基于风路-流体-传热协同耦合计算转子多物理场的方法与流程

本发明涉及汽轮发电机技术领域，尤其涉及一种基于风路-流体-传热协同耦合计算转子多物理场的方法。

背景技术

汽轮发电机是电网的主要装备之一，是电能的直接生产者，约80％的电能由汽轮发电机产生。而核电汽轮发电机在电能生产过程中占据重要的位置，一套核电汽轮发电机的造价多达上亿元，其安全发电也直接关系着很大一片区域的稳定用电，因此，保证汽轮发电机的正常运行，直接或间接的关系着国民经济的健康发展。

而由于核电汽轮发电机的通风系统非常复杂，建立汽轮发电机全流域的三维流体与传热复杂的数值计算模型进行计算，不但耗时高，计算难度也大；而计算转子多物理场，其出入口边界又难以确定。在难以确定转子出入风口的条件时，建立全域的流体与传热模型，不仅模型建立、剖分、计算难度大，而且计算难以收敛，得不出准确的计算结果

现有技术中还没有一种有效的计算汽轮发电机转子的多物理场的方法。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种基于风路-流体-传热协同耦合计算转子多物理场的方法，可以在保持汽轮发电机转子的多物理场的计算精度的情况下，节省计算时间。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于风路-流体-传热协同耦合计算转子多物理场的方法，包括：

建立计及汽轮发电机转子旋转的全域流体网络模型，利用所述全域流体网络模型计算转子处的入风压力和出风压力；

基于所述全域流体网络模型构建汽轮发电机转子温度场的三维实体模型，对所述三维实体模型进行网格划分，建立所述三维实体模型对应的汽轮发电机转子温度场的计算模型；

计算汽轮发电机转子的铜排铜耗、齿部基本铁耗和附加损耗，并将所述铜排铜耗、齿部基本铁耗和附加损耗分别转化为热密，再将热密附加至所述汽轮发电机转子温度场的计算模型的对应部位；

对所述汽轮发电机转子温度场的计算模型进行计算，获取所述汽轮发电机转子的三维多物理场，得出所述汽轮发电机转子的通风沟内表面的散热系数分布。

进一步地，所述全域流体网络模型包括：z1短路流、z2冷却器、z3冷却器出口、z4定子背部入口、z5定子背部、z6定子励端端部、z7气隙进口、z8气隙励端、z9气隙汽端、z10气隙出口、z11转子线圈励端端部、z12转子线圈励端直线段、z13转子线圈汽端直线段、z14转子线圈汽端端部、z15转子入口、z16出线盒i/o、z17出线盒、z18出线盒通风管、z19励端磁屏蔽、z20定子铁心轴向通风孔、z21边段铁心励端齿压风道、z22边段铁心汽端齿压风道和z23汽端磁屏蔽。

进一步地，所述的利用所述全域流体网络模型计算转子处的入风压力和出风压力，包括：

所述汽轮发电机转子处的入口压力和出口压力的计算方式如下：

式中，δp为压力差值(pa)，ζ为阻力系数，l为计算区段的管长(m)，d为计算区段的水力直径(m)，ρ为流体密度(kg/m³)，v为流体的速度矢量(m/s)。

进一步地，所述的基于所述全域流体网络模型构建汽轮发电机转子温度场的三维实体模型，对所述三维实体模型进行网格划分，建立所述三维实体模型对应的汽轮发电机转子温度场的计算模型，包括：

在所述全域流体网络模型的基础上，根据所述汽轮发电机的实际结构和尺寸，构建核电汽轮发电机转子温度场1/8周向、半个轴向长的三维实体模型，所述三维实体模型分别包括：转子铁芯、绕组内铜排、匝间绝缘、主绝缘、槽楔和通风沟；

对所述三维实体模型进行网格划分，建立对应的汽轮发电机转子的温度场的计算模型，该汽轮发电机转子温度场的计算模型包括：转子铁芯、绕组内铜排、匝间绝缘、主绝缘、槽楔和通风沟，其中，转子铁芯包含转子齿和转子轭，所述转子齿与所述转子轭连接，所述转子齿为不等间距的弧形结构，两相邻的弧形结构中间有长方体结构的槽，长方体结构的槽内放置了绕组，在绕组内包含铜排、匝间绝缘、主绝缘和槽楔，铜排和匝间绝缘交替排列在槽内，槽楔排列在挨着槽口的铜排上侧，主绝缘排列在整齐排列的铜排、匝间绝缘和槽楔的外侧，挨着转子齿，转子绕组内有通风沟，通风沟内有氢气流过。

