（电机与电器专业论文）蒸发冷却电机空心导线内气液两相流动摩擦阻力的研究.pdf

s t u d yo nt h ef r i c t i o nr e s i s t a n ti nt h eh o l l o ws t a t o rb a r o fe v a p o r a t i v e c o o l i n gg e n e r a t o r c a i j i n g( e l e c t r i cm a c h i n e r ya n d e l e c t r i c a le q u i p m e n t ) d i r e c t e db ya c a d e m i c i a ng ug u o b i a o a b s t r a c t t h e4 0 0 m w e v a p o r a t i v ec o o l i n gh y d r o - g e n e r a t o ri n19 9 9 a tl i j i a x i ap o w e rs t a t i o np r o v e s t h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fe v a p o r a t i v ec o o l i n gt e c h n i q u e c o m p a r e dw i t ht h ei n n e r w a t e r - c o o l i n gg e n e r a t o rd e s i g n e db yf o r e i g nc o u n t r y , i ts h o w sa p p a r e n ta d v a n t a g e s i nr e c e n t y e a r s ，t h r e eg o r g ec o r p o r a t i o ni sg o i n gt os u b s t i t u t et h ei n n e rw a t e r c o o l i n gf o re v a p o r a t i v e c o o l i n g u n d e rt h ec o n d i t i o n ，i ti si n s t r u c t i v ei nr e s e a r c h i n go nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r , w h i c hi st h ec o r et e c h n i q u eo fe v a p o r a t i v ec o o l i n gg e n e r a t o r , f o rt h ed e s i g nt h e o r y a n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ，t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e st h ef r i c t i o nr e s i s t a n to fl i q u i da n dg a s t w o p h a s ef l o wi nt h eh o l l o ws t a t o rb a ra n dt h ec i r c u l a t i o nt h e o r yw i t hd i f f e r e n tu n u s e d c o o l a n ti nd e s c e n d i n gp i p e t h ec i r c u l a t i o nm e t h o do fv e r t i c a l e v a p o r a t i v e c o o l i n gg e n e r a t o r i sc l s c ( c l o s e , l o o p s e l f - c i r c u l a t i o n ) t h ea r t i c l es t u d i e dt h ec o o l i n gs y s t e mc i r c u l a t i o nt h e o r yf r o m t h ea s p e c to fe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，a n dt e s t i f i e db ye x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l ti st h a t9 9 h e a t ，w h i c ht h ec o o l a n ta b s o r b s ，i su s e dt oc h a n g ei t ss t a t e ，i n c r e a s i n gt h ee n t h a l p y e n t h a l p y v a r i e t yc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h