趙 晟,王 宇,楊張斌

(1.中國科學院電工研究所,北京 100190; 2.中國三峽建工(集團)有限公司,四川 成都 610041)

1 引言

“雙碳”目標下,水力發(fā)電是新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中重要組成部分,高轉(zhuǎn)速、大容量是水電開發(fā)的發(fā)展趨勢[1-4]。立式水輪發(fā)電機和發(fā)電電動機都具有凸極轉(zhuǎn)子的相似結(jié)構(gòu)。隨著單機容量和轉(zhuǎn)速的不斷提升,電機轉(zhuǎn)子的高效冷卻技術(shù)成為限制高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)電機設計制造和穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素[5]。

高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機通常為細長結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子半徑較小導致扇風能力較弱,一定程度上限制了空氣的冷卻效果[6,7]。另外,對于空氣冷卻風摩損耗也是影響冷卻性能的關(guān)鍵因素,提升風量也并不能顯著提升冷卻性能[8]。與空冷相比,水內(nèi)冷方式具有電機利用系數(shù)高、線圈溫度分布均勻性好、鐵心熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點[9]。瑞士Bieudron水電站采用轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷形式,電機容量為 465 MV·A,轉(zhuǎn)速為428.6 r/min[10],高轉(zhuǎn)速和大容量的設計要求迫使電機轉(zhuǎn)子必須縮小尺寸才能滿足機械強度要求,最終導致電密相較空冷極限翻倍,高達6.06 A/mm2。隨著易開發(fā)水電資源的消耗,未來水電開發(fā)難度大概率會高于瑞士Bieudron水電站的等級?？諝饫鋮s方式電機轉(zhuǎn)子的溫升控制更加困難,亟需冷卻性能更優(yōu)的液冷技術(shù)保障電機轉(zhuǎn)子安全穩(wěn)定運行。

蒸發(fā)冷卻方式是一種在原理上與傳統(tǒng)方法完全不同的新型冷卻技術(shù)。它利用適宜沸點蒸發(fā)冷卻工質(zhì)的相變潛熱帶走發(fā)熱部件熱量,控制其在合理溫度范圍內(nèi),具有與水內(nèi)冷相當?shù)牧己脫Q熱效果。同時,其運行壓力低、密封難度小,系統(tǒng)簡單易維護,冷卻工質(zhì)環(huán)保無毒、無腐蝕性、絕緣性能良好,在大容量、高轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)子冷卻方面具有顯著優(yōu)勢[11-13]。目前,轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻技術(shù)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式具體分為管道內(nèi)冷式、開放管道式和浸沒式三種[14]。其中,水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極單獨浸沒結(jié)構(gòu)由中國科學院電工研究所在 1974 年提出[15],這種結(jié)構(gòu)將磁極線圈與冷凝器共同置于一個盒式結(jié)構(gòu)內(nèi),構(gòu)成單元整體,實現(xiàn)單個磁極獨立浸泡。浸沒式蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)子勵磁繞組等發(fā)熱部件直接浸泡于相變冷卻工質(zhì)中,這種大空間池沸騰的冷卻方式具有良好的冷卻性能。近年來,中國科學院電工研究所將前述結(jié)構(gòu)改進為冷凝器與磁極分離的布局方式[16]。

目前關(guān)于蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水輪發(fā)電機領(lǐng)域的應用主要集中在定子冷卻方面,Liu等人研究得到對于浸沒環(huán)境下氣、液、固三相絕緣系統(tǒng),浸沒式蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)傳熱、絕緣和輕量化的平衡方面具有明顯優(yōu)勢[17,18]。蒸發(fā)冷卻技術(shù)在電機轉(zhuǎn)子部分應用的研究相對較少,尤其是離心加速度對轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)影響方面尚未得到清晰結(jié)論,現(xiàn)有研究僅體現(xiàn)在臥式發(fā)電機轉(zhuǎn)子方面[19]。因此,為了滿足高轉(zhuǎn)速大容量立式電機轉(zhuǎn)子冷卻散熱需求,驗證相變液冷技術(shù)在轉(zhuǎn)子上應用的可行性并分析其冷卻效果,本文分析了轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)的運行原理,搭建了立式電機轉(zhuǎn)子相變液冷實驗研究平臺對轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流動與換熱特性進行測試,同時與計算流體力學仿真方法相結(jié)合,分析了不同離心加速度下系統(tǒng)冷卻性能及內(nèi)部流動特性,為蒸發(fā)冷卻技術(shù)在大容量、高轉(zhuǎn)速立式電機轉(zhuǎn)子冷卻領(lǐng)域應用提供一種可行的思路及設計參考。

