3原理電機(jī)以往所使用的冷卻方式(包括空冷、氫冷和水冷)從熱學(xué)原理上來講都是利用介質(zhì)的比熱吸熱從而帶走熱量。而蒸發(fā)冷卻從熱學(xué)原理上是利用流體沸騰時(shí)的汽化潛熱帶走熱量。這種利用流體沸騰時(shí)的汽化潛熱的冷卻方式就叫做“蒸發(fā)冷卻”。由于流體的汽化潛熱要比流體的比熱大很多，所以蒸發(fā)冷卻的冷卻效果更為顯著。其中管道內(nèi)冷式蒸發(fā)冷卻的根本原理是：當(dāng)電機(jī)繞組空心導(dǎo)體內(nèi)部通以冷卻液體，液體進(jìn)入導(dǎo)體后，吸取損耗產(chǎn)生的熱量，溫度逐漸上升。當(dāng)液體的溫度到達(dá)壓力所對應(yīng)的飽和溫度時(shí)，就轉(zhuǎn)變其物理狀態(tài)而沸騰汽化，帶走熱量，冷卻電機(jī)。定子自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)如圖1，它利用立式水輪機(jī)本身的構(gòu)造特點(diǎn)在存在密度差的狀況下可以實(shí)現(xiàn)無泵自循環(huán)。其原理是：當(dāng)空心導(dǎo)體內(nèi)的冷卻介質(zhì)吸取空心導(dǎo)線損耗所發(fā)散的熱量漸漸汽化形成汽液混合物，其密度低于回液管中的單相液體密度，在重力加速度的作用下產(chǎn)生流淌壓頭，抑制整個(gè)冷卻回路的阻力損失，維持系統(tǒng)循環(huán)。圖1優(yōu)缺點(diǎn)當(dāng)電機(jī)承受蒸發(fā)冷卻方式后，由于蒸發(fā)冷卻的冷卻效果顯著，使得整個(gè)電機(jī)的溫升降低，電機(jī)的溫度分布均勻。特別是內(nèi)冷方式的使用極大地降低了定子繞組溫升，從而降低繞組與鐵心間的溫差，提高運(yùn)行穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。它的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)蒸發(fā)冷卻繼承了水內(nèi)冷的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)抑制了水介質(zhì)的缺點(diǎn)，極大地提高了運(yùn)行牢靠性。2)蒸發(fā)冷卻方式使用的介質(zhì)是沸點(diǎn)在50～60℃的氟碳化合物，無毒，無污染，不腐蝕金屬。3)承受的介質(zhì)具有很高的絕緣性，抑制了介質(zhì)導(dǎo)電的危急，同時(shí)介質(zhì)具有滅火和滅弧力量，能夠抑制其他電氣事故的發(fā)生。4)可以利用液相和氣液雙相的比重差實(shí)現(xiàn)無泵自循環(huán)。減小了泄漏點(diǎn)，不會(huì)失去循環(huán)。5)蒸發(fā)冷卻的氣側(cè)壓力可以設(shè)計(jì)為運(yùn)行時(shí)低于0 1MPa正壓，停機(jī)時(shí)成負(fù)壓，減小泄漏的可能性，抑制了水冷方式水泄漏的本質(zhì)弱點(diǎn)。6)由于溫升分布均勻，定子線棒各局部的溫差較小(小于10℃)從而抑制了定子線棒的熱變形問題。7)由于蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的高絕緣性，使得對電機(jī)繞組本身絕緣的要求降低了，絕緣費(fèi)用降低而使電機(jī)經(jīng)濟(jì)性能有所提高。蒸發(fā)冷卻技術(shù)唯一需要解決的問題是以往蒸發(fā)冷卻所使用的氟利昂介質(zhì)中的cl元素對大氣的臭氧層有破壞作用。但是這并非本質(zhì)性的弱點(diǎn)，由于型無污染的冷卻介質(zhì)爭論已取得進(jìn)展，并已經(jīng)過了實(shí)際機(jī)組的使用，可以替換。二、蒸發(fā)冷卻技術(shù)的爭論背景及成果由于蒸發(fā)冷卻技術(shù)無以倫比的優(yōu)越性，引起了各國科學(xué)家對蒸發(fā)冷卻技術(shù)爭論國外的爭論狀況美國、日本、英國、俄羅斯和加拿大等國相繼開展了將相變原理應(yīng)用到大型發(fā)電設(shè)備中的爭論，已取得肯定的成果，這些爭論成果只是處在一種試驗(yàn)爭論的階段，至今沒有成熟產(chǎn)品批量生產(chǎn)。