进一步地，所述的计算汽轮发电机转子的铜排铜耗、齿部基本铁耗和附加损耗，包括：

所述汽轮发电机转子的铜排为直流电产生，基于电磁场理论方法计算出汽轮发电机转子的铜排铜耗和齿部基本铁耗；

所述汽轮发电机转子的附加损耗采用如下公式进行计算得出：

所述汽轮发电机转子铁芯表面的附加损耗q2sh包括：

1)定子磁场高次谐波在转子表面产生的短路损耗q2vk；

2)定子齿谐波在转子表面产生的短路损耗q2zk；

3)定子齿谐波在转子表面产生的空载损耗q2zo；

4)转子与冷却气体的摩擦损耗q2h，计算单位为kw：

式中，为定子磁场高次谐波在转子表面产生损耗的计算系数；as1为定子线负荷a/cm；kδ为气隙系数；δ为单边气隙mm；di为定子铁芯内径；p为级对数；l2为转子本体长度mm；f为频率hz；

式中，为定子齿谐波在转子表面产生损耗的计算系数；z1为定子槽数；

式中，bδ为气隙中的磁通密度gs；kδn为定子槽的气隙系数；lef为定子铁心净长度mm；

式中，d2为转子外径mm；ph为所采用的氢压；pho为电机中的正常氢压。

进一步地，所述的对所述汽轮发电机转子温度场的计算模型进行计算，包括：

对所述汽轮发电机转子温度场的计算模型采用流固耦合k-ε模型模拟湍流方程进行计算，所述流固耦合k-ε模型模拟湍流方程具体满足下述式(7)～(9)：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，ρ为密度，vr为相对速度矢量，r为转动坐标系中的微元体的位置矢量，p为作用于空气微元体上的静压力，τ为因分子粘性作用而产生的作用于微元体表面的粘性应力，ρ(2ω×vr+ω×ω×r)为科里奥里力，f为微元体上的体积力，t为温度，v为绝对速度，λ为导热系数，c为定压比热，sr为单位体积内热源产生的热量与c的比值；

所述流固耦合k-ε模型模拟湍流方程的计算公式如下：

式中，k为湍流动能，ε为扩散因子，ρ为流体密度，v为流体速度矢量，t为时间，gk为紊流产生率，ut为紊流粘性系数，g1ε、g2ε为常量，σk和σε为紊流普朗克常数；

所述汽轮发电机转子温度场的计算模型的传热方程为：

式中，λx、λy、λz分别是不同方向上的传热系数；qv为内部热源密度。

进一步地，所述的对所述汽轮发电机转子温度场的计算模型进行计算，包括：

对汽轮发电机转子温度场的计算模型进行计算，分别计算出所述汽轮发电机转子温度场的计算模型的边界面和进出口；

所述边界面包括：散热面和绝热面；

所述边界面和进出口在所述汽轮发电机转子温度场的边界条件如下：

在所述汽轮发电机转子温度场的计算模型中，所述绝热面为四面，包括：s2，s3，s4，s6，所述绝热面分别满足以下条件：

式中，t是物体的温度，n是边界法向量；

所述散热面为两面，包括：s1和s5，分别满足以下条件：

式中，λ为导热系数，α为散热系数，tf为周围环境温度；

所述进出口分别为：s7和s8，所述进出口分别满足入口压力边界和出口压力边界的给定条件，所述入口压力和出口压力根据汽轮发电机的全域流体网络模型计算得出；所述的入口温度和出口温度根据转子工厂给定的进风风温和计算得出的齿表面温度给出。

进一步地，所述的还包括：

基于所述汽轮发电机转子温度场的计算模型的传热方程、边界面和进出口，通过所述流固耦合k-ε模型模拟湍流方程利用有限体积方法计算出所述汽轮发电机转子的三维多物理场，得出所述汽轮发电机转子的通风沟内表面的散热系数分布。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供的风路-流体-传热协同耦合方法计算转子多物理场的方法，通过建立计及汽轮发电机转子旋转的全域流体网络模型，可以利用全域流体网络模型计算转子处的入风压力和出风压力，从而可以有效节省汽轮发电机转子的三维多物理场的计算时间，得出汽轮发电机转子的通风沟内表面的散热系数分布，并且提高计算的准确性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种风路-流体-传热协同耦合方法计算汽轮发电机转子的多物理场的方法的处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种汽轮发电机的全域风路求解模型；