2 轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻方案結(jié)構(gòu) 及原理

立式電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻方案是在立式電機原有轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基礎上設計的一種用于降低轉(zhuǎn)子溫度的冷卻散熱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、出氣管和回液管等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)將發(fā)熱的勵磁繞組和蒸發(fā)冷卻工質(zhì)密封在其內(nèi)部,整體隨轉(zhuǎn)子其他部件一起繞軸旋轉(zhuǎn)。

圖1 立式電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻方案結(jié)構(gòu)示意圖

立式電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻方案靜止時和穩(wěn)定運行過程液位示意如圖2所示,當轉(zhuǎn)子靜止時沒有離心加速度產(chǎn)生,重力加速度向下,蒸發(fā)冷卻工質(zhì)主要分布在蒸發(fā)器和回液管的中下部;轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行時,離心加速度產(chǎn)生,在與重力加速度共同作用下,蒸發(fā)冷卻工質(zhì)的分布發(fā)生了變化,自由液面由水平轉(zhuǎn)變成接近豎直的拋物面,勵磁繞組完全浸泡在相變冷卻工質(zhì)中,從而實現(xiàn)對勵磁繞組的高效冷卻。

圖2 轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案液位示意圖

立式電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻方案工作原理與常規(guī)定子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)基本相似。電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組投勵后產(chǎn)生銅損而發(fā)熱,周圍的相變冷卻工質(zhì)吸收勵磁繞組產(chǎn)生的熱量溫度逐漸升高同時密度減小。在旋轉(zhuǎn)離心力作用下,勵磁繞組附近溫度相對較高密度較低的相變工質(zhì)在浮力作用下向軸心方向流動,同時其他區(qū)域溫度較低的工質(zhì)向勵磁繞組附近流動補充,整體相變工質(zhì)持續(xù)升溫,當工質(zhì)溫度達到沸點后開始沸騰相變,沸騰氣泡在離心力作用下向心運動。最終氣態(tài)工質(zhì)伴隨著一部分液態(tài)工質(zhì)共同流出蒸發(fā)器進入出氣管。出氣管中兩相態(tài)的混合工質(zhì)密度小于回液管中液態(tài)工質(zhì),該密度差形成了轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的流動壓頭,為系統(tǒng)提供循環(huán)動力。另外,在相變工質(zhì)循環(huán)流動過程中會產(chǎn)生一定的摩擦阻力,當循環(huán)動力可以克服流動阻力時蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)開始循環(huán)流動,當二者平衡時系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 立式電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻方案實驗研究

針對上述立式電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻方案(本文簡稱轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案),實驗室搭建了一套立式電機轉(zhuǎn)子相變液冷實驗研究平臺,通過實驗手段對轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案進行測試并探究離心加速度對蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的影響特性。

3.1 轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案原理實驗模型

受到實驗室空間場地以及實驗平臺加工工藝等因素限制,實驗研究平臺無法做到與實際發(fā)電機相同尺寸。因此,需要在保證流體力學和熱力學特性相似的基礎上建立縮小比例的實驗模型。

雷諾數(shù)Re表征慣性力與粘性力的相對大小,也是決定流動狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。為了確保流動狀態(tài)一致,需確保雷諾數(shù)相似。通過計算得到雷諾數(shù)與質(zhì)量流量關(guān)系式為[20]:

(1)

