利用浸润式蒸发冷却电机楔形气隙内的泰勒涡流带走电机转子表面损耗的研究

对于电机来说，转子表面损耗由于其穿透转子表面的厚度较小，从而引发转子表面的发热较为严重，通常采用转子风扇来冷却。但是，风扇自身的损耗会使得电机效率降低，因此本文拟开展利用浸润式蒸发冷却电机楔形气隙内的空气流动带走电机转子表面损耗热量的研究。一方面采用流体场、电磁场和温度场的耦合分析的方法从理论上计算电机转子表面温度，另一方面根据Eu准则建立试验系统来对理论分析模型进行验证，在考虑浸润式蒸发冷却电机楔形气隙内的空气流动特性的情况下，形成电机转子表面温度场的计算方法。这一方面可以通过对楔形气隙内的空气流动的研究，拓宽目前在流体力学上对Couette流动和泰勒涡流研究的物理模型范围，丰富水平非均匀气隙下的空气流动理论，另一方面可以通过楔形气隙内空气流动及电机转子表面温度场的计算分析达到优化电机设计的目的，并探索在该类电机中取消用于带走转子表面损耗的风扇的可行性。

本项目通过数值和实验手段研究了卧式蒸发冷却汽轮发电机楔形气隙的流体流动、传热现象,探讨是否可以通过隙内空气流动带走转子表面热量，从而取消带走转子表面损耗的风扇。主要研究内容为根据Eu准则建立试验系统来对理论分析模型进行验证，在考虑浸润式蒸发冷却电机楔形气隙内的空气流动特性的情况下，形成电机转子表面温度场的计算方法等，取得了以下成果：.第一，本项目在定子套筒和转子表面光滑的假设下，针对蒸发冷却电机定子套筒壁面基本恒温的特点，将实际蒸发冷却电机简化为同轴套筒内筒加热旋转、外筒静止定温的物理模型。并根据相似理论设计并建立了与卧式蒸发冷却电机楔形气隙等比例的旋转实验装置。.第二，通过对环形横截面内气隙流场的研究，验证了高速旋转情况下，环形间隙流场中充满Taylor涡流的现象及相关规律。在此基础上对轴向楔形气隙内轴向风量形成机理做出解释。通过传热计算说明楔形气隙所产生的轴向风量对转子具有一定散热能力，且随着转速升高，轴向风量应增大；随着转子发热量增大，气隙轴向风量带走热量占总热量的比例变化不大。同时本论文分析了气隙内的空气流量与转速的关系。.第三，提出了一定内筒加热量下临界泰勒数与转速的计算方法，得到了转子气隙内部空气介质流速随转速的变化规律，估计了转速对系统的影响。针对实验情况与相应的计算分析，验证了实验曲线与计算曲线具有相同的变化趋势，并对实验数据与计算结果之间的误差进行了分析。.总结上述实验及仿真结果，表明在目前情况下尚不能取消电机转子表面风扇，但通过对产生泰勒的涡特征参数的分析，可以得到进一步电机改进的思路。.关键词：汽轮发电机，蒸发冷却技术，转子冷却，泰勒涡流