ef l o wr e s i s t a n ta n dv e r i f yt h er e s u l to fc o n d e n s e rh e i g h t d e s i g n ，i tp r o v e st h a tc i r c u l a t i o nm o t i v i t yi sc o m p o s e do ft w op o r t i o n s ，o n ei s t h eu n u s e d c o o l a n ti nd e s c e n d i n gp i p e ，a n dt h eo t h e ri st h ec i r c u l a rc o o l a n t w h e nt h e r ei sn ou n u s e d c o o l a n t ，i ti st h ec i r c u l a r c o o l a n tw h i c ho f l 、e r e dt h em o t i v a t i o no fc i r c u l a t i o ni t i sa c o m p l e m e n t a r i t yt ov e r t i c a lg e n e r a t o rc i r c u l a t i o nt h e o r y t h ea r t i c l ei m p r o v e dt h el i q u i da n dg a st w o p h a s ec o m p e lf l o we x p e r i m e n t a lt a b l ea n d m e a s u r es y s t e mw i t hc o o l a n tf i13 ，t h ei n f l u e n c eo fh e a tl o a d ，v a p o rq u a n t i t y , f l u xa n d p r e s s u r e o nt h ef r i c t i o nr e s i s t a n tw e r es t u d i e dw i t hm - ne q u a t i o na n dl me q u a t i o n ， m a g n i f y i n gm u l t i p l ew e r ec a l c u l a t e d ，a n dc o r r e c t e db ye x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t s h o w s t h a tw i t h i nt h ee x p e r i m e n t a lf l u x ( 1 3 3 9 s - 4 6 9 9 s ) t h eo p t i m a lf l u xi sf r o m1 3 3 9 st o3 3 4 9 s i nt h er a n g e t h ee r r o ri sw i t h i n1 0 w i t hx e = 0 1 - 0 8 ；o u to ft h er a n g e ，t h ee r r o ri sw i t h i n 10 w i t hx e 0 3t h er e s u l tc a nb eu s e di nt e c h n i c a la p p l i c a t i o n f o rc o n v e n i e n c eo fi n d u s t r y a p p l i c a t i o n ，t h ef i g u r eo fe x i tv a p o rq u a n t i t yv e r s u sm a g n i f y i n gm u l t i p l ew i t hd i f f e r e n tf l u x w a sp l o t t e d w h e nt h ep r e s s u r ei sl e s st h a no 2 m p a ，t h em a g n i f y i n gm u l t i p l ec a l lb e c a l c u l a t e dw i t ht h ep a r a m e t e ro f c o o l a n ti no ，1 m p a w h e nt h ep r e s s u r ei so u to f 0 2 m p a ，t h e i i m a g n i f y i n gm u l t i p l ed e c r e a s e sr a p i d l yb e c a u s et h ef r i c t i o nr e s i s t a n td e c r e a s e s o nt h ea s p e c t o f p r e s s u r ei n f l u e n c e ，b r i n g sf o r w a r dt h a to nt h eb a s i so f t h em e a s u r e dm a g n i f y i n gm u l t i p l e 甄。