CN109738709B - 一种大型汽轮发电机端部电磁场、温度场计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型汽轮发电机端部电磁场、温度场计算方法，其特征在于，包括建立计算模型、建立端部电磁场分布计算模块、建立温度场分布计算模块、结果分析等步骤。本发明通过电‑热顺序耦合分析技术计算，使设计人员能够预测发电机端部磁场及端部结构件的温升是否保持在绝缘材料和金属材料所允许的限度之内，从而验证设计结构以及材料选取的合理性；另外，本发明计算过程模块化，易于使用便于修改，可重复调用，顺序耦合计算模式有效降低了求解方程的规模，保证计算精度的情况下可使计算速度大为提高。

Description

一种大型汽轮发电机端部电磁场、温度场计算方法
技术领域
本发明涉及一种大型汽轮发电机端部电磁场温度场的数值计算方法，可用于大型汽轮发电机定子端部结构件的温升计算及结构设计研究中，属于发电机部件电磁场及温升计算方法技术领域。
背景技术
大型汽轮发电机中各部件的温升对机组的运行性能有很大影响，同时也是限制发电机容量增加的一个重要原因。随着发电机单机容量的不断增加，定子线负荷已超过每厘米2000安以上，这将导致发电机端部区域的磁密增加；另外，由于电网需求，发电机可能运行于深度进相工况，这也使得发电机端部磁场会更为集中，端部结构件中的感应涡流有所增大，损耗可能会有所增加，这不仅影响发电机的效率，还可能造成发电机端部结构件的局部过热，影响发电机运行的可靠性。因此，在开发之初需对大型汽轮发电机端部磁场、结构件的温度场进行分析研究，确保其温升能够保持在所选绝缘材料和金属材料允许的限度之内。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种通用的在稳态运行工况下汽轮发电机端部电磁场、端部结构件温度场的计算方法。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种大型汽轮发电机端部电磁场、温度场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立计算模型：
按照发电机端部线圈及结构件的图纸建立模型；
步骤2：建立端部电磁场分布计算模块：
计算发电机端部电磁场及涡流在发电机端部结构中的分布情况，计算焦耳热分布，取焦耳热分布中设定时长的瞬时损耗进行平均，保存计算得到的平均损耗结果；
步骤3：建立温度场分布计算模块：
在电流场分布计算的基础上计算发电机端部结构件温度场的分布情况，将计算得到的温度分布结果进行保存；
步骤4：结果分析：
通过结果处理获取压圈结构上具体的温度分布状况，进而得到各部分的温升情况。
优选地，所述步骤1中，按照发电机端部线圈及结构件的图纸采用CAD计算机辅助设计软件NX建立三维模型。
更优选地，所述三维模型包括部分铁心、阶梯段铁心、压圈、磁屏蔽、端部线圈、转子结构的三维模型，将三维模型导入CAE计算机辅助分析软件Infolytica或Magnet中，并运行于计算机上。
优选地，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：给定端部线棒、压圈、边段铁心、转子线圈、转轴结构的电阻率ρ及相对磁导率μr，包括设定自由空间的相对磁导率为1；
步骤2.2：根据模型结构中的不同部件，用四面体电磁单元对步骤1建立的模型进行网格划分，将发电机端部结构模型离散为数值模型；
步骤2.3：在铁心端面、自由空间的外边界施加磁力线平行条件，即设定相应方向的矢量磁位A＝0以模拟磁场有效界限；
步骤2.4：按三相划分定子绕组，建立外部电路，采用外部电路法给模型中A、B、C三相的每根定子线圈导体施加具体的电流；
步骤2.5：采用外部电路法给转子绕组施加直流励磁电流；
步骤2.6：设定求解方式为瞬态旋转法，转子按步进方法进行旋转，设定计算时长及步长，以此得到瞬态的端部磁场，并计算得到压圈焦耳热qv，取最后2个周期的瞬时损耗进行平均，将平均损耗结果保存。
优选地，所述步骤3包括：
步骤3.1：根据需要计算的结构件给定材料属性及冷却参数，给定压圈的导热系数；
步骤3.2：设定压圈的热边界面，根据各边界面的风速、风温计算出各表面传热系数为h，在热边界面设定传热系数h；
步骤3.3：根据热传导微分方程
Figure BDA0001879522840000021
进行求解，式中，T为待求的温度，▽为向量微分算子，λcu为导热系数，将计算得到的温度分布结果进行保存。
本发明通过电-热顺序耦合分析技术计算，使设计人员能够预测发电机端部磁场及端部结构件的温升是否保持在绝缘材料和金属材料所允许的限度之内，从而验证设计结构以及材料选取的合理性；另外，本发明计算过程模块化，易于使用便于修改，可重复调用，顺序耦合计算模式有效降低了求解方程的规模，保证计算精度的情况下可使计算速度大为提高。
附图说明
图1为本发明提供的计算方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
一种大型汽轮发电机端部电磁场、温度场计算方法。本发明的计算过程采用模块化，将发电机端部电磁场、损耗场的分布计算与温度场的分布计算分模块进行，采用顺序耦合的方式，电磁场及损耗计算结果保存后供温度场计算调用(计算流程如图1所示)，避免了电磁场与温度场同时耦合计算时由于自由度多而导致的求解方程庞大、计算缓慢、计算程序不易重复调用、程序不易阅读等缺点，具体步骤为：
步骤1、建立计算模型
按照发电机端部线圈及结构件的图纸采用CAD计算机辅助设计软件NX建立模型，包括部分铁心、阶梯段铁心、压圈、磁屏蔽、端部线圈、转子结构的三维模型，并将CAD模型导入CAE计算机辅助分析软件Infolytica或Magnet内，运行于HP工作站，即计算机上。
步骤2、建立端部电磁场分布计算模块
计算端部电磁场及涡流在端部结构中的分布情况，计算焦耳热分布，采用Infolytica/Magnet软件的交互式界面进行设置，并采用VB脚本语言对损耗结果的处理进行模块化编程，具体步骤为：
步骤2.1、给定端部线棒、压圈、边段铁心、转子线圈、转轴结构的电阻率ρ及相对磁导率μr，包括设定自由空间的相对磁导率为1；
步骤2.2、根据模型结构中的不同部件，用四面体电磁单元对步骤1建立的计算模型进行网格划分，将发电机端部结构模型离散为数值模型；
步骤2.3、在铁心端面、自由空间的外边界施加磁力线平行条件，即设定相应方向的矢量磁位A＝0以模拟磁场有效界限；
步骤2.4、按三相划分定子绕组，建立外部电路，采用外部电路法给模型中A、B、C三相的每根定子线圈导体施加具体的电流；
步骤2.5、采用外部电路法给转子绕组施加直流励磁电流；
步骤2.6、由于端部结构为非对称结构，设定求解方式为瞬态旋转法，转子按步进方法进行旋转；
步骤2.7、设定计算时长及步长，由于发电机是稳态运行，计算时长设定为6～10周期即可达到稳定，步长按2°电角度设定；
步骤2.8、以此得到瞬态的端部磁场，并计算得到压圈焦耳热qv，取最后2个周期的瞬时损耗进行平均，将平均损耗结果保存，为后续的温度场计算提供数据。
步骤3、建立温度场分布计算模块
在电流场分布计算的基础上计算端部结构件温度场的分布情况，具体步骤为：
步骤3.1、根据需要计算的结构件(压圈、齿压板等)给定材料属性及冷却参数：给定压圈的导热系数；
步骤3.2、设定压圈的热边界面，根据各边界面的风速、风温计算出各表面传热系数为h，在热边界面设定传热系数h；
步骤3.3、根据热传导微分方程
Figure BDA0001879522840000041
进行求解，式中，T即为待求的温度，▽为向量微分算子，λcu为导热系数，将计算得到的温度分布结果进行保存；
步骤4、结果分析
计算完成后，通过结果处理获取压圈结构上具体的温度分布状况，进而得到各部分的温升情况。

