董韶峰,張少鋒,李蔭堂,彭惠蘭

(1.華北水利水電學(xué)院環(huán)境與市政工程學(xué)院,鄭州 450011;2.河南省電力科學(xué)研究院,鄭州 450052; 3.西安交通大學(xué)環(huán)境工程系,西安 710049;4.廣州航海高等?？茖W(xué)校,廣州 510330)

汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻設(shè)備是發(fā)電機(jī)的主要輔助設(shè)備之一,其冷卻效果是整個(gè)發(fā)電機(jī)安全、可靠運(yùn)行的重要保障。在運(yùn)行過程中冷卻水系統(tǒng)因堵塞造成設(shè)備升溫的事故時(shí)有發(fā)生,如果能夠預(yù)測設(shè)備在各種條件下的溫度分布,就可以在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)做出準(zhǔn)確的診斷,進(jìn)行正確的事故處理。目前,相關(guān)的研究工作很多[1-2],本文主要討論內(nèi)熱源和內(nèi)孔堵塞對三維溫度場的影響。

1 仿真模型

1.1 物理模型

整個(gè)冷卻設(shè)備由三部分組成,圖1是其橫截面圖,冷卻水流經(jīng)銅塊內(nèi)部孔洞,所有銅塊均屬有內(nèi)熱源發(fā)熱元件,銅塊外部由絕緣材料環(huán)氧粉云母包圍。橫截面縱向長約10 m。

對于圖1給出的物理模型進(jìn)行以下假設(shè):忽略銅塊之間的接觸熱阻,即認(rèn)為整個(gè)銅塊區(qū)是連續(xù)的;忽略銅塊與云母間的接觸熱阻,即認(rèn)為兩者是緊密接觸的;假定云母是各向同性的導(dǎo)熱材料;假定各種材料的物性不隨溫度改變;忽略外部散熱,即所有銅塊產(chǎn)生的熱量全部由冷卻水帶走。

圖1 橫截面實(shí)物圖

考慮到問題的對稱性,可以把上述物理模型的求解限定在圖2所示的區(qū)域,該求解區(qū)域橫截面總尺寸為91mm×26mm,內(nèi)孔尺寸為2 mm× 5mm,內(nèi)孔錯(cuò)列縱橫中心間距分別為9mm和10 mm,絕緣層厚度為8 mm,總長為10 m。

圖2 物理模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型[3]

銅塊區(qū)域:

云母區(qū)域:

冷卻水區(qū)域:

式中:λcop——銅的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λmica——云母的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);mf——水的質(zhì)量流量,kg/s;cf——水的熱容,J/(g·K);A——銅塊的橫截面積,m2;l——管長,m;T——溫度,K;qv——銅塊內(nèi)熱源強(qiáng)度,kW/m3。

1.3 邊界條件

out,out left和out right為絕熱邊界條件,即λ=d T/d n=0。Inter,inter left,inter right為耦合邊界條件,即界面兩側(cè)熱流量相等。

IN1—IN 14內(nèi)部為冷卻水,按下式處理:

采用考慮入口效應(yīng)的處理方法,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h沿水流方向是不斷變化的[4]。

另外,也考慮了長期運(yùn)行后水垢系數(shù)的影響,水垢系數(shù)R f取0.0004(m2·K)/W[5]。

2 計(jì)算方法

由于本算例是一個(gè)在計(jì)算范圍數(shù)量級上相差較大的三維問題,故需要把截面上的網(wǎng)格處理成細(xì)密網(wǎng)格(1 mm),而沿流動(dòng)方向的網(wǎng)格劃分相對粗大(0.5m)。選取的物性參數(shù)如表1所示[6]。

表1 物性參數(shù)

設(shè)通過截面的水流流速:u=L/(60nab)

設(shè)小孔的當(dāng)量直徑:d e=(4ab/(2(a+b))

式中:L——水流通過截面的流量,取7.5 L/m in;n——截面積上矩形小孔數(shù),取28;a——矩形小孔的長,取5 mm; b——矩形小孔的寬,取2 mm。

可以得到u為0.446 m/s;d e為0.00286m。當(dāng)水的黏度υf為0.556×10-6m2/s時(shí),得到Re為2294,可以認(rèn)為小孔內(nèi)的流動(dòng)為層流。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 溫度場的分布

由于本文討論的是穩(wěn)態(tài)問題,每個(gè)微元體的發(fā)熱量全部由內(nèi)部冷卻水帶走,上游截面不向下游截面?zhèn)鳠?所以z方向上不同截面溫度分布類似,只是數(shù)值區(qū)間不同而已,現(xiàn)以出口端面,長取10m截面上的溫度分布為例討論,參見圖3。

