随着对可再生清洁能源的深入开发利用,水力发电的发电容量一直呈增长趋势。作为将能量转换的关键电力设备—水轮发电机,其单机容量正处于上升趋势。随着单机容量的不断增大,大容量水轮发电机的通风冷却与传热问题成为其设计的关键性问题之一。本文以五强溪电站中的一台250MW全空冷水轮发电机为例,根据发电机的实际结构尺寸及电磁场理论,建立了发电机的二维电磁场数学模型。采用有限元计算方法对发电机的电磁场模型进行求解计算,计算分析了发电机的磁场分布、阻尼绕组中的涡流分布及气隙磁场的分布。基于此,确定出阻尼绕组的涡流损耗和气隙磁场的各次谐波幅值的大小。并通过数值解析方法计算出转子内的附加损耗。基于以上的理论分析,根据水轮发电机内部传热、冷空气流动及特殊的通风冷却系统结构等特点,在计及转子旋转的条件下,建立了 250MW水轮发电机转子求解域内的三维流体-温度耦合场的物理和计算模型,并利用有限体积数值计算方法对转子求解域内的耦合场进行了计算。首先,分析了转子内热源构件的温度随时间的变化规律和热源构件的稳态温度分布情况,进一步研究了热源构件的稳态温度沿轴向的变化规律。并将计算得到的励磁绕组平均温度与实测数据进行对比,验证了方法的正确性。其次,对比分析了非热源构件和转子求解域内冷空气的最高温度和平均温度,研究了温度分布不均匀的极身绝缘、磁极压板、上下托板、端部流体以及极间流体的温度分布。在此基础上,研究了支架入口空气温度变化对励磁绕组表面散热系数的影响。最后,对求解域内流体流动进行了研究,计算分析了极间流体迎、背风侧的速度分布、极间流体在磁轭通风道处和相邻磁轭通风道之间的轴向截面速度分布以及转子热源附近流体的动压分布。针对转子磁轭通风道结构改变的情况,研究了相邻磁轭通风道距离的增大对励磁绕组温度分布和励磁绕组迎、背风侧附近流体的速度分布情况的影响。并分析了磁轭通风道出口宽度变小的程度对励磁绕组迎、背风侧外表面的温度分布、极间流体在周向和轴向的截面流速分布以及极间流体迎、背风侧的温度分布的影响。对于转子磁轭通风道发生堵塞故障时,计算了磁轭通风道在不同程度和不同位置发生堵塞故障时的励磁绕组最高温度。由于磁轭通风道全堵塞对励磁绕组最高温度影响较大,因此研究了各磁轭通风道全堵塞对极身绝缘温度、极间流体速度及气隙内流体速度的影响。