水轮发电机的冷却方式直接影响电机的性能和经济指标。特别是大容量水轮发电机，随着容量的不断增大，电机各部分的损耗也明显增加。因此，加强电机冷却，有效地带走各种损耗产生的热量，降低电机各部分温升，是设计制造大容量水轮发电机要考虑的主要因素。本文以一台250MW全空冷水轮发电机为例，根据该电机特殊的通风冷却结构，确定了转子旋转情况下的计算区域，建立了三维流体场和温度场的计算模型，给定相应的基本假设与边界条件，采用有限体积法对其通风和发热问题进行计算，得到转子支架、磁轭通风沟、磁极间隙以及定转子气隙内冷却气体的流速分布与转子各部分的温度分布，分析了流速和温度沿轴向、径向及周向的变化趋势，并得到励磁绕组表面散热系数的变化规律。将励磁绕组平均温度的计算结果与实测数据进行比较，证明此方法的正确性。针对转子流体和温度的分布情况，对通风冷却系统结构做了进一步的改进研究：对不同入口流量下的耦合模型进行计算，分析了磁极间隙内流体流动形态对励磁绕组冷却效果的影响和磁极间涡流的变化规律，发现流体的涡流对转子冷却效果具有抑制作用，为此，本文提出在转子磁极间增加挡风结构来降低涡流产生的计算方案，并通过计算证明该结构不仅能够减小涡流的影响、提高励磁绕组的冷却效果，还能够有效解决由于入口风速减小导致励磁绕组温度过高的问题；对磁极托板、绝缘和励磁绕组的不同结构尺寸的改进方案模型进行耦合计算，研究了不同结构对转子流体和温度分布的影响，并得到一些为大型水轮发电机结构优化设计具有参考意义的结论。