國外對蒸發(fā)冷卻電機(jī)的一些主要研制成果如下：1949年，荷蘭人首先提出了“噴霧式蒸發(fā)外冷”技術(shù)，其電機(jī)構(gòu)造為在電機(jī)的端部裝有橫向的細(xì)管，水霧直接落在繞組、鐵心和轉(zhuǎn)子外表上吸熱而汽化，生成的水蒸汽在電機(jī)的另一端冷凝，由泵送入儲(chǔ)液箱，再循環(huán)使用。這種冷卻方式制造和使用都很不便利，且因水具有導(dǎo)電性而對電機(jī)絕緣的要求嚴(yán)格，不適合大型發(fā)電機(jī)冷卻的要求，僅在特種電機(jī)上使用。1962年，蘇聯(lián)基輔工學(xué)院開頭爭論“直接膜狀蒸發(fā)冷卻”。這種冷卻系統(tǒng)的根本原理是帶有空心導(dǎo)體的定轉(zhuǎn)子繞組作為冷凍機(jī)中的蒸發(fā)器。他們在靜止和旋轉(zhuǎn)條件下對一根空心導(dǎo)體的蒸發(fā)內(nèi)冷做了不少的原理試驗(yàn)和理論分析。介質(zhì)承受氟里昂—1222，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度低于室溫。這種冷卻方式在汽輪發(fā)電機(jī)上使用可使其單機(jī)容量比用氫冷時(shí)提高一倍，且工作溫度低，溫度梯度微小，熱損耗少。無化學(xué)腐蝕，無爆炸，燃燒等危急。但是，這種冷卻系統(tǒng)中冷凍的功率很大，循環(huán)系統(tǒng)簡單，操作維護(hù)不便利。尤其是在低溫下運(yùn)行，外層要求保溫，否則會(huì)消滅熱的逆流現(xiàn)象。即四周環(huán)境的熱量向電機(jī)內(nèi)部傳遞。1969年，日本東芝電氣公司爭論試驗(yàn)了汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)迫循環(huán)水蒸20萬kW還作了一系列單因素的專題模擬試驗(yàn)。其循環(huán)回路為：冷卻水從軸中小孔流向安排環(huán)，在離心力的作用下，經(jīng)配水環(huán)上的噴嘴噴入最內(nèi)層的繞組中，每層繞組有溢流構(gòu)造，冷卻水通過溢水孔逐步流入最外層繞組中，多余的水流入液體收集器。有一個(gè)絕緣筒套在轉(zhuǎn)子四周以防止水蒸汽進(jìn)入定子。管內(nèi)水蒸汽流過調(diào)壓閥被吸入冷凝器內(nèi)，冷凝成液體再經(jīng)泵重循環(huán)工作。水蒸汽的溫度可通過調(diào)整壓力而轉(zhuǎn)變。這種冷卻方式冷卻效果好，繞組溫度分布均勻，工作穩(wěn)定，起動(dòng)、停機(jī)便利。缺點(diǎn)是仍需很多外部管路和冷卻裝置，水對軸及絕緣材料等有腐蝕性，因此安全性差。1970年，美國通用電氣公司在國際大電網(wǎng)會(huì)議上發(fā)表的論文中提出了轉(zhuǎn)子自循環(huán)蒸發(fā)冷卻方案。整個(gè)轉(zhuǎn)子密封于不銹鋼套筒中。冷卻介質(zhì)承受R—113、R—114、RC—75等。發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)充有低沸點(diǎn)、高絕緣的冷卻液體。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，冷卻液吸取熱量后蒸發(fā)汽化，經(jīng)過冷凝器又冷凝為液體，經(jīng)過與繞組相連通的外部回液管，重返繚繞組，形成自然循環(huán)。這種自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻效率高，構(gòu)造簡潔，操作維護(hù)便利，運(yùn)行安全牢靠，是一種很有發(fā)展前途的冷卻方案。國內(nèi)的爭論狀況中國科學(xué)院電工所在看到了水內(nèi)冷技術(shù)優(yōu)越性的同時(shí)，為了解決水內(nèi)冷電機(jī)的水系統(tǒng)故障問題，于1958冷凍強(qiáng)迫循環(huán)方式”。這種冷卻方式使用沸點(diǎn)較低的介質(zhì)，汽化后的飽和蒸汽溫度低于二次冷卻介質(zhì)溫度，必需經(jīng)過壓縮，使其飽和蒸汽溫度高于二次冷卻介質(zhì)溫度，才能進(jìn)展熱交換，冷凝為液體，再次循環(huán)使用。1958科研工作會(huì)議上爭論了如何爭論承受先進(jìn)技術(shù)來設(shè)計(jì)制造三峽巨型發(fā)電機(jī)問題。