圖3 出口端面溫度場比較均勻

從圖3可以看出,盡管該截面各處溫度分布有差異,但是溫差小于1 K,在工程上可以忽略。截面溫度場比較均勻的主要原因,是銅塊區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率比較大的緣故,雖然外部絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)較小,但厚度相對較小。

3.2 堵塞的影響

圖4給出的是絕緣層外表面水平中心線上的溫度T沿z的變化規(guī)律,其中內(nèi)部冷卻水的流速為0.446m/s,進(jìn)口水溫為300 K,在14個(gè)內(nèi)冷卻孔全通、IN1堵塞(堵1)、IN1和IN2堵塞(堵2), IN1—IN3堵塞(堵3)、IN1—IN4(堵4)情況下外表面上溫度的變化。

圖4 冷卻水為0.446m/s時(shí)絕緣外層水平中心線上溫度隨長度z的變化

從圖4可以看出,1個(gè)孔堵塞將會(huì)使出口截面溫度升高2～3℃,而且堵塞個(gè)數(shù)越多,溫升越高,說明各個(gè)堵塞孔之間會(huì)造成對溫升的協(xié)同效應(yīng)。

為了研究冷卻水流速對堵塞效應(yīng)的影響,把流速降到0.3568 m/s,其他條件不變,溫度變化規(guī)律如圖5所示,堵塞個(gè)數(shù)對溫升影響規(guī)律與圖4類似,但是流速低時(shí)每個(gè)孔堵塞將會(huì)導(dǎo)致出口端面最高溫度升高3～4℃。堵塞后溫度場的分布將發(fā)生變化,靠近堵塞孔處的溫度將比較高,堵塞孔的位置決定了截面溫度分布。

圖5 冷卻水為0.3568m/s時(shí)絕緣外層水平中心線上溫度隨長度z的變化

當(dāng)堵塞孔位置比較分散時(shí),堵塞造成的溫升效果沒有集中時(shí)顯著。但是,由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)較高,截面的溫度差異并不大,見圖6。

圖6 堵塞IN 1和IN 2孔時(shí)出口端面的溫度分布

圖中給出的是冷卻水進(jìn)口速度0.3568m/s, IN1和IN2堵塞時(shí)的出口端面的溫度分布。

3.3 內(nèi)熱源強(qiáng)度的影響

作為內(nèi)部冷卻介質(zhì)的水,平均溫度沿流動(dòng)方向的變化:

任意截面的能量守恒方程為:

式中:Tf——沿流動(dòng)方向截面處的流體平均溫度,K; mf——冷卻水的質(zhì)量流量,kg/s;L——z截面處的銅塊與水接觸的周長,m;Ts——z橫截面上銅塊與水交界面的溫度,K。

通過分析內(nèi)熱源強(qiáng)度的變化對溫度分布的影響關(guān)系,計(jì)算內(nèi)熱源強(qiáng)度q v為432.5 kW/m3,以及1.1～1.5倍q v流量時(shí)的溫度變化,結(jié)果見圖7。

圖7給出了絕緣外層水平中心線上的溫度變化計(jì)算結(jié)果,該處溫度沿流動(dòng)方向的升高斜率,與內(nèi)熱源強(qiáng)度大致成正比關(guān)系。

圖7 內(nèi)熱源對絕緣外層水平中心線上溫度變化的影響

4 結(jié)論

(1)通過分析計(jì)算結(jié)果,表明流速或者冷卻水流量對絕緣層溫度影響較大,內(nèi)熱源強(qiáng)度是造成溫度升高的關(guān)鍵參數(shù)。

(2)冷卻水流經(jīng)銅塊內(nèi)部孔洞遇堵塞,會(huì)造成定子溫度升高,超出設(shè)計(jì)值,堵塞個(gè)數(shù)越多,流速越慢,導(dǎo)致溫升加劇。

(3)計(jì)算結(jié)果同實(shí)際運(yùn)行效果會(huì)存在一定的偏差,其原因是假設(shè)中忽略了各個(gè)銅塊之間的接觸熱阻。今后可以把這部分內(nèi)容突出處理,以便得到更接近工程實(shí)際的解。

[1] 劉明軍,趙之軍,朱其遠(yuǎn).汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水冷卻器的技術(shù)改造[J].動(dòng)力工程,2001,21(1):19-21.

[2] 李和明,李俊卿.汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水路堵塞時(shí)的溫度場分析與計(jì)算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào).2005,25(21):163-168.

[3] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(第二版)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[4] 董韶峰,李蔭堂.常熱流密度矩形管內(nèi)層流對流換熱系數(shù)的數(shù)值計(jì)算[J].能源技術(shù),2010,31(4):70-72.

[5] 章熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學(xué)(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[6] 張 通,饒保林.云母帶粘合劑導(dǎo)熱系數(shù)的研究[J].絕緣材料,2007,40(5):8-9.