n m ，w i m t h 础c 叫c o e 蹦e m 毒 。，也em a g n ；轴s 删止i n 憾r e n t p r e s s u r e sk p c a l lb eo b t a i n e db y k p = k o斟 t h ee x p o n e n txi so b t a i n e d ，a n dt h ee r r o r i s 一3 0 1 4 t h er e s u l tc a nh eu s e di nt e c h n i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：v e r t i c a le v a p o r a t i v ec o o l i n gg e n e r a t o r , l i q u i da n dg a st w o p h a s ef l o w , f r i c t i o n r e s i s t a n t ，c i r c u l a t i o nt h e o r y 1 1 1 第一章绪论 第一章绪论 本文的研究对象是大型蒸发冷却电机的冷却系统，以立式水轮发电机为主，兼顾卧 式汽轮发电机。 1 1 大型电机冷却技术的主要类别及其特点 大型发电机是电网的主要装备之一。从电力生产、电网运行、管理的经济性和供电 质量来看，电网中主力机组的单机容量应与电网总容量维持一定比例，例如函8 ，电 网越大，主力机组单机容量也应越大，即只有具备了大容量机组，才能建设现代化大电 网。但单机容量增大给电机设计和制造带来一系列新课题，电机冷却便是其中突出的一 个。 1 1 1 电机冷却的重要性 电机设计的基本规律说明，单机容量越大，其经济性能越好，而单机容量增大，主 要依靠冷却技术的改进。这是由于损耗与几何尺寸的三次方成正比，而散热面积只与几 何尺寸的平方成正比，可见，即使维持原有的电磁负荷，并且几何尺寸可以无限制的按 比例增大，而电机容量增大后，它的热负荷和温升仍然会以更大的比例增长。事实上， 由于材料强度、转子刚度以及加工运输等一系列因素的限制，尺寸的增长是会受到明显 的限制的。因此，提高单机容量，还必须依靠电磁参数的提高。对于体积较大的低速同 步电机，电磁负荷较小，发热相对缓和，但即使是这些电机，发热方式仍然是一个重要 问题。冷却强化可使电机维持在一个较低的温升水平，减少热变形和振动磨损，提高绝 缘寿命。良好的冷却系统还具有通风损耗小，噪声低等特点，冷却技术的改进，不仅能 使材料消耗降低，而且由于尺寸减小给厂房建筑、运输带来便利。因此，对于各类大型 电机来说，冷却技术都是非常重要的，必须引起足够的重视。 1 1 2 大型电机冷却方式的发展历程及其特点 1 汽轮发电机冷却方式的发展 汽轮发电机有空气冷却，氢气冷却，定子绕组水冷、转子绕组氢冷、定子铁心氢冷 ( 水氢氢) ，定子绕组水冷、转子绕组水冷、定子铁心氢冷( 水水氢) ，全液冷等冷却方 式。 蒸发冷却电机空心导线内气液两相流动犀摞阻力的研冤 汽轮发电机体积小，转子直径约为1 m 左右，转速高，每分钟3 0 0 0 转，对冷却技术 的要求较高，因此，随着汽轮发电机容量的增加，出现了许多种冷却方式。 最早出现的是空气冷却和氢气冷却，继而又出现了水- 氢- 氢和水一水一氢方式，这两 种冷却方式的共同缺点是要求同时配备两种不同介质的辅助设备和控制系统，因而又出 现了全液冷，除此以外，还有正处于研究状态的超导电机和蒸发冷却电机。近几十年来， 汽轮发电机的发展突飞猛进，而这一发展过程实际上也是冷却技术进步的进程。自从 1 9 9 2 年第一台5 0 m w 蒸发冷却汽轮发电机成功运行后，中科院电工研究所蒸发冷却组 一直在坚持蒸发冷却汽轮发电机的科研工作，但是由于客观条件的限制，蒸发冷却汽轮 发电机在工业应用方面还没有获得更大的进展i l j 。 2 水轮发电机冷却方式的发展 按照电机容量和转速的不同，水轮发电机的冷却方式有全空冷，定子水冷、转子空 冷，定子蒸发冷却、转子空冷等。 ( 1 ) 全空冷的特点 定子转子全空冷适用于容量在4 0 0 5 0 0 m w 、低转速的水轮发电机。其特点是： 制造、运行和维护简便； 导体与绝缘线棒的线膨胀系数不同，对于频繁起停机组的绝缘件机械疲劳加大，温 差应力造成绝缘与导体脱壳，产生电晕，进而腐蚀损坏绝缘； 定子绕组端部温升计算很困难，损耗分布计算困难； 定子线棒沿圆周方向温差有3 0 c ，线棒的不平衡电势产生环流，增大了附加损耗， 增大了线棒间的温度差，采用补偿后，仍有1 5 - 2 0 * c 的温度差别； 受极限容量的限制，很难将容量提高。 ( 2 ) 定予水冷、转子空冷的特点 对于大容量，高转速的机组，定予水冷、转子空冷是国际上普遍采用的解决定子绕 组冷却问题方法。其特点是： 定子绕组温度低，无局部过热( 特别在端部连接处) ，绕组绝缘寿命长： 负荷变化时，温度变化小，无热应力造成的隐患； 利用系数高，重量轻，风摩损耗小： 负载率小于1 时效率高； 第一章绪论 需纯水供应及去离子装置，增加了一套水净化处理系统； 存在氧化物堵塞烧机问题； 水泄漏损坏绝缘造成击穿。 