式中,ρ為流體密度;V為流體流速;D為特征長度;μ為動力粘度;M為質(zhì)量流量;TH為蒸發(fā)器厚度;L為勵磁繞組軸向長度。

由式(1)可以看出單位軸向長度內(nèi)的質(zhì)量流量決定了雷諾數(shù)的大小,需保證其一致。

轉(zhuǎn)子自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中離心加速度與靜止冷卻系統(tǒng)中重力加速度作用相同,因此表征慣性力與重力加速度G之比的弗勞德數(shù)Fr也應保持相同,其計算公式為[20]:

(2)

由此可知,原理模型的離心加速度ar與蒸發(fā)器厚度TH三次方的乘積需與真機模型保證一致,即:

(3)

受實驗室場地限制,原理驗證模型的回轉(zhuǎn)直徑在0.8～1 m之間,高度則不能超過2.4 m。通過雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)相似性原理計算確定了圖3的原理驗證模型中蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸等關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 原理實驗模型關(guān)鍵參數(shù)

圖3 蒸發(fā)器主要尺寸示意圖

轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案整體實驗模型如圖4所示,整體實驗模型由轉(zhuǎn)子模型和拖動裝置兩部分組成,二者通過傳動皮帶連接。其中轉(zhuǎn)子模型為傘式結(jié)構(gòu),中間部分實驗段由冷凝器、蒸發(fā)器、出氣回液管路和信號變送裝置等部件組成。中心轉(zhuǎn)軸分為上段軸、中段軸和下段軸三部分,上段軸用于固定信號滑環(huán),利用導軸承進行約束;中段軸用于固定實驗段冷凝器;下段軸用于固定強電滑環(huán)和皮帶輪,利用推力軸承進行約束。上段軸的信號滑環(huán)主要用于傳感器和采集卡的供電以及信號轉(zhuǎn)接功能。上段軸和下段軸為空心結(jié)構(gòu),內(nèi)部通有實驗段冷凝器所需的冷卻水。拖動裝置核心部件為可變頻調(diào)速的六極異步電動機,通過皮帶帶動轉(zhuǎn)軸按所需轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

圖4 轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案整體實驗模型

圖5所示的轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻實驗段模型主要由中段軸和兩組蒸發(fā)冷卻裝置組成,其中右側(cè)虛線框中為實驗測試部分,左側(cè)虛線框中為配重部分。配重部分的蒸發(fā)器、冷凝器、連接管路和測溫裝置等所有部件均與實驗測試部分相同且為對稱分布。實驗段模型中冷凝器一側(cè)與中段軸固定連接,另一側(cè)通過管路與蒸發(fā)器連接。為節(jié)省實驗段模型軸向空間,蒸發(fā)器與冷凝器的軸向位置及長度保持一致。

圖5 轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案實驗段模型

實驗段結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的部件為蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器中設計了如圖6所示的加熱和溫度測量結(jié)構(gòu)。其中用來模擬磁極線圈發(fā)熱的電熱板緊貼于環(huán)氧板表面,溫度測量元件穿過環(huán)氧板上開設的孔洞緊貼在電熱板的下表面,由于電熱板厚度較薄,熱阻十分微小,近似認為溫度測量元件測量的溫度值即為換熱壁面的溫度。同時因為電熱板寬度相同且厚度均勻,通電后其表面熱流密度為均勻分布。測溫元件放置位置及編號如圖7所示,循環(huán)流量通過回液管和出氣管處設置的彎管流量計測量。

圖6 蒸發(fā)器加熱和測溫結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 蒸發(fā)器測溫元件位置及編號示意圖

3.2 轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案實驗測試結(jié)果分析

在轉(zhuǎn)子自循環(huán)蒸發(fā)冷卻方案中,區(qū)別于靜止冷卻系統(tǒng),由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度是重要影響因素,另外勵磁繞組的熱負荷大小也是影響轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻性能的重要因素,因此在轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)特性實驗研究過程中主要探究離心加速度和模擬磁極線圈熱流密度對冷卻性能的影響。受實驗裝置限制,離心加速度測試范圍為2G～15G(2～15倍重力加速度),模擬磁極線圈的電熱板熱流密度設置為10 000～40 000 W/m2。實驗過程每組工況的初始液位和相同,通過調(diào)節(jié)冷凝器中冷卻水的入口溫度和流量,保證相變冷卻工質(zhì)的回液溫度維持在298～300 K范圍內(nèi)。

