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大型汽轮发电机转子开放管道式蒸发冷却技术基础研究

作　者: 侯哲
导　师: 顾国彪
学　校: 中国科学院研究生院（电工研究所）
专　业: 电机与电器
关键词: 汽轮发电机蒸发冷却技术开放管道式转子冷却技术转子遥测
分类号: TM311
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

电机内部的发热问题是限制发电机向大容量发展的瓶颈。蒸发冷却技术应用于电机冷却具有冷却效果好、安全可靠、结构简单、维护方便等优点,正受到电力部门和电机制造企业越来越多的重视。蒸发冷却技术应用于水轮发电机目前已趋于成熟,即将用于三峡机组,在汽轮发电机定子冷却方面也有了一定的研究成果。随着大容量电机对内冷技术的要求不断提高,因此迫切需要开展蒸发冷却技术在转子冷却方面的基础研究。转子开放管道式蒸发冷却技术冷却潜力大,且对耐压没有过分的要求,是一种很有市场应用前景的蒸发冷却结构,尤其在大容量电机上优势更为明显。本论文的研究对象是汽轮发电机转子绕组的开放管道式蒸发冷却系统,主要研究内容包括为配合模型实验而研制的转子温度测量系统,转子开放管道式蒸发冷却系统内部冷却介质的流动特性,模型实验和转子设计方案。在研制汽轮发电机转子新型冷却结构的过程中,测出转子上各点的温度分布,对改善转子冷却结构,消灭有害的局部高温,保证电机安全可靠的运行等有着极为重要的作用。为了配合转子模型的实验工作,本论文研发了三套转子测温系统:第一套是通过滑环传递温度信号的测温系统,转子上安装多点信号切换装置,将多路信号输入变为选通的一路信号输出,可以利用较少的滑环传递多路信号。第二套是基于MSP430单片机和nRF401无线通讯模块的旋转体无线测温系统,测温元件为热电偶。本论文中详细介绍了该系统的硬件结构、主要器件功能和软件实现。使用情况表明,使用本系统测温简单方便,温度信号稳定可靠。论文中还对相关的技术细节进行了探讨。此外,这套系统还具有开放式和模块化的特点,系统中只要对信号采集部分作适当改动即可用于热电阻测温,第三套就是以PT100热电阻为测温元件的无线测温系统。上述三套测温系统主要适用于转子模型的实验研究工作,经过修改的系统可用于水轮发电机和汽轮发电机的温度信号采集,两套无线测温系统也可用于其它非接触式的测量环境。转子开放管道内冷却介质蒸发的冷却效果,将主要取决于开放管道能通过多大的流量,而流量是由流动压头和流动阻力所决定的。转子开放管道式蒸发冷却流动分析和计算,涉及到了旋转体内受热流体的沸腾状态。本论文从围绕水平轴旋转的开放管道内部受热流体的沸腾情况入手,提出了高离心力场(重力加速度与离心加速度相比较可以忽略)下受热流体沿程阻力的计算方法,得到了转子开放管道内部冷却介质流速随转速的变化规律,估计了转速对冷却系统的影响。本论文完善了开放管道式蒸发冷却转子模型,并在上面进行了通电流模拟损耗实验,分析了加热电流密度、冷却介质流量以及模型转速对冷却效果的影响。试验结果表明,开放管道内部介质流动通畅,转子线圈半径方向上的温度分布均匀,温升情况也符合汽轮发电机温升极限的相关国家标准。论文在理论分析和模型实验的基础上设计了开放管道式蒸发冷却转子方案,其中包括:整体结构设计、轴边进液和余液排出装置、转子线圈结构设计、溢流装置设计和槽内排汽孔方案设计等。目前,开放管道式蒸发冷却技术应用于大型汽轮发电机转子尚处于起步阶段,本论文对模型实验中发现的一些技术难点尝试进行了分析,并对开放管道式蒸发冷却技术未来的发展方向进行了展望。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 汽轮发电机冷却方式的发展历程  10-12
  1.2 蒸发冷却技术应用于汽轮发电机冷却的研究现状  12-13
  1.3 转子测温系统的研究现状  13-15
  1.4 课题背景及研究意义  15-17
  1.5 论文的主要内容和工作安排  17-19
    1.5.1 论文的主要内容  17-18
    1.5.2 论文的工作安排  18-19
