大型汽轮发电机转子温度场计算
300MW汽轮机转子冷态启动在线温度场计算与分析
22
电站系统工程
2007 年第 23 卷
2.3 克兰克-尼科尔森差分
对空间变量 R 的偏导取显式差分和隐式差分的算术平
均值，得到克兰克-尼科尔森差分：
ti' − ti ∆τ
=
a[1 2
(
t' i−1
− 2ti' + ∆R2
t' i+1
+
ti−1
− 2ti + ∆R2
ti+1
)
+
1 2Ri
(ti − ti−1 ∆R
考虑到实际转子的几何结构及其运作情况，所以将汽轮机转
子视作有中心孔的无限长圆柱体，且初温均匀，则该问题就
简化为无内热源空心圆柱一维非稳态导热问题，其数学模型
及边界条件如下：
⎧ ∂t ( R,τ
⎪ ⎪
∂τ
)
=
∂ 2t(R,τ ) a( ∂R 2
+
1 R
∂t(R,τ ∂R
))
⎪⎪t(R,0) = t0
⎨ ∂t ( R,τ
+
ti'
−
t' i−1
)]
∆R
(4)
由于克兰克-尼科尔森差分格式无论在精度方面还是稳
定性方面均优于其它两种差分格式，所以对温度场的计算采
用该差分格式。
3 克兰克-尼科尔森差分在该计算模型中实际应用
3.1 具体计算方法
综合式（1）的计算模型，采用克兰克-尼科尔森差分形
式，可得到N个封闭的线性代数方程，为方便起见，采用矩
式汽轮机。高中压转子是一根联合转子，转子中心开有贯穿
转子全长的中心孔。转子本体总长为 6 984 mm，总重为 21.5
水氢氢冷却四级汽轮发电机转子温度场数值分析
水氢氢冷却四级汽轮发电机转子温度场数值分析王芳;汤文霞;高斯博;田宇;张新宇;崔璐璐【摘要】本文以某大型水氢氢冷却四级汽轮发电机转子为研究对象,根据转子内冷却介质的流动特性和转子的结构特点建立转子的三维温度场模型.选择合理的基本假设和边界条件,对转子内冷却介质和固体区域的温度场进行数值求解,分析转子的温度分布规律.计算结果表明转子内冷却介质的最高温度为111.6℃,固体部件的最高温度均为113.3℃,在工程允许的范围内,没有超过最高温度限制.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】5页(P3-6,13)【关键词】水氢氢冷却;四级汽轮发电机;转子;温度分布【作者】王芳;汤文霞;高斯博;田宇;张新宇;崔璐璐【作者单位】哈尔滨理工大学机械与动力工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学机械与动力工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学机械与动力工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学机械与动力工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学机械与动力工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学机械与动力工程学院,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TM3110 引言电机内的损耗产生的温升是衡量电机运行的一个很重要的功能性指标[1]，尤其是在大型电机综合性能的评估中起着重要的作用。
电机的各种损耗产生的热将会影响到电机内绝缘的寿命和性能，当温升接近或超过绝缘温度最高限制值时，绝缘会发生分层、老化、脱壳等的损坏，最终导致电机停止运行[2]。
因此，准确地计算电机的流场和温度场，并且对电机各部件中绝缘易老化的部分的温升进行研究[3]，既在电机设计时更合理地选择绝缘材料和结构，以免造成浪费或者通风不好的情况，又可以作为电机运行中的监测和故障诊断的依据[4-5]。
本文以大型水氢氢冷却汽轮发电机转子为研究对象，对电机转子风路和固体部件的温度场进行研究。
转子采用轴向通风，氢气由汽、励两端的护环下分别进入铜绕组组成的风道，其中一部分氢气进入转子的本体直线段，沿中心段径向出风口进入气隙；另一部分氢气流入转子端部弧段线圈，由大齿上的出风口进入气隙。