1 1 3 大型电机的定子蒸发冷却、转子空冷技术 蒸发冷却是一种高效的冷却技术，它利用冷却介质的汽化潜热进行冷却，在相同的 条件下，效率明显高于利用冷却介质温升进行吸热的显热冷却技术。 电机的蒸发冷却技术是由电机学、机械、工程热物理以及电化学等多学科交叉而成 的新型学科。中科院电工研究所自1 9 5 8 年开创蒸发冷却技术用于大型发电机定子的研 究工作，目前已经取得了较大的发展。水轮发电机的定子蒸发冷却技术是我国自主研发 的，具有自主知识产权。其特点主要是：既继承了水内冷技术的优点，又去除了其弊端。 1 蒸发冷却电机采用高绝缘性能、低沸点5 0 , 6 0 。c 的新氟碳化合物为冷却介质，无 毒、无污染、不腐蚀金属及电机的其他部件，具有良好的冷却能力及高绝缘、防火、灭 弧性能，可抑制电气故障的发生和扩大； 2 蒸发冷却电机的冷却系统采用了低压力( o 0 6 m p a 以下) 、密闭无泵自循环的技 术，冷却介质的循环流量可随发电机的发热量自动调节，具有自适应性，运行简单，维 护方便、可靠性高； 3 绕组温度低( 7 0 ) ，无局部过热点，克服了水内冷运行压力高( 约o 6 m p a ) 、 泄漏造成的严重损坏等本质弱点。 1 2 蒸发冷却电机的研究现状及特点 中科院电工研究所经过4 0 多年的潜心钻研，研究成果己经成功应用于工业机组， 转化为了生产力，取得了很大的成就。 在水轮发电机领域的成功应用有： 11 9 8 3 年世界上首台定子蒸发冷却水轮发电机在云南省大寨电站投入工业运行。 电站安装了两台1 0 m w 的该型机组，运行至今，情况良好，深受用户好评，并于1 9 8 8 年获国家科技进步二等奖； 21 9 9 2 年陕西省安康电站投运了一台5 0m w 蒸发冷却水轮发电机，无故障运行 至今，经常在5 4 m w 超发，蒸发冷却系统实际处于免维护状态，这台机组于1 9 9 8 年获 科学院科技进步一等奖； 31 9 9 9 年底，国家“九五”重点科技攻关项目青海省李家峡电站4 0 0 m w 蒸 蒸发冷却电机空心导线内气液两相流动摩擦阻力的研宄 发冷却水轮发电机正式并网发电，使蒸发冷却技术跨上大容量机组的台阶。2 0 0 2 年5 0 m w 、4 0 0 m w 蒸发冷却水轮发电机获国家科技进步二等奖。 在汽轮发电机领域的成功应用有： l1 9 7 5 年与北京电力设备厂联合研制了一台1 2 0 0 k w 蒸发冷却汽轮发电机； 21 9 9 2 年与上海电机厂联合研制了一台5 0 m w 蒸发冷却汽轮发电机，该机在上海 西郊变电站作调相机安全运行l o 年，获得电站的好评。因变电站搬迁而停运。 这些电机保持了良好的性能，较水冷和空冷，不仅增强了冷却效果，使温度分布更 加均匀，更重要的是可靠性明显改善，显示出很大的优越性。 1 3 气液两相流动的研究现状 在蒸发冷却电机定子线棒的空心导线内，冷却介质吸热逐渐汽化，形成气液两相流 动，在立式蒸发冷却电机中，冷却介质的流动状态属于无泵全封闭自循环流动沸腾，介 质汽化后密度减小，在浮力的作用下完成循环。自然循环系统可以根据负荷的大小自动 调节循环的流量，使动力与阻力达到自动平衡，但如果热负荷过大造成流动阻力过大， 超过了循环自身的调节范围，就会造成流动的阻塞，使循环中断，其后果是非常严重的。 在卧式定子蒸发冷却电机中，由于冷却介质的流动基本处于水平状态，必须依靠外 加泵才能进行循环，属于强迫循环流动沸腾。在两相流动系统中，泵的选择必须与两相 流动的管路特性曲线相匹配，否则极易出现流动的不稳定现象，造成流量脉动。 综上，无论是立式蒸发冷却水轮发电机还是卧式的蒸发冷却汽轮发电机，其冷却系 统的气液两相流动系统的阻力核算问题是蒸发冷却电机的核心技术。本文正是围绕此主 题展开了研究。 1 3 1 理论研究情况 在气液两相流动系统中，两相系统的压降是重要的参数，而截面含汽率的测量或计 算精确与否，直接关系到两相流压降计算的精确性，因此必须结合起来进行研究。 为了确定两相系统的压降和截面含气率，建立了许多唯象模型( p h e n o m e h o l o g i c a l m o d e l ) 和经验关系式( e m p i r i c a lc o r r e l a t i o n ) ，其中比较著名的有： 唯象模型： 1 、m c a d a m s 等的均质模型( 1 9 4 2 ) 2 、t a i t c l 和d u k l e r ( 1 9 7 6 ) 3 、h a r t 等( 1 9 8 9 ) 4 、c h e n 等( 1 9 9 7 ) 第一章绪论 5 、v l a c h o s 等( 1 9 9 9 ) 唯象模型是根据流动过程中占统治地位的物理模型建立起来的。唯象模型的不足是 过分依赖于对实验现象简单而粗糙的假设和经验的封闭模型，因此预见性差。由于唯象 模型不考虑气液两相表面的相互作用和液滴的夹带比例等诸多因素，因此限制了它的进 一步发展。 经验关系式： 1 、h o o g e n d o o m ( 1 9 1 9 ) 2 、l o c k h a r d 和m a r t i n e l l i 的分离模型( 1 9 4 9 ) 3 、b a r o c y ( 1 9 6 5 ) 4 、b e g g s 和b r i l l ( 1 9 7 3 ) 5 、f r i e d e l ( 1 9 7 9 ) 经验关系式是根据某个特定的实验系统，通过对大量数据的分析、整理而归纳出来 的，因此将其应用于其它实验系统时，有时会产生较大的误差。