Claims (4)

1.一种大型汽轮发电机端部电磁场、温度场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立计算模型：
按照发电机端部线圈及结构件的图纸建立模型；
步骤2：建立端部电磁场分布计算模块：
计算发电机端部电磁场及涡流在发电机端部结构中的分布情况，计算焦耳热分布，取焦耳热分布中设定时长的瞬时损耗进行平均，保存计算得到的平均损耗结果；所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：给定端部线棒、压圈、边段铁心、转子线圈、转轴结构的电阻率ρ及相对磁导率μr，包括设定自由空间的相对磁导率为1；
步骤2.2：根据模型结构中的不同部件，用四面体电磁单元对步骤1建立的模型进行网格划分，将发电机端部结构模型离散为数值模型；
步骤2.3：在铁心端面、自由空间的外边界施加磁力线平行条件，即设定相应方向的矢量磁位A＝0以模拟磁场有效界限；
步骤2.4：按三相划分定子绕组，建立外部电路，采用外部电路法给模型中A、B、C三相的每根定子线圈导体施加具体的电流；
步骤2.5：采用外部电路法给转子绕组施加直流励磁电流；
步骤2.6：设定求解方式为瞬态旋转法，转子按步进方法进行旋转，设定计算时长及步长，以此得到瞬态的端部磁场，并计算得到压圈焦耳热qv，取最后2个周期的瞬时损耗进行平均，将平均损耗结果保存；
步骤3：建立温度场分布计算模块：
在电流场分布计算的基础上计算发电机端部结构件温度场的分布情况，将计算得到的温度分布结果进行保存；
步骤4：结果分析：
通过结果处理获取压圈结构上具体的温度分布状况，进而得到各部分的温升情况。
2.如权利要求1所述的大型汽轮发电机端部电磁场、温度场计算方法，其特征在于，所述步骤1中，按照发电机端部线圈及结构件的图纸采用CAD计算机辅助设计软件NX建立三维模型。
3.如权利要求2所述的大型汽轮发电机端部电磁场、温度场计算方法，其特征在于，所述三维模型包括部分铁心、阶梯段铁心、压圈、磁屏蔽、端部线圈、转子结构的三维模型，将三维模型导入CAE计算机辅助分析软件Infolytica或Magnet中，并运行于计算机上。
4.如权利要求1所述的大型汽轮发电机端部电磁场、温度场计算方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3.1：根据需要计算的结构件给定材料属性及冷却参数，给定压圈的导热系数；
步骤3.2：设定压圈的热边界面，根据各边界面的风速、风温计算出各表面传热系数为h，在热边界面设定传热系数h；
步骤3.3：根据热传导微分方程
Figure FDA0002654891490000021
进行求解，式中，T为待求的温度，
Figure FDA0002654891490000022
为向量微分算子，λcu为导热系数，将计算得到的温度分布结果进行保存。
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汽轮发电机端部电磁-温度耦合场的研究及其数值分析;夏海霞;《浙江大学博士学位论文》;20080430;10-11、13-14、29-31、50、81、90-98 *

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