通過實驗測試得到蒸發(fā)器入口、冷凝器入口壓力隨離心加速度變化曲線如圖8所示。從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出相同離心加速度下,熱流密度越大,系統(tǒng)壓力越高,而相同熱流密度條件下系統(tǒng)壓力并未隨著離心加速度的增大而升高。主要由于熱流密度相同時,冷凝器入口壓力隨離心加速度的增大而降低,而冷凝器入口壓力的減小部分抵消了回液管中隨離心加速度增大造成液柱升高所產(chǎn)生的壓強增加量。

圖8 系統(tǒng)壓力隨離心加速度變化曲線

系統(tǒng)循環(huán)流量隨離心加速度變化曲線如圖9所示。從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出首先在相同的離心加速度條件下,系統(tǒng)循環(huán)流量均隨熱流密度的增加而增大。主要由于隨著熱流密度增加,蒸發(fā)器出口的含氣率隨之上升,出氣管內(nèi)流體工質(zhì)平均密度下降。出氣管和回液管之間密度差的增大提升了系統(tǒng)流動壓頭,增大了循環(huán)動力;另外在相同熱流密度條件下,循環(huán)流量隨離心加速度的升高呈現(xiàn)出下降的趨勢。由于轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的流動壓頭主要由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力提供,隨離心加速度增加,系統(tǒng)流動壓頭增大,循環(huán)流量有增大的趨勢,但是流動阻力與流速的平方成正比,因此流阻的增加速率高于流動壓頭的增大速率,最終導致循環(huán)流量隨離心加速度的增大呈現(xiàn)出降低的趨勢。

圖9 循環(huán)流量隨離心加速度變化曲線

模擬磁極線圈表面溫度隨離心加速度變化情況如圖10所示。從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出模擬磁極線圈表面的溫差隨熱流密度的升高而增大;相同熱流密度條件下,模擬磁極線圈表面溫度隨離心加速度的增大而減小;當離心加速度增加到6G時,模擬磁極線圈表面溫度降低的趨勢有所減緩。主要由于隨離心加速度增大,蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)流動過程中壓強降低幅度更大,冷卻工質(zhì)飽和溫度降低,限制了模擬磁極線圈表面的溫升。總體上看離心加速度對模擬磁極線圈溫度大小影響不大,模擬磁極線圈溫度大小主要受到熱流密度影響。轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在所有工況下模擬磁極線圈表面壁溫最大值均在350 K以內(nèi),整體散熱性能滿足要求。

圖10 模擬磁極線圈表面溫度隨離心加速度變化曲線

為了進一步分析模擬磁極線圈表面溫度分布特征,根據(jù)實驗測試結(jié)果提取了2G和15G條件下模擬磁極線圈表面的溫度分布云圖,如圖11、圖12所示。其中每一個矩形色塊顏色均對應圖7中相同位置的測溫元件溫度值。當離心加速度為2G時,此時離心加速度與重力加速度為相同量級,重力加速度的影響不能忽略,蒸發(fā)器中的自由液面依舊為傾斜狀態(tài),因此模擬磁極線圈表面的溫度分布沒有呈現(xiàn)出明顯規(guī)律;當離心加速度為15G時,離心加速度明顯大于重力加速度,模擬磁極線圈表面溫度沿徑向方向分布的規(guī)律逐漸顯現(xiàn),徑向方向外側(cè)溫度低于內(nèi)側(cè)。主要由于離心加速度作用使得蒸發(fā)器內(nèi)部徑向遠端為單相對流換熱區(qū),溫度相對較低,而在徑向近端為兩相沸騰區(qū),壁面溫度略有增大。

圖11 2G時模擬磁極線圈表面溫度分布圖

圖12 15G時模擬磁極線圈表面溫度分布圖

4 轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻方案仿真研究

在實驗研究過程中由于受實驗裝置限制,離心加速度測試范圍為2G～15G,為了研究更大離心加速度對轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的影響特性,建立了圖5中轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案實驗段1∶1三維模型,并利用計算流體力學軟件對其進行了仿真分析。本節(jié)通過仿真方法探究了15G～100G大小離心加速度下蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)循環(huán)及換熱特性,同時驗證了轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻仿真方法分析的可行性,為高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案設計提供技術(shù)支撐。

