專利名稱：大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，發(fā)電設(shè)備主要是由火力發(fā)電、核電和水電等大型同步發(fā)電機(jī)組成。為提高材料的利用率及電機(jī)效率，大型同步發(fā)電機(jī)的容量都比較大，隨著單機(jī)容量的增大，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷越來越高，導(dǎo)致其端部繞組發(fā)熱越來越嚴(yán)重，影響到了大型同步發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在大型同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中有必要對(duì)其定子端部繞組的溫升進(jìn)行計(jì)算，而定子端部繞組溫升計(jì)算的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于其表面散熱系數(shù)的計(jì)算精度。因此，需要一種方法來獲得其定子端部繞組表面散熱系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有大型同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載越來越高，導(dǎo)致其端部繞組發(fā)熱越來越嚴(yán)重，但端部繞組的表面散熱系數(shù)難確定的問題，提供了一種大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法。本發(fā)明所述大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，它包括以下步驟:步驟一:將所述同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、參數(shù)化邊界條件數(shù)據(jù)和參數(shù)化網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)輸入到前處理模塊，經(jīng)前處理模塊處理后，分別生成二維流體系統(tǒng)仿真模型、三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型和三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型；同時(shí)，給二維流體系統(tǒng)仿真模型中電機(jī)各支路的風(fēng)阻系數(shù)及過風(fēng)面積賦值；給三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型施加初始化條件、載荷和材料屬性，并對(duì)三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；給三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型施加材料屬性，并對(duì)三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；步驟二:由中樞控制模塊的程序接口模塊將二維流體系統(tǒng)仿真模型傳遞給二維流體系統(tǒng)仿真求解器，將三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型傳遞給三維端部電磁場(chǎng)求解器，將三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型傳遞給三維端部流體與傳熱耦合求解器；步驟三:二維流體系統(tǒng)仿真求解器根據(jù)電機(jī)各支路的風(fēng)阻系數(shù)及過風(fēng)面積對(duì)二維流體系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行求解，獲得三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型的邊界條件，并將此邊界條件通過數(shù)據(jù)傳遞模塊傳遞給三維端部流體與傳熱耦合求解器；三維端部電磁場(chǎng)求解器根據(jù)初始化條件、載荷和材料屬性對(duì)三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行求解，獲得三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型的載荷，并將此載荷通過數(shù)據(jù)傳遞模塊傳遞給三維端部流體與傳熱率禹合求解器；步驟四:三維端部流體與傳熱耦合求解器根據(jù)三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型的邊界條件、載荷及材料屬性計(jì)算獲得定子端部繞組表面散熱系數(shù)。所述參數(shù)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸。
所述參數(shù)化邊界條件數(shù)據(jù)為同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)際參數(shù)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)件的材料屬性。所述參數(shù)化網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)為根據(jù)同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸確定的劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)。所述二維流體系統(tǒng)仿真模型包括發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的冷卻器支路、定子端部繞組支路、機(jī)座與導(dǎo)風(fēng)環(huán)之間支路、汽輪發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇壓頭、護(hù)環(huán)旋轉(zhuǎn)壓頭、轉(zhuǎn)子端部繞組進(jìn)風(fēng)支路、壓指之間支路、氣隙支路、冷熱風(fēng)區(qū)支路、鐵心背部風(fēng)室支路、壓圈與擋風(fēng)板之間支路和銅屏蔽與壓圈之間的支路。所述三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型包括壓圈、壓指、銅屏蔽、轉(zhuǎn)子端部繞組、定子端部繞組、鐵心、轉(zhuǎn)軸和流體域。三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型由固體區(qū)域和流體區(qū)域構(gòu)成，其中固體區(qū)域包括壓圈、銅屏蔽、定子端部繞組絕緣、上下層水管、壓指、擋風(fēng)板、隔板、氣隙隔板、槽楔和鐵心；流體區(qū)域包括流體、上下層水管入口、風(fēng)扇入口、定子鐵心背部二號(hào)風(fēng)區(qū)冷風(fēng)出口、定子鐵心背部四號(hào)風(fēng)區(qū)冷風(fēng)出口、氣隙出口和鐵心與固定壁板內(nèi)圓之間的冷風(fēng)出口。二維流體系統(tǒng)仿真求解器中二維流體系統(tǒng)仿真模型的數(shù)學(xué)方程為:
權(quán)利要求
