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随着水电行业的发展,电站对发电机组运行的安全稳定性越来越重视。集电装置是水轮机发电机组中将励磁电流接入转子的关键部件,传导励磁电流过程中集电环与碳刷产生大量的热和摩擦会产生许多细小碳粉。然而,集电环过热会导致机组内相关的绝缘设备迅速老化失效,大量的碳粉积存会导致集电环正、负极短路和爆燃,严重危害发电机组安全运行。本论文以碳粉收集装置为研究对象,采用有限元数值模拟和实验验证相结合的方法研究其内部流动,散热特性以及流场中碳粉颗粒的粒子轨迹,对后续发电机组集电装置的改造和碳粉收集装置的设计和优化提供一定的理论支持。本论文首先采用可实现k-ε湍流模型对碳粉收集装置内的流体流动进行数值模拟,与搭建的等比例实验台流场测试结果进行对比分析。基于三峡左岸电站VGS试验机组,确定了额定工况励磁过程中集电装置的热源组成,进一步模拟加装碳粉收集装置的集电装置额定工况下的散热,与监测得到的试验机组集电环表面的平均温度值对比,两者吻合较好。进而模拟碳粉收集装置中一台和两台除尘风机损坏时,VGS发电机组励磁系统额定工况下碳粉收集装置的散热特性。得知:这两种状况下发电机组仍能安全运行。最后,勘察试验机组试运行三个月后的碳粉收集情况,并通过激光力度分析仪测量分析掉落碳粉的粒度分布。基于此,分别对流场中颗粒粒径为10μm、15μm、30μm、60μm和100μm的碳粉进行了轨迹模拟。发现:(1)碳粉的主要堆积位置与观察情况相同,但在集尘罩的下沿沉积的碳粉颗粒很少;(2)30μm以下的细小碳粉颗粒,需更长时间脱离流场旋涡气流的影响,仅在下集电环处碳刷的上表面有堆积;(3)60μm和100μm的颗粒能够迅速被除尘风机吸出或沉积于下集电环处碳刷的上表面和吸尘软管的入口段。