中科院電工所擔(dān)當(dāng)了此項(xiàng)課題后，經(jīng)過調(diào)查和試驗(yàn)爭論提出了利用氟里昂作為介質(zhì)的自循環(huán)蒸發(fā)冷卻方式。這種冷卻方式利用電機(jī)構(gòu)造的特點(diǎn)(例如：立式水輪發(fā)電機(jī)的定子繞組)，以及液體汽化后密度發(fā)生變化而引起壓差變化，可以形成自然循環(huán)。當(dāng)時(shí)，這在國內(nèi)外是最早提出的。其原理如下：繞組空心導(dǎo)體內(nèi)的冷卻液體吸取了熱量，在常溫下汽化，通道內(nèi)形成氣液兩相的混合物，其混合密度小于回液管中未受熱的液體密度。在重力加速度作用下，兩管中的靜壓頭不同就產(chǎn)生了壓差，這就是自循環(huán)的動(dòng)力，稱為流淌壓頭。它是利用介質(zhì)吸取的熱量做功，推動(dòng)流體循環(huán)，無需外加動(dòng)力。流淌壓頭抑制循環(huán)回路中的各種阻力損失，保持正常循環(huán)，壓頭與總阻力相平衡。隨著電機(jī)負(fù)荷的變化，損耗發(fā)生變化，流體的流量發(fā)生變化從而介質(zhì)的流淌速度發(fā)生相應(yīng)的變化，流淌壓頭和總阻力損失在的條件下到達(dá)的平衡，可以自動(dòng)適應(yīng)電機(jī)冷卻的需要。這個(gè)循環(huán)的原理同樣適用于轉(zhuǎn)子，由于離心加速度比重力加速度大很多，因此循環(huán)的動(dòng)力也大很多，從而使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)多匝自循環(huán)。電工所為了進(jìn)一步爭論蒸發(fā)冷卻原理和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，先后建立了“氣液兩相原理模擬”，“定子模型”和“旋轉(zhuǎn)模型”等試驗(yàn)室及相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，對管道內(nèi)蒸發(fā)冷卻的根本規(guī)律進(jìn)展?fàn)幷摚@得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)401kW40MW52570MVA的奉獻(xiàn)。目前，不管是在根底試驗(yàn)爭論或是機(jī)組運(yùn)行閱歷上，在蒸發(fā)冷卻電機(jī)方面，我國都處于世界領(lǐng)先地位。中國科學(xué)院電工所與東方電機(jī)廠及上海電機(jī)廠等生產(chǎn)制造單位合作，先后將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)上，取得了很好的工業(yè)應(yīng)用效果。主要的成果包括：1975年與北京電力設(shè)備廠聯(lián)合研制了一臺(tái)1200kW發(fā)電機(jī)。198310MW。199250MW蒸發(fā)冷汽輪發(fā)電機(jī)作調(diào)相機(jī)使用運(yùn)行至今。1992年安康火石巖電廠的52 5MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行至今。1999年底投入運(yùn)行的李家峽400MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)已于2023年底通過國家科技部的驗(yàn)收。三、蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用前景隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)展和人民生活水平的不斷提高，我國的各電力系統(tǒng)的容量不斷增長，電力負(fù)荷的日變動(dòng)量(峰谷差)也在不斷加大。一些水電裝機(jī)比例小的電網(wǎng)，只能承受既不經(jīng)濟(jì)，速動(dòng)性又不好的整開整?；痣姍C(jī)組的方法彌補(bǔ)調(diào)峰容量的缺乏。很多大容量水電機(jī)組常常安排在空載四周旋轉(zhuǎn)備用。眾所周知，長期在低負(fù)荷運(yùn)行對大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組是很不利的。