如f r i e d e l 的关系式， 是从竖直流动中1 5 0 0 0 个实验点和水平流动中1 0 0 0 0 个实验点拟合得到的，但是对于截 面含气率较高情况下的流动，仍然不能与实验值有很好的符合。 由上所述，唯象模型和经验关系式各有千秋，没有一种关系式可以准确的描述所有 流动的特性，准确与否只是相对于某种特定流动而言。如均质模型是一种比较粗糙的模 型，而且，一般情况下，认为分离模型比均质模型更容易获得令人满意的结果，但当质 量流量较大( g 5 0 0 k g m 2 j ) 或气液两相的物理特性相差不大时，采用均质模型的 效果更好。因此，在近期发表的文章中，有些仍采用均质模型作为理论依据。随着近年 来对微尺度两相传热问题研究的不断深入，扩展了均质模型的应用空间。如u n g a r 和 c o m w e l l ( 1 9 9 2 ) 在对水平管道( d = 1 4 以3 1 5 m m ) 氦两相流动的研究过程中发现，采 用均质模型计算两相流摩擦因子，与实验数据符合的最好【甜。m n 方程等一批早期建立 的实验关系式，也并没有因为新的关系式的建立而失去生命力，在两相流的研究中，仍 占有举足轻重的地位。这些都是由两相流的复杂性决定的。 在气液两相流动系统中，液相在管壁及气相中的分布是确定流型的关键，对研究热 传递和腐蚀过程也是非常重要的。a r s ( a p p a r e n tr o u g hs u r f a c e ) 模型和d o u b l e - c i r c l e 模型是针对水平气液两相流动建立起来的比较新的两个模型。 a r s 模型属于唯象模型，是由h a r t ( 1 9 8 9 ) 等人发展推导出来的。 在水平管道中的气液两相流动系统中，液体一部分以液膜的形式附着在管壁上，一 部分以液滴的形式分散在气相中。假设液膜在重力的作用下沿轴纵切面对称，当气体流 速比较低时，液膜只会覆盖管壁圆周的一部分，即部分环状流动；当气体流速较高时， 液膜将有可能覆盖整个圆周，即环状流动，由于重力的作用，管子上部液膜较薄，下部 蒸发冷却电机空心导线内气液两相流动摩擦阻力的研究 液膜较厚。由此，h a r t 等人建立了a r s 模型。示意图如图1 1 所示： a r s 模型忽略了液膜在重力作用下薄厚分布的不均匀，认为沿管壁分布的液膜为等 厚度。 c h e n ( 1 9 9 7 ) 等人考虑到液膜在重力的作用下，上薄下厚，建立d o u b l e - c i r c l e 模型。 示意图如1 2 所示。 图1 1a r s 模型 图1 , 2 “d o u b l e - c i r c l e ”模型 1 3 2 实验研究状况 随着各种理论模型和经验关系式的建立，不同情况下气液两相流动的实验研究工作 也逐步开展并走向深入。 1 低温流体的两相流动的研究 由于低温流体潜热小，沸点低，因此，在液氢、液氦的制冷或冷却系统中，液氢或 液氦很容易汽化，产生两相流动。如超导磁铁的液氦冷却系统，氦气的液化系统等，为 了正确的设计和操作这些系统，首先应该了解低温流体两相流动的水力特性。如x h u a n g 和s w v hs c i v e r ( 1 9 9 5 ) 研究了水平管道中氦两相流动的压力降和截面含气率 ( o 6 5 1 2 a r m ，内径5 3 3 m m ，4 5 7 m m ) 【3 j 。 2 微尺度( m i n i m i c r o ) 条件下的两相流动的研究 近年来，电力、电子、激光等设备的发展越来越趋向于微型化，但容量却不断增大， 功率损耗也不断增大，要求使用结构紧凑、散热效率高的冷却器【4 胡。相变传热的高效 性1 7 瑚】，逐渐引起人们的关注。随着生物工程以及宇宙空间技术的发展，两相流动的应 用领域得到进一步的拓展。近年来的一些研究成果表明： 1 在管道直径或水力直径由l o m m 逐渐减小到l m m 的过程中，流型图、截面含气 第一章绪论 率、压降都会发生显著的变化( 详见k a w a j i ，1 9 9 9 ) 【州2 1 。在小型( m i n i ) 管道及极微小 ( m i c r o ) 管道中，存在很高的滑速比【1 。由于受到表面张力的影响，当气相流速很高 时，与大直径管道相比，截面含气率偏小1 5 】，因此，摩擦因子也比较小。 2 通过对较大管径中流动特性研究得到的模型或关系式如漂移模型( d r i f t f l u x m o d e l ) ，l m 方程等，对于水力直径在l m m 1 0 m m 之间的小管径内的流动仍然是适用 的，但需要对常数进行修正( a l i 等，1 9 9 3 ) 【l “”。当管道直径继续减小，由l m m 减小 到1 0 0 o n 甚至2 5 脚时，由于管径的减小必然导致雷诺数的降低，以及壁面剪应力和表 面张力的增加，流动特性将发生显著的变化( s t a n l e ye ta 1 1 9 9 7 ) 。 