其中，z1-短路流、z2-冷却器、z3-冷却器出口、z4-定子背部入口、z5-定子背部、z6-定子励端端部、z7-气隙进口、z8-气隙励端、z9-气隙汽端、z10-气隙出口、z11-转子线圈励端端部、z12-转子线圈励端直线段、z13-转子线圈汽端直线段、z14-转子线圈汽端端部、z15-转子入口、z16-出线盒i/o、z17-出线盒、z18-出线盒通风管、z19-励端磁屏蔽、z20-定子铁心轴向通风孔、z21-边段铁心励端齿压风道、z22-边段铁心汽端齿压风道、z23-汽端磁屏蔽；

图3为本发明实施例提供的一种汽轮发电机转子的温度场计算的求解域和边界条件；

其中，1-转子齿、2-转子轭、3-转子铜排、4-层间绝缘、5-槽楔、6-主绝缘、7-通风沟；

图4为本发明实施例提供的一种汽轮发电机转子热密计算的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提出了风路-流体-传热协同耦合的方法计算核电汽轮发电机转子的多物理场。通过建立全域流体网络模型计算转子出入风口的压力值，在此基础上，建立转子流体与传热计算模型，计算转子的多物理场。

实施例一

本发明实施例提供了一种风路-流体-传热协同耦合计算汽轮发电机转子的多物理场的方法，在保证计算精度的前提下，极大地节省了计算汽轮发电机全域多物理场的计算时间。

本发明实施例提供了一种风路-流体-传热协同耦合方法计算汽轮发电机转子的多物理场的方法，其计算流程图如图1所示，该方法包括：建立如图2所示的计算汽轮发电机转子旋转的全域流体网络模型，其中，z1-短路流、z2-冷却器、z3-冷却器出口、z4-定子背部入口、z5-定子背部、z6-定子励端端部、z7-气隙进口、z8-气隙励端、z9-气隙汽端、z10-气隙出口、z11-转子线圈励端端部、z12-转子线圈励端直线段、z13-转子线圈汽端直线段、z14-转子线圈汽端端部、z15-转子入口、z16-出线盒i/o、z17-出线盒、z18-出线盒通风管、z19-励端磁屏蔽、z20-定子铁心轴向通风孔、z21-边段铁心励端齿压风道、z22-边段铁心汽端齿压风道、z23-汽端磁屏蔽。

考虑多级压气机式轴流风扇产生的氢气压力值pf和转子旋转产生的离心压力pr；以及氢气流过冷却器、定子轭背部、气隙、转子线圈、出线盒、定子铁芯等通风区域时，会产生局部阻力和沿程阻力，计算汽轮发电机转子处的入风压力和出风压力。

在上述全域流体网络模型的基础上，构建核电汽轮发电机转子温度场1/8周向、半个轴向长的三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分，建立对应的汽轮发电机转子的温度场的计算模型。图3为本发明实施例提供的一种汽轮发电机转子的温度场计算的求解域和边界条件，其中，1-转子齿、2-转子轭、3-转子铜排、4-层间绝缘、5-槽楔、6-主绝缘、7-通风沟。

图4为本发明实施例提供的一种汽轮发电机转子热密计算的流程图，具体包括：计算核电汽轮发电机转子的铜排铜耗、齿部基本铁耗和附加损耗，并将所述铜排铜耗、齿部基本铁耗和附加损耗分别转化为热密，再将热密附加至所述汽轮发电机转子的温度场的计算模型的对应部位。

对汽轮发电机转子的温度场的计算模型进行计算，得到相应的汽轮发电机转子的三维多物理场，从而得出汽轮发电机转子的通风沟内表面的散热系数分布。

汽轮发电机转子的入口压力和出口压力根据汽轮发电机的全域流体网络模型计算得出，汽轮发电机转子的入口压力和出口压力的计算方式如下：

在上述全域流体网络模型中，已知多级压气机式轴流风扇产生的氢气压力值pf和转子旋转产生的离心压力pr，以及流体流过区域的阻尼，根据电网络理论，利用下式，可以计算出各个节点的压力值：