汽轮发电机转子通风及温升计算研究
图 ３ 空 心 通 道 尺 寸
（ ５ ） 端部进风孔 距端 部轴向 中心线 ８ ０ ａ ｒ ｍ， 补 风孔 距转 子径 向 中心线 ８ ４ ６ ｍｍ， 进 风孔 尺 寸 与
空 心风 道尺 寸相 同。
１ ４
由于 ７号线 圈最长 ， 通风 条件最 恶劣 ， 所 以转 子端 部温升 计算按 ７号线 圈进 行 。 （ 下转 ２ ６页）
图 ２ 端 部 通 风 系统 示 意 图
２ ． ２ 结构尺 寸
３ 温 升 计 算
３ ． １ 转子 本体温 升计 算 转子 本体温 升 采 用计 算 程 序 计 算 ， 本体 温 升
计 算结 果列于 表 ２ 。
表 ２ 转子本体温升计算结果
鼹
（ １ ） 转子 副槽采用直槽结构 ， 槽深 为 ２ ５ ａ ｒ ｍ， 槽宽 为 １ ８ ａ ｒ ｍ。
第４ 第 ４ ８ ８ （ 卷 总 盖 第 雾 １ ７ ２ 期 ） （ ｆ Ｅ ｘ Ｘ Ｐ Ｌ ｏ Ｏ ｓ Ｓ Ｉ ｏ Ｏ Ｎ — Ｐ Ｒ ｏ Ｏ ｏ Ｏ Ｆ Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ Ｉ Ｃ Ｍ Ａ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ｅ ）
Ｐ 万 爆电机 １ ｉ 番 ’ 、 巴 ｂ
参 考 文 献
１ ５ ： Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｐ ｒ ｏ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｙ ｔ ｙ ｐ ｅ ｏ ｆ ｐ ｒ ｏ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ… ｎ’ ［ Ｓ ］ ． ［ ５ ］ 黄 国治 ， 傅 丰 礼． 中小旋 转 电机设 计 手册 ［ Ｍ］ ． 北 京： 中国电力出版社 ， ２ ０ ０ ７ ． ［ ６ ］ 盛骤 ， 谢式 千， 潘承 毅． 概 率论 与数理 统计 ［ Ｍ］ ． 上 海： 高等教 育出版社 ， ２ ０ ０ １ ．
发电机定子绕组温度的计算方法及评价
发电机定子绕组温度的计算方法及评价*刘秀杰, 杨平, 陈岩【摘要】由于大型发电机状态监测的需要，对几种发电机定子绕组温度计算方法及温度模型进行了归纳和评价，分析了各种温度计算方法的特点及应用状况，得出了基于发电机运行参数的温度模型精度较高，且适合发电机定子温度在线监测的结论。
【期刊名称】电机与控制应用【年(卷),期】2014(041)001【总页数】5【关键词】发电机；定子绕组；温度模型；状态监测0 引言随着社会用电需求不断增加，对电力系统的可靠性要求也越来越高，因而需要实现对发电设备的状态监测和评价，保证发电设备的运行可靠性。
大型发电机的在线监测与状态评价是必不可少的。
从以往大型发电机全年故障统计数据中可知，在发电机本体故障类型中，定子温度类故障占据了相当大的比重[1]。
发电机定子水冷却系统故障又是最常见的故障。
这一故障的显著征兆就是定子绕组温度迅速升高，若不能在故障早期及时检测出来，就会造成重大的经济损失。
由此可见，通过对发电机定子绕组温度进行在线监测，并对其做出准确的状态评价，可以及时有效地发现发电机定子可能潜在存在的问题，对防止事故的发生或扩大具有重要意义。
本文归纳并分析了几种已经提出的大型发电机定子绕组的温度计算方法及温度模型。
1 发电机定子绕组温度的计算方法及应用1.1 等效热路法由于发电机内部传热过程比较复杂，在实际工程问题中，通常把各部件发热引起的温度场问题简化成含集中参数的热路问题加以计算。
等效热路法实际上是根据电路理论和传热学知识，将电机绕组端部和槽部的铜损耗作为热源，通过各种相应的热阻向冷却介质传递热量，从而形成等效热路图。