3 随着管径的逐渐减小，重力的影响逐渐减小，以至于管道放置的方向对流动不再 产生影响m ”j 。 目前对微尺度条件下的两相流动及传热的研究还很不够，要获得定量的结果，形成 完整的理论还要做大量的工作。 1 4 蒸发冷却电机定子线棒空心导线内气液两相流动的研究背景及意义 11 9 9 9 年李家峡电站4 0 0 m w 蒸发冷却水轮发电机的成功运行，说明蒸发冷却水 轮发电机的核心技术已经成熟，下一个目标是制造更大容量的蒸发冷却水轮发电机，走 产业化的道路。2 0 0 0 年，在法国巴黎召开的国际大电网会议上，蒸发冷却电机被评为发 电机的四大进展之一。电机蒸发冷却技术充分利用了冷却介质的热力特性和绝缘性能， 既继承了水内冷技术的优点，又克服了其本质缺陷：泄漏破坏电机绝缘等弊端。1 9 9 9 年李家峡电站4 0 0 m w 蒸发冷却水轮发电机成功运行至今，证明了蒸发冷却技术的安全、 可靠，与国外设计的水内冷发电机的相比，其综合性能具有明显优势。近年来，三峡公 司计划逐步将国外设计的水内冷机组改为蒸发冷却，目前正在筹备于2 0 0 6 年在三峡电 站将西门子设计的一台定子水内冷机组改为定子蒸发冷却机组【2 2 】。在这种情况下，深入 研究蒸发冷却发电机的核心技术两相流的流动和传热特性，对优化蒸发冷却电机的 设计理论和制造技术具有重要意义。 蒸发冷却电机通过多年的运行，显示出明显的优越性【2 ”。采用蒸发冷却方式后，不 仅彻底摒弃了外加的机械泵及水净化系统，简化了循环装置，减小了循环噪音，而且电 机的可靠性明显增强，绝缘寿命明显延长，以安康电站5 0 m w 水轮发电机为例，绝缘 寿命至少延长了两倍，效率提高了0 4 ；与空冷电机相比，温度可以降低3 0 - - 4 0 k ，解 决了由于温差大，产生热应力、引起热变形和绝缘脱壳的问题【2 ”。蒸发冷却技术在大型 电机上的应用前景是光明的。 蒸发冷却电机空心导线内气液两相流动摩擦阻力的研究 2 蒸发冷却电机的关键技术是两相流，但是由于两相流动的复杂性，迄今为止，还 没有系统的理论公式。 影响沸腾换热的因素很多，如传热和表面温度的关系不仅依赖于汽液两相的热力 学特性和传输特性，还与传热表面的性质以及两相流体的流动方式有关。特别是传热表 面的状态，如表面粗糙度，杂物污染或者附着气体等不可预测的因素都会影响气泡的产 生。同时，沸腾容器的形状和大小对沸腾的流动特性和传热特性的影响也是不可忽略的 因素。迄今为止，对沸腾换热进行完整的理论分析尚有一段距离，计算关系式都是理论 分析的基础上，通过对大量实验数据的拟合获得的，研究仍停留在半理论半经验的基础 上。 电工所蒸发冷却组从二十世纪五十年代末开始研究在大型发电机上应用蒸发冷却 技术，对多种尺寸的微小矩形管道和圆形管道内部的两相流动特点，采用多种工质进行 了研究，积累了大量的经验和数据。主要有以下两个方面：矩形截面垂直上( 下) 行管 道中f l l 的两相流动压力降口翻，管道截面尺寸为3 6 4 m m ，工作从6 5 年秋天开始筹备， 6 6 年底基本完成；矩形截面垂直上( 下) 行管道中气水两相流动压力降【2 郇，管道截面 尺寸为2 1 5 x 5 6 3 m m ，2 1 0 1 0 8 r a m ，2 1 5x 1 5 9 5 r a m 。并根据研究结果进行了7 2 5 0 0 w 蒸 发冷却水轮发电机定子线圈自循环系统的计算，定子线圈自循环系统单( 多) 层绕组方 案的设计；论证了蒸发冷却电机定子绕组半匝自循环系统中空心导线长度、内孔尺寸以 及热负荷之间的关系。但是，由于当时技术条件和实验条件的限制，未从测得的压力降 中扣除重力压力损失和加速度压力损失，认为全部压力降均由摩擦阻力造成，不可避免 产生了误差。近几年又以f 1 1 3 为冷却介质，对放大倍数进行了修正，但仍然存在一些 问题。 3f 1 1 3 虽然是一种性能优良的蒸发冷却介质，但由于环保的需要，必须寻找替代 品，而冷却介质不同，对两相流动会产生很大的影响。本文在前人研究成果的基础上， 结合多台机组多年的运行经验，对f 1 1 3 的流动传热特点进行了深入地研究，使其系统 化，为以后采用新介质提供可靠的依据，具有重要的借鉴意义。 1 ) 吸取教训，总结经验，使用新介质时，避免重复出现f 1 1 3 使用时的问题。 2 ) 为接下来的新介质的研究奠定基础，确定新介质的研究内容、研究方法和研究 方向。 3 ) 方便将新介质的研究成果与f 1 1 3 进行比较，从而确定新介质在蒸发冷却电机中 的冷却方案。 因此，本论文也将为新介质流动与传热特性研究工作打下好的基础。 总之，为了优化发电机的各项参数，提高电机性能，使其保持最优的运行状态，加 强对两相流动的研究，完善计算方法具有重要意义。 第一章绪论 1 5 课题研究的任务、技术路线及论文内容的安排 1 5 1 研究任务和技术路线 鉴于以上研究背景和意义，可知两相系统压力降的确定是冷却系统设计的关键问题。 但是由于两相流动的复杂性和当时研究条件的限制，以及冷却介质物性的差异，还有诸 多问题尚待进一步解决。另一方面，经过几十年的实践考验，蒸发冷却电机显示出的良 好发展前景和竞争优势，更增加了进一步研究的必要性。研究任务有以下3 个方面。 ( 1 ) 立式电机蒸发冷却系统的循环为密闭无泵的自循环方式一般认为，循环的动 力由上升管和下降管的密度差决定，但是在电机运行过程中，回液管内不总是充满了冷 却介质，常常为非充满状态，有时甚至很低，循环仍然可以顺利的进行，以前的理论不 能对这个现象做出合理的解释，为了研究此时的循环动力的计算问题，论文从能量方程 的角度详细分析了立式蒸发冷却电机的循环原理，对原有的理论进行了补充，并用实验 数据进行了验证。 ( 2 ) 针对以往实验中发现的问题，确定实验装置的改进方案，并对测试系统进行完 善，提高其可靠性和自动化程度。 在以往的实验过程中发现，现有的实验装置存在一些问题，如储液罐冷却器的冷却 能力不足，使得冷却介质入口温度过高，系统管道和阀门的设置不合理，极易出现不稳 定现象，很难确定稳定的工作点，从而造成流量和压力测量困难，论文探索了多种测试 手段和方法，对实验装置及其测试系统进行了完善和提高。 ( 3 ) 在蒸发冷却电机的冷却系统设计中，f 1 1 3 两相流阻的放大倍数是根据f 1 1 的 放大倍数乘以系数得到的，没有对其两相流阻做过系统的研究，在电机的运行中，发现 裕量很大，为了更加准确的确定f 1 1 3 的放大倍数，必须对两相流动摩擦阻力展开研究。 由于两相流动的摩擦阻力不能直接测量得到，而是从测得的总阻力中扣除重力阻力 和加速度阻力得到的，因此重力阻力和加速度阻力计算的精度直接影响摩擦阻力的精 度，为了避免涉及重力阻力的计算，设计了泵强迫循环的水平实验平台。对与其紧密相 关的截面含气率、加速度压力降等均进行了深入的研究，并选用l m 和m - n 方程计算 了不同流量和出口蒸汽品质下的放大倍数。 ( 4 ) 随着立式蒸发冷却电机技术的日益成熟，电工研究所目前正在抓紧推广定子 蒸发冷却卧式电机在工业上的应用，在卧式蒸发冷却电机中，冷却系统的运行压力为 0 1 - 0 3 m p a ，有时甚至可以达到o 4 m p a ，由于冷却介质的物性受压力的影响很大，因 此，运行压力升高后，放大倍数会发生很大的变化，因此有必要对不同压力下的放大倍 数展开研究；随着2 0 0 6 年的临近，f 1 1 3 即将被淘汰，必须寻找一种新型环保冷却介质 替代f 1 1 3 ，而新介质的物性参数普遍不全，尤其是不同压力条件下的参数，为了方便蒸 蒸发冷却电机空心导线内气液两相流动摩擦阻力的研究 发冷却汽轮发电机采用新介质后冷却系统的设计，研究了采用压力衰减法计算不同压力 下的放大倍数。 ( 5 ) 电机设计好后，可以通过调节冷凝器的冷却能力调节冷却系统的运行压力， 耳前，普遍认为负压运行可以使线棒表面温度低，且有利于解决介质泄漏的问题，论文 从多个角度研究了压力对电机及其冷却系统的影响。 1 5 2 论文的内容安排 论文的内容安排如下： 第一章绪论。主要介绍了课题的研究背景、研究意义、研究方法以及论文的创新 之处。 第二章理论分析。主要针对用m n 方程确定气液两相流动摩擦阻力放大倍数的方 法进行了详细的论述和推导。 第三章实验装置及其测试系统。详细分析了原有实验装置存在的问题和技术难点， 确定了实验装置的改进方案，并阐述了其理论依据，完善了原有装置的测试系统，设计 了测试信号的数据采集系统，提高了测试的自动化程度，最后介绍了冷却介质应用研究 的发展。 第四章气液两相流动摩擦压力降的研究。从理论上深入研究了循环流量、运行压 力、蒸汽品质等因素对循环阻力和截面含气率的影响，并以实验数据为依据，总结归纳 出一般性规律。 第五章循环原理分析。以热力学第一定律为基础，从能量守恒的角度详细分析了 蒸发冷却电机( 立式和卧式) 的循环原理，并分别对上升管和下降管进行了分析，解决 了对循环压头存在的疑问，提出了以出口焓反推流动阻力的方法。 第六章运行压力对蒸发冷却电机循环系统的影响。电机设计好后，其运行压力可 以通过调节冷凝器的工作状态确定。通常，电机的运行压力有正压和负压运行两种选择。 本章以第四章的实验数据为依据，研究了运行压力对蒸发冷却电机冷却系统工作性能的 影响。 。 第七章主要结论以及仍然存在的问题。对论文各章的研究成果及创新点进行了归 纳总结，并提出今后的研究方向。 1 6 论文的创新之处 l 立式电机蒸发冷却系统设计时，两相流动的放大倍数由出口处蒸汽品质查图得 到，蒸发冷却组只对f 1 1 和汽水两相的放大倍数做了大量深入的研究，没有专门对f 1 1 3 第一章绪论 的放大倍数进行研究，而是粗略的取f 1 l 的放大倍数为f 1 1 3 的1 7 倍进行计算，而且以 往的计算也没有考虑流量的影响，论文详细分析了流量对放大倍数的影响，绘制了不同 流量下，f 1 1 3 放大倍数随出口处蒸汽品质变化关系曲线。 2 研究了运行压力、临界压力及常压下介质的物性参数对气液两相流动摩擦阻力的 影响，采用压力衰减法计算了不同压力条件下的放大倍数，并用实验数据进行了校核， 为方便蒸发冷却汽轮发电机冷却系统设计奠定了基础。 3 蒸发冷却电机冷却系统设计一般采用循环压头法，认为循环动力来自于回液管积 累液柱高，根据动力与阻力的平衡确定冷凝器的安装高度等问题“设计时通常认为回液 管内为满液位，但是，在电机实际运行过程中，由于冷却介质泄漏和超负荷运行等原因， 回液管内通常不是满液位，有时甚至很低，但循环仍然可以继续进行，循环压头法很难 对这种现象做出合理的解释。论文从热力学第一定律出发，从能量的角度对回液管内的 冷却介质进行了分析，得出了合理的解释。