式中，δp为压力差值(pa)，ζ为阻力系数，l为计算区段的管长(m)，d为计算区段的水力直径(m)，ρ为流体密度(kg/m³)，v为流体的速度矢量(m/s)。

利用式(1)，计算出汽轮发电机转子的入风压力和出口压力。

构建核电汽轮发电机转子温度场的三维实体模型，包括：根据核电汽轮发电机的实际结构和尺寸，建立汽轮发电机转子温度场的三维实体模型；三维实体模型分别包括：转子铁芯、绕组内铜排、匝间绝缘、主绝缘、槽楔和通风沟。

对汽轮发电机转子温度场的三维实体模型进行网格划分，建立对应于汽轮发电机转子温度场的三维实体模型的汽轮发电机转子温度场的计算模型，该汽轮发电机转子温度场的计算模型包括：转子铁芯、绕组内铜排、匝间绝缘、主绝缘、槽楔和通风沟。其中，转子铁芯包含转子齿和转子轭两部分，构成了三维实体模型的主体部分，转子齿与所述转子轭连接，转子齿为不等间距的弧形结构，两相邻的弧形结构中间有长方体结构的槽，长方体结构的槽内放置了绕组，在绕组内包含铜排、匝间绝缘、主绝缘和槽楔，铜排和匝间绝缘交替排列在槽内，槽楔排列在靠近槽口的铜排上侧，主绝缘排列在整齐排列的铜排、匝间绝缘和槽楔的外侧，紧挨转子齿，转子绕组内有通风沟，通风沟内有氢气流过。

如图2所示，计算核电汽轮发电机转子的铜排铜耗、齿部基本铁耗和附加损耗，并将所述铜排铜耗、齿部基本铁耗和附加损耗分别转化为热密，再将热密附加至所述温度场的计算模型的对应部位，包括：

建立核电汽轮发电机转子的铜排为直流电产生，只有基本铜排铜耗，根据所述的损耗计算的表达式，基于电磁场理论方法计算出汽轮发电机转子的铜排铜耗和齿部基本铁耗。

汽轮发电机转子的附加损耗，是基于电磁理论和机械理论的相关知识，采用如下公式进行计算得出：

转子铁芯表面的附加损耗q2sh主要有：1)定子磁场高次谐波在转子表面产生的短路损耗q2vk；2)定子齿谐波在转子表面产生的短路损耗q2zk；3)定子齿谐波在转子表面产生的空载损耗q2zo；4)转子与冷却气体的摩擦损耗q2h，计算单位为kw：

式中，为定子磁场高次谐波在转子表面产生损耗的计算系数；as1为定子线负荷(a/cm)；kδ为气隙系数；δ为单边气隙(mm)；di为定子铁芯内径；p为级对数；l2为转子本体长度(mm)；f为频率(hz)。

式中，为定子齿谐波在转子表面产生损耗的计算系数；z1为定子槽数。

式中，bδ为气隙中的磁通密度(gs)；kδn为定子槽的气隙系数；lef为定子铁心净长度(mm)。

式中，d2为转子外径(mm)；ph为所采用的氢压；pho为电机中的正常氢压。

根据上述公式，基于电磁场理论方法和机械理论方法计算出所述核电汽轮发电机转子的铜排铜耗、铁芯基本铁耗和附加损耗；

将计算得到的核电汽轮发电机转子的铜排铜耗、铁芯基本铁耗和附加损耗，分别附加至所述汽轮发电机转子温度场的计算模型。

对所述的汽轮发电机转子温度场的计算模型进行计算，需要先分别计算出所述汽轮发电机转子温度场的计算模型的传热方程、边界面和进出口压力，包括：

对汽轮发电机转子温度场的计算模型，采用标准的流固耦合k-ε模型模拟湍流方程，具体满足下述式(7)～(9)：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，ρ为密度，vr为相对速度矢量，r为转动坐标系中的微元体的位置矢量，p为作用于空气微元体上的静压力，τ为因分子粘性作用而产生的作用于微元体表面的粘性应力，ρ(2ω×vr+ω×ω×r)为科里奥里力，f为微元体上的体积力，t为温度，v为绝对速度，λ为导热系数，c为定压比热，sr为单位体积内热源产生的热量与c的比值；