在计算时认为等效热路图中各种损耗所在的部件是均质的，即假定绕组为等温体，用少量与热流无关的集中热源和等值热阻替换真实分布的热源和热阻，因此只能计算绕组的平均温度，不能完全反映温度的真实分布情况及过热点的位置和温度大小。
但其算式简单，计算结果基本符合实际。
汽轮发电机断股故障情况下电磁场和温度场的计算与分析
《汽轮发电机断股故障情况下电磁场和温度场的计算与分析》方案，其一是电机内部上层的线棒出现了10根股断裂的现象，其二就是电机内部的上层线棒上出现了15根股断裂的现象。
依据这两种方案来展开计算，经过比较之后可以得出，无论是断15根股还是断10根骨，其对电机内部电磁场的影响都相同，而且磁场的分布情况也一致。
另外，依据气隙中心处的径向磁通密度分布图来进行探究，将气隙中心位置的半径当做是磁通的密度，利用谐波对其进行分解处理，在分解过后，可以得出在股线断裂3根的时候基波的幅值参数。
接下来，在对断10根股以及15根股进行基波幅值的计算，可以得出无论是断多少股，基波幅值都处于相似的状态。
一般来说，进入槽口的径向磁通密度对上层线棒顶部股线的影响可以不计。
但是，对于大容量同步发电机，径向磁通密度在上层线棒的顶部股线产生的损耗不可忽略，它会明显地影响这些股线的局部温升。
因此，本文对进入定子齿槽的径向磁通密度进行计算与分析。
根据相关文献所述，断3股时，进入断股区域的两个齿和相邻的三个槽的径向磁通密度的分布图，由此可以清晰地显示出进入齿部的磁力线多于进入槽部的磁力线。
因为从气隙进入定子齿槽的磁力线，有向着磁导率相对较大的齿部方向偏的趋势。
1.3断股后直交轴同步电抗的计算在求出给定磁场的基础上，得到各单元的磁阻率νe，保持所有单元的νe值不变，定子依次加上直轴和交轴磁动势，分别求出对应的直轴、交轴磁场和相应的电抗，再加上定子端部漏抗，即可得到该工况下的xd和xq。
根据文献所述，电机工作时各相的饱和程度不同，进而各相的电抗值会有所差异。
计算得到定子绕组断3根股线时的直、交轴电抗值，交轴电抗的标准值为1.61。
表1给出了断3股、10股、15股和不断股情况下的直交轴同步电抗。
从表1中可以看出，断股时直轴同步电抗相等，交轴同步电抗相等，且和额定状态下的直交轴同步电抗近似相等。
这种现象是由于定、转子的电流值也基本不变，而电抗是与磁路结构有关系的量，所以电抗值基本不变。
发电机转子温度计算
华豫电厂发电机转子温度测量计算我厂的励磁系统采用的R-R公司自并励系统，但是在转子温度测量的技术上，仍然采取传统的软件计算获得的，其软件逻辑如下：从逻辑上看，其温度测量时一个开环传递函数。
通过转子电压与转子电流的比值（实际上得出转子间的电阻），再加上温度补偿计算而的。
＃2机励磁温度测量定值如下：1、按照常规的绕组平均温度计算，则温度与电阻的关系式x θ=1K KR X -001R K K θ+=式中））时绕组的热态电阻（（－－－Ω︒C R XX θ ）时绕组的冷态电阻（Ω︒----)(00C R θ。
，铝导体为－－－常数，铜导体为225235K 12、R-R 厂家的温度定值整定原则:确认转子温度放大系数（K ）和补偿（A ）参数，按要求值设置。
从以下等式可以确定参数。
必须知道在2个温度的每个温度下的转子电阻（R 1、T 1和R 2、T 2）。
1112112T 1A 815160R 1K )(－＝补偿＝放大系数ααα⨯⨯-⨯-=T T R R R其中V ,I=1pu 励磁电压/amps （大约160V/815A ）通过运行中检测两组数据，转子电阻可以根据转子电压与转子电流的比值，实际上是动态过程的转子直阻。
则，T 1＝80，T 2＝110，K ＝272，A ＝235以图示可知:则， R 1＝0.2256； R 2=0.2472线性方程可得2331389-⨯=X X R θ为测量时的转子直阻为测量时的温度式中：X X Rθ把下列数据带入可知,数值差不多;另外,1PU 转子电压=160V ；1PU 转子电流=815A 。
附：在运行中,跟踪转子测量数据发电机转子温度监测算法的研究与实现大型发电机组中转子的温度是发电机运行的重要监视参数。