通过对上升管内流体的能量分析，得出了由 介质出口焓反推出口压力来估算上升管流动阻力的方法。 参考文献 1 叶万仁大型汽轮发电机采用蒸发冷却技术的可行性华北电力技术1 9 9 67 【2 】k e m a la l d a s a p p l i c a t i o no f at w o p h a s ef l o wm o d e lf o rh y d r o g e ne v o l u t i o ni na ne l e c t r o c h e m i c a l c e l l a p p l i e dm a t h e m a t i c sa n dc o m p u t a t i o n ，v o l u m e1 5 4 ，i s s u e2 ，5j u l y2 0 0 4 ：p a g e s5 0 7 5 1 9 f 3 】j i n l i a n gy u a n ，b e n g ts u n d d n t w o p h a s ef l o wa n a l y s i si nac a t h o d ed u c to f p e f c s e l e c t r o c h i m i c a a c t a ，v o l u m e5 0 ，i s s u e s2 - 3 ，3 0n o v e m b e r2 0 0 4 ：p a g e s6 7 3 - 6 7 9 【4 张华俊，蒲亮毛细管内制冷剂气液两相流动研究现状与发展制冷与空调2 0 0 3 ，3 ( 5 ) ：1 2 1 7 【5 】f r a n c e s c ob e r t o l a ，g i a n c a r l ob a l d i ，d a n i e l em a r c h i s i o ，m a r c ov a n n i m o m e n t u mt r a n s f e ri nas w a r l n o f b u b b l e s ：e s t i m a t e sf r o mf l u i d - d y n a m i cs i m u l a t i o n s c h e m i c a le n g i n e e r i n gs c i e n c e ，v o l u m e5 9 ， i s s u e s2 2 - 2 3 ，n o v e m b e r - d e c e m b e r2 0 0 4 ：p a g e s5 2 0 9 5 2 1 5 【6 】潘春晖，吴裕远狭缝通道内液氮两相流沸腾强化传热实验研究低温工程1 9 8 93 7 k b o u l a m a ，n g a l a n i s ，j o r f i h e a ta n dm a s st r a n s f e rb e t w e e ng a sa n dl i q u i ds t r e a m si n t d i r e c t c o n t a c t i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f h e a ta n d m a s s t r a n s f e r , v o l u m e4 7 ，i s s u e s1 7 一1 8 ，a u g u s t2 0 0 4 ：p a g e s 3 6 6 9 3 6 8 l 【8 】李永成，刘酴厚，沈自求垂直管中气液两相流传热研究工程物理学报 9 熊扬恒核电站蒸汽发生器研究设计中的几个问题核动力工程1 9 9 4v 0 1 1 54 1 0 f ra b d e l a l l ，g - h a h n ，s m g h i a a s i a a n ，s i a b d e l k h a l i k ，s s j e t e r , m y o d aa n dd l s a d o w s k i p r e s s u r ed r o pc a u s e db ya b r u p tf l o wa r e ac h a n g e si ns m a l lc h a n n e l s e x p e r i m e n t a lt h e r m a l a n df l u i ds c i e n c e ，v o l u m e2 9 ，i s s u e4 ，a p r i l2 0 0 5 ：p a g e s4 2 5 - 4 3 4 1 1 蒸发冷却电机空心导线内气液两相流动摩擦阻力的研究 【1 1 】s p i c k a ，p e t e r ；m a r t i n s ，a n t 6 n i o a ；m d i n s ，m a d a l e n a ；l o p e s ，j o s 6 c a r l o s b h y d r o d y n a m i c so f g a s - l i q u i df l o wi n2 dp a c k e d u n p a c k e dr e c t a n g u l a rr e a c t o r c h e m