4.1 仿真模型及方法

針對浸沒式轉(zhuǎn)子自循環(huán)蒸發(fā)冷卻方案實驗平臺建立的1∶1三維仿真模型如圖13所示,具體包括蒸發(fā)器、冷凝器、出氣管和回液管四部分,具體尺寸與表1相同。

針對轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案仿真模型進行網(wǎng)格劃分,采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,蒸發(fā)器和冷凝器壁面添加邊界層網(wǎng)格,劃分完成后網(wǎng)格模型網(wǎng)格量為265萬,具體網(wǎng)格模型如圖14所示。

圖14 轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案網(wǎng)格模型圖

采用ANSYS CFX軟件針對浸沒式轉(zhuǎn)子自循環(huán)蒸發(fā)冷卻方案的旋轉(zhuǎn)及兩相流沸騰換熱特性進行仿真分析。湍流模型選用k-εRNG,模型回轉(zhuǎn)半徑與實驗模型相同,通過調(diào)整轉(zhuǎn)速控制離心加速度,離心加速度設置范圍為15G～100G。蒸發(fā)器模擬磁極線圈發(fā)熱的電熱板位置設置面熱源邊界條件,熱流密度范圍為10 000～40 000 W/m2,冷凝器冷凝管壁面設置為固定溫度邊界條件,溫度為實驗中冷凝水進出口平均水溫300 K,其余壁面均設置為絕熱。

冷卻工質(zhì)為R113,采用CFX 軟件材料庫中的制冷劑工質(zhì)相變數(shù)據(jù)及參數(shù)關(guān)聯(lián)式定義方法,分別對R113的氣相R113v和液相R113l進行單獨定義;之后通過homogeneous binary mixture形式設置R113兩相混合工質(zhì) R113vl,該混合工質(zhì)的氣、液相態(tài)及兩相混合比例可根據(jù)壓強和溫度條件準確計算。

初始條件將蒸發(fā)器內(nèi)部流體域設置為液相,其余部分流體域設置為氣相。與實驗工況基本一致。

4.2 轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案仿真結(jié)果分析

為了驗證仿真方法的準確性,分別提取了仿真結(jié)果和實驗測量數(shù)據(jù)在離心加速度為15G條件下不同熱流密度的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)循環(huán)流量,如圖15所示。可以看出隨熱流密度增大系統(tǒng)循環(huán)流量也隨之提升,主要由于外部輸入的熱量提供了自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的循環(huán)動力,同時循環(huán)動力隨外部輸入熱量的增大而增大。仿真結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)趨勢相同,數(shù)值基本吻合,驗證了仿真方法的準確性。

圖15 系統(tǒng)循環(huán)流量仿真結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)對比

分別提取了15G條件下不同熱流密度時模擬磁極線圈表面溫度分布情況,如圖16所示,可以得到溫度分布情況與圖12中實驗測量狀態(tài)近似,基本呈現(xiàn)出無明顯規(guī)律的隨機分布狀態(tài),另外與圖12相同的是壁面溫度均隨熱流密度的升高而升高。通過仿真得到的溫度分布狀態(tài)可以看出靠近出氣口和回液口的左上方和右下方區(qū)域溫度相對較低,右上方區(qū)域溫度相對較高,主要由于該區(qū)域距離出氣口較遠,氣體容易產(chǎn)生匯集,不易從出口流出。在大熱流密度下,仿真結(jié)果局部溫度略高于實驗測量數(shù)據(jù)。主要原因是實驗過程中無法實現(xiàn)裝置完全絕熱,會有部分漏熱產(chǎn)生,導致壁溫測量值偏低,另外模擬磁極線圈發(fā)熱的電熱板上的溫度測量點為間隔設置,無法反映出局部高溫的分布情況。