第2章转子温度测量系统  19-45
  2.1 滑环多点测量方案  19-22
    2.1.1 带有冷端补偿的热电偶专用放大芯片AD595  19-20
    2.1.2 信号切换电路  20-22
    2.1.3 安装和使用情况  22
  2.2 基于MSP430 单片机和NRF401 无线模块的无线测温系统（热电偶）  22-39
    2.2.1 系统整体结构  22-23
    2.2.2 硬件设计  23-24
    2.2.3 系统主要器件介绍  24-27
    2.2.4 软件设计  27-33
    2.2.5 无线通讯协议  33-37
    2.2.6 无线供电  37
    2.2.7 系统运行效果  37-39
  2.3 基于MSP430 单片机和NRF2401 无线模块的无线测温系统（热电阻)  39-44
    2.3.1 铂电阻PT100 测温电路  40-42
    2.3.2 nRF2401 无线模块  42
    2.3.3 系统误差的处理  42-44
  2.4 结论  44-45
第3章开放管道式蒸发冷却转子内部冷却介质的流动分析  45-56
  3.1 流动分析的基本依据  45-51
    3.1.1 旋转体内的液体  45-47
    3.1.2 液体的静压力分布  47
    3.1.3 液相流阻计算  47-48
    3.1.4 转子开放管道内部受热流体沸腾情况分析  48-51
    3.1.5 旋转体内受热流体流动阻力计算  51
  3.2 流动分析  51-56
    3.2.1 转子绕组开放管道内的流动压头  52
    3.2.2 转子绕组开放管道内的流动阻力  52-53
    3.2.3 转子绕组开放管道中液体流速随转速变化的关系  53
    3.2.4 溢流口的压头  53
    3.2.5 溢流口的阻力  53-54
    3.2.6 溢流口内流速与转速的关系  54
    3.2.7 初步的结论  54-56
第4章开放管道式模型实验和结果分析  56-68
  4.1 实验模型简介  56-60
  4.2 冷却介质简介  60-61
  4.3 实验结果与分析  61-65
    4.3.1 加热电流密度对转子线圈半径方向温度分布的影响  62-63
    4.3.2 冷却介质流量对转子线圈半径方向温度分布的影响  63-64
    4.3.3 模型转速对转子线圈半径方向温度分布的影响  64-65
  4.4 水蒸发冷却实验  65-66
  4.5 结论  66-68
第5章开放管道式蒸发冷却转子设计方案  68-80
  5.1 整体结构方案  68-69
  5.2 旋转密封  69-70
  5.3 转子轴边进液和出液装置  70-71
  5.4 转子线圈结构  71-74
  5.5 溢流装置结构设计  74-75
  5.6 排汽孔设计  75-80
    5.6.1 槽内排汽孔方案一  75-78
    5.6.2 槽内排汽孔方案二  78-80
第6章转子开放管道式蒸发冷却技术现存技术难点剖析  80-87
  6.1 选择合适的冷却介质  80-81
  6.2 转子线圈的维护工作  81-82
  6.3 多余冷却介质的处理方案  82
  6.4 开放管道式转子的振动分析  82-83
  6.5 风摩损耗  83-85
  6.6 仿真计算问题  85-87
第7章论文主要结论及开放管道式蒸发冷却技术未来发展方向展望  87-92
  7.1 论文主要结论  87-89
  7.2 转子开放管道式蒸发冷却技术未来的发展方向  89-91
  7.3 转子开放管道式在汽轮发电机中的应用方案探索  91-92
第8章论文创新点  92-93
参考文献  93-96
附录  96-102
致谢  102-104

大型汽轮发电机转子开放管道式蒸发冷却技术基础研究

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