抽水蓄能機(jī)組可以利用電網(wǎng)低谷時(shí)的電量揚(yáng)水蓄能，到電網(wǎng)頂峰時(shí)放水發(fā)電，起到最正確的調(diào)峰填谷和事故備用作用，從而提高電網(wǎng)的牢靠性、供電質(zhì)量和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。抽水蓄能電站的建成對緩解系統(tǒng)調(diào)峰填谷力量的嚴(yán)峻缺乏起到了極大的作用。但由于抽水蓄能機(jī)組的轉(zhuǎn)速比較高，所以定子外徑小，軸向高度高，導(dǎo)致定子溫升很不均勻。在負(fù)荷頻繁變化狀態(tài)下，絕緣快速老化，脫殼，絕緣壽命降低，就會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行的牢靠性。承受空冷，電機(jī)參數(shù)的選用范圍比較小，臨界轉(zhuǎn)速不好定位，設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)調(diào)整不好，簡潔造成運(yùn)行不穩(wěn)定的狀況。承受蒸發(fā)冷卻技術(shù)后電機(jī)定子溫升分布相當(dāng)均勻，而且軸向高度更有利于自循環(huán)蒸冷系統(tǒng)的循環(huán)，對冷卻效果起到了更有利的作用。同時(shí)能夠解決絕緣和臨界轉(zhuǎn)速的問題。所以抽水蓄能電站的建設(shè)和進(jìn)展為蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用開拓了寬闊的應(yīng)用前景。聯(lián)合循環(huán)用大型火電機(jī)組由于其應(yīng)用環(huán)境的特別性，要求電機(jī)構(gòu)造簡潔，運(yùn)行安全牢靠，檢修維護(hù)量小。目前，大型汽發(fā)中使用的水氫和雙水內(nèi)冷等冷卻技術(shù)由于氫氣的易爆性及水的堵、漏問題而不能滿足上述要求?？諝饫鋮s用于聯(lián)合循環(huán)用大型火電機(jī)組又會(huì)受到容量的限制。蒸發(fā)冷卻技術(shù)的特點(diǎn)恰能解決上述沖突，所以蒸發(fā)冷卻技術(shù)用于聯(lián)合循環(huán)用大型火電機(jī)組也有很好的前景。四、蒸發(fā)冷卻技術(shù)中仍舊存在的問題電機(jī)理論及技術(shù)問題當(dāng)電機(jī)承受蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，由于該技術(shù)的特別性，將導(dǎo)致一系列電機(jī)理論及技術(shù)問題?！裾舭l(fā)冷卻電機(jī)的電磁計(jì)算和冷卻計(jì)算：電機(jī)承受蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，構(gòu)造方面有肯定的特點(diǎn)，所以應(yīng)當(dāng)結(jié)合蒸冷電機(jī)的構(gòu)造及冷卻方式的特點(diǎn)，進(jìn)展合理的電磁計(jì)●由于蒸發(fā)冷卻介質(zhì)具有良好的絕緣性，整個(gè)電機(jī)溫度分布均勻，溫升降低。尤其是汽輪發(fā)電機(jī)承受浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，定子繞組本身的絕緣性能要求降低，所以絕緣構(gòu)造應(yīng)當(dāng)進(jìn)展相應(yīng)的改進(jìn)；另外，轉(zhuǎn)子上承受蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，對軸系剛性、柔性的影響需重考察。這些問題的爭論都有待于在今后的工作中開展和完善?！耠姍C(jī)內(nèi)熱場，應(yīng)力場及耦合問題始終是電機(jī)界的爭論熱點(diǎn)。電機(jī)承受蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，無論是電廠還是制造廠都迫切的想知道蒸發(fā)冷卻電機(jī)中的熱場及應(yīng)力場分布狀況。這就要求我們在今后的爭論工作中不斷地提高計(jì)算手段，就上述問題給出標(biāo)準(zhǔn)和較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。