研究了基于励磁电流的发电机转子温度间接测量算法，分析了相关因素及其物理方程。
结合工厂试验数据，给出了发电机转子温度间接测量算法流程。
利用DCS系统二层处理单元(PU)进行二次程序开发，实现循环迭代的复杂算法，通过人机界面监测显示转子的温度。
国产300MW汽轮机转子热应力的计算与分析_黄保海
国产300M W汽轮机转子热应力的计算与分析(250002)山东电力高等专科学校 黄保海(071003)华北电力大学 李维特摘 要 介绍了用有限单元法计算国产300M W冲动式汽轮机转子冷态启动过程中的温度场和热应力场,以计算机输出的图形形式给出了计算结果,通过对计算结果的分析,对机组运行提出了建议。
关键词 汽轮机 转子 有限单元法 温度场 热应力场 冷态启动 汽轮机在启、停过程中,由于转子表面和中心孔存在温差,汽缸内外壁存在温差,在这些部位会产生热应力,热应力的大小直接影响到机组的启停速度和寿命。
大容量汽轮机一般采用双层缸结构,减薄了汽缸壁的厚度,从而减小了启停时汽缸上的热应力;而大容量汽轮机的转子直径增大,增加了启停时的内外温差,使转子热应力增大。
因此分析转子热应力在启停时的变化规律,并使之控制在合理的范围内,是制订大机组合理运行方式的依据。
考虑到汽轮机转子的结构较复杂,本文采用有限单元法求解汽轮机转子的温度场和应力场。
1 数学模型1.1 温度场数学模型根据文献〔1〕,计算机汽轮机转子的不稳定温度场时,可以认转子是一个均匀、各向同性且无内热源的物体,属于解轴对称非定常温度函数问题,温度t(z、r、S)在区域D中应满足下列偏微分方程式:5t 5S=KCp Q(52t5z2+52t5r2+1r5t5r)(1) 式中 K-材料的导热率Q-材料的密度C p-材料的比热求解该微分方程的初始条件为t(z,r)S=0=f(z,r)对汽轮机转子来说,其外表面可作为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件,即:-K5t5nû#=A(t-t f)(2)式中 A-蒸汽与转子表面的放热系数;t f-与转子表面接触的汽温。
当放热系数A=0时,式(2)化绝热边界条件,即无热交换,如转子的中心孔边界;若A→∞,则t(z,r)ûS=t f,此时由第三类边界条件转化为第一类边界条件,即被加热物体的表面温度与介质温度相等。
空冷汽轮发电机定子端部电磁场和温度场耦合计算
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ａｉ ｎ ｔ ｈ ｃ ｕ ａ ｅｃ ｌｕ ａｉ ｎ ｏ ｅ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｉｅ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｒ ｐ ｓ ｓ ｔ ｏ ｆ ｓ ｒ ｃ ： ｍｉ ｇ ａ ｅａ ｃ ｒ ｔ ａ ｃ ｌｔ ｆ ｈ ｔ ｏ ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅｒｓ ，ｈ ｓ ａ ｅ ｏ ｏ ｅ ｍｅｈ ｄ ｏ ｐ ａ ｃ ｌｕ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍａ ｅ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｌ ｓ ｅ ｒ ｍ Ｄ ｎ ． ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔ ｅｄ ｏ ｉ ｅ ｗｉ ｈ ａｃ ｌｔ ｈ ｒ ｌｆ ｌ ｈ ｏ ｇ ｈ ｏ ｓ ｓ ｆｏ ３ ｅ ｄ ｅｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｆ ｌ ｓ ｃ ｍｂ ｎ ｔ ｔ ｅ ｎ ｉ ｃｉ ｈ ｓ ｒａ ｅ ｈ ａ ｒ ｎ ｆ ｒｃ ｅ ｆ ｉ ｎ ｏ ａ ａ ｙ ｉ ｅｈ ｄ Ｔａ ｉ ｇ ａ １ ０ Ｗ ｉ－ ｏ ｌ ｇ ｔ ｂ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｕ ｆ ｃ ｅ ｔ ａ ｓｅ ｏ ｆ ｃ ｅ ｔ ｍ ｎ ｌ ｔ ｍ ｔ ｏ ． ｋ ｎ Ｍ ｔ ｉ ｉ ｆ ｃ ５ ａ ｃ ｏ ｉ ｕ ｏ ｅ ｅ ａｏ ｒ ｎ ｒ
