国家节能减排要求,2020年单位年国内生产总值能耗相比2015年要下降15%,能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内。目前,市场上的汽轮发电机组投建项目中,几乎没有煤电项目。市场需求促使汽轮发电机组正逐渐向燃气轮机组、自备电站余热回收、生活垃圾焚烧、生物质秸秆焚烧等小容量发电项目发展。空冷发电机机组作为这些项目的核心设备,正向着小型化、高效率发展。为了提高产品的市场竞争力,各主机制造厂家纷纷致力于容量段为10MW-150MW空冷发电机组的二次研发设计。新机组设计需要计算精度更高,更加准确快速的计算方法支撑。目前,传统通风网络设计方法大部分采用一维管道流设计方法,该设计方法仅可得到发电机总风量,无法准确地获取发电机内部各结构风量分配的比例。本文以10OMW和150MW空冷发电机组为研究对象,提出了转子旋转强耦合与弱耦合的有限元计算方法。随后,用试验的方法测量了机组额定运行时,发电机定子通风沟处和气隙入口处空气的流量及不同位置定、转子线圈温度实验结果。在验证了计算方法正确性的前提下,提出了定-转子与流-固并行耦合的计算模型,得到了流体流量分配与固体温升和损耗密度间相互作用关系。最后,对定子主绝缘在高电压-高温度运行条件下,出现的脱壳故障,进行了故障状态和非故障状态相关定子线棒主绝缘温度分布的研究。考虑转子旋转时,场路弱耦合有限元计算方法是基于发电机通风系统设计规范中的设计思想提出的,主要借鉴了该规范中转子压力边界条件的求解方法,结合流体力学伯努利方程求解;转子旋转强耦合有限元计算方法是通过求解计算流体力学中旋转方程,得到的转子内部空气的流量与压力分布。转子弱耦合和强耦合计算方法有本质的不同,弱耦合计算方法得到的流体流量和线圈温度的结果是可靠的,但由于计算基本理论的限制,内部压力分布规律与真机运行下的参数有较大差异;强耦合计算方法得到的各个位置流体的流量和压力分布,更接近电机真机的运行状态。通过试验验证,两种计算方法流量计算结果均满足工程设计要求,强耦合有限元计算方法的精度更高。因为大型发电机内设有温度测点用于监测发电机的安全运行,所以大多数关于发电机定子内流体流动规律研究的文献,都是以发电机温度实测值作为计算准确性的判定依据。但研究发电机内部流体分布规律,最直接的验证方式是获得发电机真机内部流体流量和压力分布实验测量值,以此试验值作为流体场计算结果的判定依据。本文以一台100MW单路通风汽轮发电机组为研究对象,提出了流体通风沟流量分配和气隙流速的试验测量方法。在发电机定子通风沟与气隙入口处理放流体压力和流速测量传感器,通过测量得到这些位置的压力和风速后,发现局部定子径向通风沟内的流体流速明显偏低。随后通过三维流体场计算方法,计算得到了试验工况时发电机定子不同通风沟内流体流速计算结果,经比较计算结果与试验结果吻合。基于该计算方法,又计算了三种不同隙入口流速时,对应发电机定子不同通风沟内流量计算结果。发现了随着气隙入口风速的提高,定子铁心通风沟局部会出现逆向回流的流动现象。为了分析这一现象的影响,建立了相应的三维温度场计算模型。求解分析后,得出定子通风沟内的逆向回流,会使定子铁心局部温度过高,影响机组安全运行的结论。并提出了相应的多种结构优化方案,最终确定了一种优化结构,可以有效的抑制逆向回流的产生。并从气隙内流体静压力分布规律角度,分析了该优化结构能够有效的抑制通风沟逆向回流的内在机理。根据计算流体力学与传热学基础理论,提出了定-转子结构耦合与流-固传热耦合计算方法,将冷却过发电机转子的热风与进入气隙的冷风作为计算的流体边界条件,同时考虑了发电机定转子各自的铁耗和铜耗,还有它们之间相互作用产生的附加损耗及流体的摩擦损耗,较完整的考虑了发电机定转子本体内流体分布及损耗分布对计算结果的影响。分析了计算结果中定子内结构件温度分布规律及成因、气隙内流体分布规律及温度快速升高的原因、转子本体温度分布规律等。之后,对发电机出厂型式试验中得到的不同位置线棒温度测量数据进行了分析,指出了传统试验中,不同测量工况下,采用定子线棒温度实验测量结果直接线性拟合时,拟合方法中的不足之处。最后,用计算的方法计算了该机组,型式试验时短路试验工况下,发电机定子线棒的温度分布,最终证明线棒温度计算结果与实测结果吻合。计算分析了发电机在高电压-高温度运行条件下,定子主绝缘过热事故工况时,绝缘内部温度分布规律。采用有限元计算方法对定子线棒主绝缘脱壳后的温度场进行研究,计算了主绝缘内空气隙一步一步增大后,定子线棒和主绝缘等结构件的温度场分布。着重对定子主绝缘最大温降位置的变化及定子主绝缘沿轴-径向及周-径向的温度分布进行了研究。研究结果表明主绝缘在槽内脱壳后,脱壳侧的主绝缘温度下降。由于脱壳侧散热能力降低,使内部线棒温度升高,未脱壳侧绝缘温度会随着线棒温度一起升高,导致未脱壳侧绝缘寿命下降,老化,形成新的脱壳,危及整个绝缘系统。上述研究对大容量汽轮发电机的故障运行时的故障监测和诊断提供了重要的理论依据。