兩相流問題蒸發(fā)冷卻電機(jī)中，就其蒸發(fā)冷卻技術(shù)本身而言所要爭論的核心課題就是兩相流問題。這其中包括兩相流淌和兩相傳熱問題。兩相流淌和兩相傳熱問題的解決具有極大的理論及實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。但是兩相流淌是一個(gè)格外簡單的過程，雖然它經(jīng)常發(fā)生在很多工業(yè)設(shè)備中，如石油和自然氣的輸送管道、化學(xué)工程中的反響器和蒸發(fā)器、鍋爐的受熱管、沸水原子能反響堆以及各種蒸發(fā)冷卻裝置上，然而對兩相流淌的規(guī)律性生疏還相當(dāng)不完善，至今沒有一整套格外通用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。電機(jī)蒸發(fā)內(nèi)冷的繞組導(dǎo)體，通常承受矩形內(nèi)孔，定子繞組各局部處于不同傾斜角的位置上；轉(zhuǎn)子繞組又是處于離心力場的作用下。因此，靜止或旋轉(zhuǎn)條件下有關(guān)矩形銅管通道內(nèi)的蒸發(fā)兩相流淌，無論是從電機(jī)或從流淌傳熱學(xué)科來說都是的課兩相流淌問題在兩相流淌中存在的主要問題是兩相壓降和管道過流斷面在氣液之間的安排。由于壓降和斷面安排都與流淌狀態(tài)有關(guān)，所以流型流態(tài)也成了不行缺少的爭論內(nèi)容。在兩相流淌中，同時(shí)流淌的兩相可能具有不同的幾何構(gòu)造，這些流淌的幾何構(gòu)造稱之為流型。在不同的流型中，兩相的相對速度和流淌的性質(zhì)會(huì)有較大的差異。目前關(guān)于兩相流淌的工程計(jì)算方法，大多數(shù)不考慮流型之間的差異。但是，對于不同的流型，壓降和兩相所占截面份額的計(jì)算公式，明顯是不應(yīng)當(dāng)一樣的。兩相壓降中包括兩相重力壓降、加速度壓降、及摩阻壓降。其中兩相摩阻壓降在總壓降中占有很大的比例(通常到達(dá)90%以上)，所以對它的計(jì)算準(zhǔn)確性要求比較高。兩相摩阻壓降的計(jì)算方法甚多，都屬于半理論半閱歷公式，缺乏通用性，在特定的兩相循環(huán)系統(tǒng)上使用時(shí)，均需校核修正。針對我們目前所爭論的水輪發(fā)電機(jī)上蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用，兩相流阻壓降成為需要特別處理的問題，必需要針對水輪發(fā)電機(jī)上垂直上升管的特定構(gòu)造特點(diǎn)選擇使用適宜的兩相流阻計(jì)算公式，并利用試驗(yàn)在自循環(huán)系統(tǒng)中，混合密度的計(jì)算也格外關(guān)鍵，由于要確定流淌壓頭，就必需知道混合密度。由于汽與液同時(shí)流淌時(shí)，流速不同，存在滑差，所以混合密度的計(jì)算格外困難。氣占截面比在兩相流的爭論中格外重要，由于它與兩相流態(tài)，兩相流阻和兩相混合比重之間有親熱關(guān)系。對汽占截面比的計(jì)算大都承受的是在肯定假設(shè)條件下的半理論半閱歷公式。要想獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)算公式，就必需依據(jù)具體對象，通過試驗(yàn)驗(yàn)證來打算公式的可用性。電工所為了爭論汽占截面比，承受了一套試驗(yàn)裝置用X—射線法來測量它。目前我們的計(jì)算是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)根底之上的。兩相傳熱的問題圖2兩相流體傳熱的爭論，如沸騰和分散熱交換問題，始終受到熱工程界的重視。由于它是一種格外有效的傳熱方式。核反響堆、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽鍋爐以及各種各樣的蒸汽發(fā)生器和冷凝器，都承受這種傳熱方式將大量的熱有效地傳遞出去。但是由于兩相流的簡單性，兩相傳熱也是一個(gè)相當(dāng)簡單的過程。尤其是在電機(jī)內(nèi)部，定子線棒內(nèi)兩相傳熱更為簡單，由于運(yùn)行中的電機(jī)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，它的損耗分布是隨著運(yùn)行狀態(tài)變