圖16 15G時模擬磁極線圈表面溫度分布仿真結(jié)果

為了進一步探究更大離心加速度下轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的運行特性,在15G離心加速度基礎上分別對30G、66G和100G條件下系統(tǒng)循環(huán)及換熱特性進行仿真分析得到不同離心加速度下循環(huán)流量如圖17所示。可以看出當離心加速度小于66G時循環(huán)流量隨離心加速度的增大而減小,而對于100G離心加速度條件下循環(huán)流量幾乎與熱流密度成正比。

圖17 不同離心加速度下轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)循環(huán)流量仿真結(jié)果

為了整體顯示離心加速度對循環(huán)流量的影響規(guī)律,將圖9與圖17數(shù)據(jù)進行合并,提取離心加速度小于等于15G時循環(huán)流量的實驗數(shù)據(jù)和大于15G時的仿真數(shù)據(jù)繪制圖18?？梢钥吹皆?G～66G范圍內(nèi),隨離心加速度增大循環(huán)流量減小的趨勢逐漸減緩,而相同離心加速度條件下熱流密度對循環(huán)流量影響不大;而在100G條件下循環(huán)流量的變化規(guī)律發(fā)生了明顯變化,接近與熱流密度呈正比。主要由于離心加速度小于66G時,隨離心加速度增大系統(tǒng)循環(huán)動力增大,但是阻力增大程度明顯大于離心加速度造成的循環(huán)動力增大程度,因此循環(huán)流量逐漸降低。另外,隨離心力增大,阻力增大程度逐漸放緩,造成循環(huán)流量隨離心加速度增大而下降的速率逐漸降低。

圖18 不同離心加速度下轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)循環(huán)流量結(jié)果

進一步分析100G條件下轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)換熱特性,提取了不同熱流密度下模擬磁極線圈表面溫度分布情況,如圖19所示,與15G條件下的仿真結(jié)果相比,離心加速度增大后模擬磁極線圈表面溫度沿半徑方向線性分布的特征更加明顯,溫度隨半徑的減小而增大,顯示出單相對流換熱的溫度分布特征。結(jié)合圖17的流量特性可以看出在高離心力場作用下轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在磁極線圈處的相變換熱占比減小,呈現(xiàn)出顯熱換熱特征,即循環(huán)流量隨熱負荷的升高而等比例增大,單一熱負荷下模擬磁極線圈表面溫度沿流體流動方向逐漸升高。

5 結(jié)論

本文根據(jù)目前水電機組大容量高轉(zhuǎn)速的發(fā)展方向所面臨的轉(zhuǎn)子冷卻散熱問題,提出了一種轉(zhuǎn)子勵磁繞組全浸式蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)方案,通過搭建立式電機轉(zhuǎn)子相變液冷實驗研究平臺實驗測試和計算流體力學仿真分析,得到研究結(jié)論如下:

(1)通過對轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案真機縮比模型進行實驗測試得到在離心加速度為2G～15G范圍內(nèi),模擬磁極線圈熱流密度10 000～40 000 W/m2條件下,模擬磁極線圈表面測點最高溫度均小于350 K,該方案滿足轉(zhuǎn)子冷卻性能需求。

(2)針對轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻方案實驗模型采用CFX軟件進行兩相流流動傳熱仿真分析,在15G離心加速度條件下仿真結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)吻合良好,驗證了仿真方法的可行性和準確性。

(3)通過研究離心加速度對轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流動特性的影響,得到當離心加速度≤66G時系統(tǒng)循環(huán)流量隨離心加速度的增大而減小,當離心加速度為100G時系統(tǒng)循環(huán)流量幾乎與模擬磁極線圈表面熱流密度成正比。

(4)通過研究離心加速度對轉(zhuǎn)子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)換熱特性的影響,得到不同離心加速度下模擬磁極線圈表面溫度差異不大,但隨離心加速度增大模擬磁極線圈表面溫度由均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)檠匕霃椒较蚓€性分布。

上述研究方法和結(jié)果可為蒸發(fā)冷卻技術(shù)在大容量、高轉(zhuǎn)速立式電機轉(zhuǎn)子冷卻領(lǐng)域的應用提供一種可行的思路及設計參考。