［ 关键词］ 发 电机 ；端部 ；磁场 ；温度 场
［ 图 分 类 号 ］Ｔ ３ 中 Ｍ １ １ ［ 献 标 识 码 ］ ［ 章 编 号 ］１０ ．９ ３２ １）４０ ０ —４ 文 Ａ 文 ００３ ８ （０ ００ —０ ５０
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０ 引 言
随 着汽轮 发 电机 单 机 容 量 不断 增 加 ， 机 热 电 负荷 也 随之提 高 ， 温升 亦 随之增 加 ， 导致 电机电机 模 型 ， 转 子 电 对 磁 场 与温度 场 进 行 了 计 算 ， 定 了 热 源及 边 界条 确
件， 证明了详细的温度分布 ， 出了一些有用的结 得
爆 也 机
ｆ ＰＯ ＩＮ ＰＲＯＯＦ ＥＬ ＴＲＩ Ｅ ＬＳ Ｘ Ｏ ＥＣ Ｃ ＭＡＣＨＩ ＮＥ）
—
第４ 卷 （ ７ 总第 １ ８ ） 期 ６
２１ 第 期 ０ 年 ５ ２
大 型 汽 轮 发 电机 转 子 温 度 场 计 算
吕向 平
（ 尔滨 电 气动 力装备 有 限公 司 ， 哈 黑龙 江哈 尔滨 １０ ４ ） ５ ０ ０
散热 系数 作为温度场求解条件 ， 汽轮 发 电机转 子直线 段部 分三维温 度场进 行计 算 ， 到了 发 电 对 得
机额定 载运行 时转子温度场分布 。 关键 词 大型汽轮发 电机 ； 子 ； 转 损耗 ； 温度场 中图分类 号 ：Ｍ １ 文献标 识码 ： 文章编 号 ：０ ８７ ８ （０ ２ ０ －０ ３０ Ｔ ３１ Ａ １０ —２ １ ２ １ ）５０ ２ － ４
ｔ ｅｂ ｓｃ ａ ｓ ｍｐ ｉｎ ｉ ｏｖｎ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｃ ｒｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｂ ｕ ｄ ｒ ｏ ｄ ｔ ｎ ａ ｅ ｎ ｈ ａ ｈ ａ ｉ ｓｕ ｔ ｓ ｎ ｓｌｉ ｇ ｒｇｏ ｎ ｏｒ ｓ ｏ ｄ ｎ ｏ ｎ ａ ｙ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ｔ ｏ ｉ ｔａ ｓｅ ｈ ｏ ｙ ｅｔ ｂｉｈｎ ｆｎｔ －ｌｍｅ ｔｍｏ ｅ ｆ１ ４ ｔ ｅ ｒ ｔｒｃｒ ｕ ｅ ｅ ｃ ｎ ｌ － ｒ ｎ ｆｒｔ ｅ ｒ ｂ ｓａ ｌｓ ｉｇ ａ ３ ｉ ｉ － ｅ ｎ ｄ ｌｏ ／ ｈ ｏｏ ｉｃ ｍｆｒ ｎ ｅ ｉ ｃｕ－ ｙ Ｄ ｅｅ
摘 要 以一 台空 冷汽轮发电机作 为研 究对象 ， 根据 传热 学原理 ， 过建 立转 子绕 组槽 绝缘 通 与槽楔 的转子 圆周 １４三维 有限元模 型 ， 出了求解 域内 的基 本假设及相 应 的边 界条件 。根 据气 ／ 给 隙磁 密的提取 ， 计算 出额定工况 下转子 表面 杂散损 耗 ， 以转子 绕组 电阻损耗 和 表面杂散 损耗 作为 热源 ， 采用解析法计算得到转子通 风沟 表面 散热 系数 ， 并以此为基础 ， 将计 算得到 的各项损耗 值及
Ｔｅ ｐｅ ａ ｕ ｅ Ｆｉ ｌ ｌｕｌ ｔｏ ｏ ｔ ｒ ｏ ｒ ｅ Ｔｕｒ ｉ ｅ Ｇｅ ｒ ｔ ｒ ｍ ｒ ｔ ｒ ｅｄ Ｃａ ｃ ａ ｉ ｎ ｆ ｒ Ｒｏ ｏ ｆＬａ ｇ ｂ ｎ ｎｅ ａ ｏ
Ｘ ｉｎ ｐｉｇ ａｇ ｎ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｋｎ ｎ ａｒｃｏｅ ｕｂｎ ｅ ｅａｏ ｓａｒｓａｃ ｂｅｔ ｈｓｐ ｐ ｒｇｖ ｓ ｓｒ ｃ ａ ｉｇ ａ ｉ—ｏ ｌｄ ｔｒ ｉｅ ｇｎ ｒｔｒａ ｅｅ ｒｈ ｏｊｃ，ｔｉ ａ ｅ ｉｅ