利用标准的流固耦合k-ε模型模拟湍流方程如下：

式中，k为湍流动能，ε为扩散因子，ρ为流体密度，v为流体速度矢量，t为时间，gk为紊流产生率，ut为紊流粘性系数，g1ε、g2ε为常量，σk和σε为紊流普朗克常数；

汽轮发电机转子多物理场采用风路-流体-传热协同耦合的方法计算，则汽轮发电机转子温度场的传热方程为：

式中，λx、λy、λz分别是不同方向上的传热系数；qv为内部热源密度。

对汽轮发电机转子温度场的计算模型进行计算，分别计算出汽轮发电机转子温度场的计算模型的传热方程、边界面和进出口，还包括：

边界面包括：散热面和绝热面；

边界面和进出口在所述汽轮发电机转子温度场的边界条件如下：

在汽轮发电机转子温度场的计算模型中，绝热面为四面，包括：s2，s3，s4，s6，绝热面分别满足以下条件：

式中，t是物体的温度，n是边界法向量；

散热面为两面，包括：s1和s5，分别满足以下条件：

式中，λ为导热系数，α为散热系数，tf为周围环境温度；

进出口分别为：s7和s8，进出口分别满足入口压力边界和出口压力边界的给定条件，入口压力和出口压力根据核电汽轮发电机的全域流体网络模型计算得出；入口温度和出口温度是根据转子工厂给定的进风风温和计算得出的齿表面温度给出的。

基于汽轮发电机转子温度场的计算模型的传热方程、边界面和进出口，通过所述流固耦合k-ε模型模拟湍流方程利用有限体积方法计算出所述汽轮发电机转子的三维多物理场，即速度场、压力场和温度场，从而得出汽轮发电机转子的通风沟内表面的散热系数分布。

实施例二

该发明实施例提供了有限体积方法计算汽轮发电机转子温度场，其处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：先建立计及转子旋转的全域流体网络模型，如图2所示，计算转子出入风口的压力。在此基础上，根据一台1100mw的核电汽轮发电机转子的世界结构和尺寸，建立的转子1/8圆周，半个轴向段的三维实体模型，对实体模型进行划分，建立对应于所述汽轮发电机转子温度场实体模型的汽轮发电机转子温度场的计算模型，如图3所示。

在图3中，所述的计算模型包括：转子铁芯、绕组内铜排、匝间绝缘、主绝缘和槽楔。

根据电磁理论和机械理论，计算出转子铜排铜耗、齿部基本铁耗和附加铁损耗，转化为热密，附加至相应的位置，如图4所示。

根据所述转子三维温度场的传热方程、边界面和进出口，得出转子的温度分布规律。通过采用风路-流体-传热协同耦合的计算方法，可以保证计算的准确性，并且节省计算时间，为大型汽轮发电机的安全运行提供理论支撑。

本发明实施例提供的一种计算大型汽轮发电机转子多物理场的新方法：风路-流体-传热协同耦合计算方法，该方法是以大型核电汽轮发电机转子的新模型为例，但该方法不仅仅局限于核电汽轮发电机的转子部分，同时适用于任意种类电机多物理场计算，尤其是大型汽轮发电机。

综上所述，本发明提供的风路-流体-传热协同耦合方法计算转子多物理场的方法，通过建立计及汽轮发电机转子旋转的全域流体网络模型，可以利用全域流体网络模型计算转子处的入风压力和出风压力，从而可以有效节省汽轮发电机转子的三维多物理场的计算时间，得出汽轮发电机转子的通风沟内表面的散热系数分布，并且提高计算的准确性。

本发明实施例通过构建汽轮发电机全域流体网络和转子的流体与传热的温度场计算模型，通过流体网路和流体与传热模型之间的弱耦合，可以有效地节省计算时间，并且准确计算初转子温度场。同时，由于转子的旋转作用，转子的温度难以测量，通过利用流体网络计算出的压力值与转子压力实测值进行比较，更容易判断计算结果的准确性。本发明为大型核电汽轮发电机的多物理场计算提供了一种新的思路，并且可以有效地满足计算精度并节省计算时间。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。