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1、320中国科学E辑技术科学2006,36(3):320~325立式蒸发冷却电机冷却系统循环原理①②①①余顺周蔡静郭朝红顾国彪(①中国科学院电工研究所,北京100080;②中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所,北京100095)摘要简要陈述了蒸发冷却电机的发展现状及其相对于其他传统冷却方式电机的优越性,立式蒸发冷却电机冷却系统采用密闭无泵自循环的循环方式和管内自然对流沸腾的冷却方式,是电机设计史的伟大进展之一.强调了立式蒸发冷却电机冷却系统设计的重要性,并从能量和流动两个角度对冷却系统中冷却介质的循环原理进行了阐述,分析了冷却系
2、统循环的本质原因、动力来源以及循环的稳定性等问题,指出立式蒸发冷却电机冷却系统自然循环的动力来自于冷却介质吸热,状态改变后所具有的做功能力,或者说是来源于冷却介质吸热密度减小所受到的浮力,最后用实验数据进行了验证.关键词立式蒸发冷却电机冷却系统循环原理冷却系统是蒸发冷却电机不同于其他传统冷却方式发电机的重要方面,故冷却系统设计的好坏关系到蒸发冷却电机的成败,是蒸发冷却电机设计的重要[1]方面之一.蒸发冷却水轮发电机的冷却系统充分利用了电机的立式结构,实现了密闭无泵自循环方式,利用冷却介质的汽化潜热将线棒产生的热量带走,从而达到冷却的目的.水
3、轮发电机采用蒸发冷却方式后,不仅彻底摒弃了外加的机械泵,简化了循环装置,减小了循环噪音,而且提高了系统运行的可靠性,延长了绝缘寿命,与空冷电机相比,额定负荷时导体的温度可以降40~50K,解决了由[2]于温差大,产生热应力、引起热变形的问题和绝缘脱壳等问题.李家峡电站400MW蒸发冷却水轮发电机已成功运行4年,说明蒸发冷却水[3]轮发电机的核心技术已经成熟.在2000年法国巴黎召开的国际大电网会议(CIGRE)上,蒸发冷却电机被评为旋转电机的四大新进展之一.随着大型电站建设规模及进度的加快,蒸发冷却水轮发电机发展步伐也随之加快,有必要对冷却
4、收稿日期:2004-10-13;接受日期:2005-03-25SCIENCEINCHINASer.ETechnologicalSciences第3期余顺周等:立式蒸发冷却电机冷却系统循环原理321[4]系统的循环系统进行深入研究,以优化冷却系统的设计,使电机运行在最佳的工作状态,更充分地发挥蒸发冷却的优越性.本文分别从能量和流动两个角度分析了冷却系统的循环原理.1理论分析蒸发冷却水轮发电机空心线棒内自然循环示意图如图1所示.1.1能量方程以空心导线内参与循环的一定质量的冷却介质为研究对象,不考虑启动和停机情况,流体处于稳定图1水轮发电机定子
5、绕组蒸发冷却半匝流动状态,根据热力学第一定律的自循环示意图稳定流动能量方程,有1示蒸发点,2示冷凝入口,3示冷凝器出口,4示液管液面122qup−∆=22vp−11vccgzzw+()2−1+()2−+1i,2式中,q为介质吸收的热量,u为介质的内能,c为速度,z为高度,p为压力,v为比容,wi为工质对机器所做的内部功,pv22−pv11为维持工质流动所需的推动功,122()ccg21−+−+()zzw21i为技术功.由于流体在流动过程中不对机器做功,故2内部功wi=0.上式简化为122qup−∆=22vp−11vgzz+()2−1+()c
6、c2−1.(1)2将循环分解成上升段、冷凝段和下降段3个部分,上升段指蒸发点1到冷凝器入口2,下降段指冷凝器出口3到回液管液面4,2和3之间为冷凝段,从回液管液面4到空心线棒入口1之间的液体为积累液体.以下分别对每一个过程应用能量方程(1)进行分析.1.2上升过程122qup−∆=22vp−11vgzz+()2−1+()cc2−1.(2)2由于在流动过程中,流体吸热汽化,密度变小,比容变大,根据连续性方程,ρ111cA=ρTPcA22.www.scichina.com322中国科学E辑技术科学第36卷在流通截面积不变的情况下,流动速度增加,
7、流动的速度越快,造成的压力降低越大,故压力和比容的变化呈相反趋势,即pp21<,vv21>.推动功的大小取决于p和v的乘积,在蒸发冷却系统中,通过实验及计算表明有pv22>pv11;zz21>,流体势能增加;cc21>,流体动能增加.因此,由方程(2)可以知道,在上升运动中,冷却介质吸收的热量有两部分用途:一部分用于增加流体的内能∆u(蒸发点之前温度升高,蒸发点之后相变);另一部分用于对外做功,包括推动功和技术功,由于内部功为0,技术功在数值上等于机械能,包括势能和动能两项.由热力学第一定律:quw=∆+,式中,w为膨胀功,可知,流体对外做
8、的功均来自于流体由于吸热而产生状态变化,通过膨胀而实施的热能转变成的机械能,即流体吸收的热量是使流体产生运动的根本原因.类似地,在冷凝器中对冷却介质应用方程(1):122qup−