1.一種大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，它包括以下步驟: 步驟一:將所述同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、參數(shù)化邊界條件數(shù)據(jù)和參數(shù)化網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)輸入到前處理模塊，經(jīng)前處理模塊處理后，分別生成二維流體系統(tǒng)仿真模型、三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型和三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型；同時(shí)，給二維流體系統(tǒng)仿真模型中電機(jī)各支路的風(fēng)阻系數(shù)及過風(fēng)面積賦值；給三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型施加初始化條件、載荷和材料屬性，并對(duì)三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；給三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型施加材料屬性，并對(duì)三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 步驟二:由中樞控制模塊的程序接口模塊將二維流體系統(tǒng)仿真模型傳遞給二維流體系統(tǒng)仿真求解器，將三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型傳遞給三維端部電磁場(chǎng)求解器，將三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型傳遞給三維端部流體與傳熱耦合求解器； 步驟三:二維流體系統(tǒng)仿真求解器根據(jù)電機(jī)各支路的風(fēng)阻系數(shù)及過風(fēng)面積對(duì)二維流體系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行求解，獲得三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型的邊界條件，并將此邊界條件通過數(shù)據(jù)傳遞模塊傳遞給三維端部流體與傳熱耦合求解器；三維端部電磁場(chǎng)求解器根據(jù)初始化條件、載荷和材料屬性對(duì)三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行求解，獲得三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型的載荷，并將此載荷通過數(shù)據(jù)傳遞模塊傳遞給三維端部流體與傳熱耦合求解器； 步驟四:三維端部流體與傳熱耦合求解器根據(jù)三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型的邊界條件、載荷及材料屬性計(jì)算獲得定子端部繞組表面散熱系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述參數(shù)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述參數(shù)化邊界條件數(shù)據(jù)為同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)際參數(shù)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)件的材料屬性。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述參數(shù)化網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)為根據(jù)同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸確定的劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述二維流體系統(tǒng)仿真模型包括發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的冷卻器支路、定子端部繞組支路、機(jī)座與導(dǎo)風(fēng)環(huán)之間支路、汽輪發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇壓頭、護(hù)環(huán)旋轉(zhuǎn)壓頭、轉(zhuǎn)子端部繞組進(jìn)風(fēng)支路、壓指之間支路、氣隙支路、冷熱風(fēng)區(qū)支路、鐵心背部風(fēng)室支路、壓圈與擋風(fēng)板之間支路和銅屏蔽與壓圈之間的支路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型包括壓圈、壓指、銅屏蔽、轉(zhuǎn)子端部繞組、定子端部繞組、鐵心、轉(zhuǎn)軸和流體域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，三維端部流體與傳熱 耦合計(jì)算模型由固體區(qū)域和流體區(qū)域構(gòu)成，其中固體區(qū)域包括壓圈、銅屏蔽、定子端部繞組絕緣、上下層水管、壓指、擋風(fēng)板、隔板、氣隙隔板、槽楔和鐵心；流體區(qū)域包括流體、上下層水管入口、風(fēng)扇入口、定子鐵心背部二號(hào)風(fēng)區(qū)冷風(fēng)出口、定子鐵心背部四號(hào)風(fēng)區(qū)冷風(fēng)出口、氣隙出口和鐵心與固定壁板內(nèi)圓之間的冷風(fēng)出口。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，二維流體系統(tǒng)仿真求解器中二維流體系統(tǒng)仿真模型的數(shù)學(xué)方程為:
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述三維端部電磁場(chǎng)求解器對(duì)三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行求解的具體過程為: 將三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型的求解區(qū)域Ω分為渦流區(qū)域Vl和非渦流區(qū)域V2，其中渦流區(qū)域Vl包括壓圈、銅屏蔽和壓指；非渦流區(qū)域V2包括定子端部繞組、轉(zhuǎn)子端部繞組和鐵心；三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型的數(shù)學(xué)方程為: 在渦流區(qū)域Vl中:
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，其特征在于，三維端部流體與傳熱耦合求解器根據(jù)三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型的邊界條件、載荷及材料屬性計(jì)算獲得定子端部繞組表面散熱系數(shù)的具體方法為: 流體區(qū)域的三維控制方程如下: 質(zhì)量守恒方程為:
全文摘要
大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的獲得方法，屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有大型同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載越來越高，導(dǎo)致其端部繞組發(fā)熱越來越嚴(yán)重，但端部繞組的表面散熱系數(shù)難確定的問題。它首先獲得二維流體系統(tǒng)仿真模型、三維端部電磁場(chǎng)計(jì)算模型和三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型，并通過相應(yīng)的求解器求解獲得三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型的邊界條件和載荷并傳遞給三維端部流體與傳熱耦合求解器；三維端部流體與傳熱耦合求解器根據(jù)三維端部流體與傳熱耦合計(jì)算模型的邊界條件、載荷及材料屬性計(jì)算獲得定子端部繞組表面散熱系數(shù)。本發(fā)明用于大型同步發(fā)電機(jī)定子端部繞組表面散熱系數(shù)的計(jì)算。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103198197SQ201310136038
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者李偉力, 韓繼超, 張書寬, 王立坤, 焦曉霞, 管春偉, 霍菲陽 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)