三维控制方程，再通过下面的三维导热方程确定发电机定子端部绕组表面散热系数α：

$\left.\begin{array}{c}\frac{\∂}{\∂x}\left(k_x\frac{\∂T_2}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_y\frac{\∂T_2}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k_z\frac{\∂T_2}{\∂z}\right)=-q\\ -k_2\frac{\∂T_2}{\∂n}=\mathrm{\α}(T_2-T_f)\end{array}\right\},$

式中T₂为固体待求温度，k_x为求解域内材料沿x轴方向的导热系数，k_y为求解域内材料沿y轴方向的导热系数，k_z为求解域内材料沿z轴方向的导热系数，q为求解域内构件的热源密度，k₂为常数，α为定子端部绕组表面散热系数，T_f为散热面周围流体的温度；

对上式进行求解，获得定子端部绕组表面散热系数α。

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