CN104198201A - 电机内流体与换热参数试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机内流体与换热参数试验装置，回流式风洞的试验段中安装不同的冷却器模型，在不同的风速、水速下，通过调节加热器的加热功率与圆柱形容器的进出水流量，使加热能量正好被冷却水带走，达到热稳定后，采集各被测物理量。通过处理各被测物理量的数值，可以实现对试验冷却器散热性能和风阻性能的研究。本发明真实可靠的模拟冷却器在电机中的运行环境，具有自动控制、自动数据采集、自动数据处理、实时监测等功能，而且测试手段先进、测试数据准确，可以为电机设计选择最合适的冷却器提供准确的试验数据，为电机安全可靠运行提供保证。本发明适用于对所有气体冷却器进行性能试验。

Description

电机内流体与换热参数试验装置

技术领域

本发明涉及一种电机内流体与换热参数试验装置。

背景技术

随着电机事业的发展，单机容量不断提高，对电机的冷却技术提出了更高更新的要求。气体冷却器是电机进行换热和冷却的重要部件，气体冷却器散热系能的优劣直接影响电机的整体冷却效果，因此在电机设计中，选择散热性能高、风阻压降低且又经济合理的气体冷却器是非常重要的。气体冷却器的结构形式包括绕簧式、绕片式、针刺式、挤片式和穿片式，传热材料包括铜、海军铜、铝、不锈钢、钛等。目前，国内有很多冷却器制造厂家，而每个厂家制造的冷却器的散热性能与各厂家的加工能力、工艺水平及质量监督有着密切的关系。冷却器散热性能的优劣要根据散热系数和散热面积来综合的评价，散热面积可以通过计算得出，但是散热系数必须要经过试验才能确定。由于此前没有这种试验装置，导致无法获得不同制造厂家、不同结构形式、不同传热材质冷却器的准确散热性能，对冷却器的计算和设计是较为困难和不准确的，新型冷却器因没有科学的试验数据而无法被设计采用，广大的设计单位、制造单位和使用单位都急需各种冷却器的性能数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种试验段风速场的均匀性、稳定性和脉动量均在±3％，可以对各种气体冷却器进行散热性能和风阻性能研究的电机内流体与换热参数试验装置。本发明的技术方案为：一种电机内流体与换热参数试验装置，由收缩段(1)、稳压段(2)、扩散段(3)、连接段A(4)、阻尼段(5)、紊流段(6)、测试段(7)、试验段(8)、伸缩段(9)、连接段B(10)、导流叶片(11)、离心风机(12)、变频器A(13)、加热器(14)、三相固态继电器(15)、圆柱形容器(16)、水泵(17)、变频器B(18)、涡轮流量计(19)、控制台(20)组成，其中收缩段(1)、稳压段(2)、扩散段(3)、连接段A(4)、阻尼段(5)、紊流段(6)、测试段(7)、试验段(8)、伸缩段(9)、连接段B(10)依次通过法兰顺序连接形成回流式风洞，在连接段A(4)和连接段B(10)的拐弯处安装有导流叶片(11)，在试验段(8)中安装需要试验的冷却器模型；离心风机(12)与变频器A(13)通过电线连接形成供风系统，离心风机(12)安装在连接段A(4)的拐弯处，离心风机(12)的风扇叶片位于连接段A(4)拐弯处的管道内；加热器(14)与可控的三相固态继电器(15)通过电线连接形成加热系统，加热器(14)安装在连接段A(4)的上方来对管道内气体进行加热；水泵(17)与变频器B(18)通过电线连接，圆柱形容器(16)、水泵(17)和冷却器模型的进水法兰(26)依次通过管路连接，冷却器模型的出水法兰(27)与圆柱形容器(16)通过管路连接形成水路循环系统，涡轮流量计(19)安装在水泵(17)和冷却器模型进水法兰(26)的连接管路中。

技术效果

为了保证试验段风速场的均匀性、稳定性和脉动量均在±3％的范围内，回流式风洞设有收缩段、稳压段、扩散段、阻尼段和紊流段，同时在连接段拐弯处设有导流叶片，从而保证了风速场的质量。

为真实的测试出气体冷却器的散热性能与风阻性能，首先由冷却器制造厂家提供符合回流式风洞试验段截面尺寸，其排数、管数及排列方式都和电机内冷却器完全相同的冷却器模型，然后把这样的冷却器模型安装在回流式风洞的试验段中，而且通过对伸缩段的调节可以使冷却器模型的安装更加方便。

在回流式风洞产生气体流动的压力由离心风机提供，通过对变频器A的控制可以实现对压力及流量的调节。风速的测量是利用安装在稳压段中的毕托管来测量气体动、静压，再送至差压变送器，最后经安装在控制台中的风速仪进行反馈。冷却器模型前后的气体压力是通过安装在测试段中的压力传感器进行反馈。冷却器模型中水管内的水循环是由圆柱形容器通过水泵提供，通过对变频器B的控制可以实现对水速的调节，水速可以通过涡轮流量计进行反馈。圆柱形容器有单独的热电阻加热装置，还与自来水和下水道相连，可以实现对容器内水量和水温的调节。冷却器模型的冷热水温度是用两个分别安装在进出水管路中的温度传感器进行测量。为保证冷热水温差测量的准确性，还在冷却器模型的进出水法兰中安装了热电偶来直接测量水温差，做对比校验。加热器可以为回流式风洞内的气体进行加热，通过控制三相固态继电器发出的可变占空比信号来对加热器进行控制，实现对加热功率的调节。在测试段中安装有两个温度传感器用来测量冷热气体温度。为更加全面的测量气体温度，还在测试段中安装了两个铜丝电阻网，根据电阻值的变化来计算冷热气体温度值，这样可以确定面气体温度而不是点气体温度，两个温度传感器的测量值作为温度计算的参考值。为了保证试验装置运行的安全性，在加热器附近的连接段A中还安装了一个温度传感器用来检测气体温度，防止回流式风洞因气体温度过高而造成安全隐患。

通过电机内流体与换热参数试验装置对各种气体冷却器模型进行散热性能和风阻性能的研究，可以确定各种冷却器在不同水速、不同风速时的散热系数及风阻系数，为设计、制造冷却器及电机设计选择最适合的冷却器提供准确的试验数据。需特别指出的是，国内电机制造厂家传统使用的原苏联绕簧式冷却器，其性能曲线登载在我国电指(DZ)29-63“大型发电机通风计算公式”中，很久以来就怀疑其散热性能数据的不准确和保守，在电机内流体与换热参数试验装置上通过试验确定了该冷却器的实际散热系数比原来使用几十年的散热系数高出了30％，从此以试验数据为依据来设计冷却器的结构尺寸减小了很多，直接降低了可观的经济成本。通过在电机内流体与换热参数试验装置上对各种冷却器模型进行试验，可以实现对各种冷却器散热性能和风阻性能的研究，可以为电机设计选择最佳的冷却器结构形式和确定冷却器的结构尺寸提供准确的试验数据，为电机安全可靠运行提供保证。本发明电机内流体与换热参数试验装置填补了国内发电设备制造企业在这一领域的空白，推动了我国电机事业的发展，具有较大的社会效益，在国际同行业也未见报导。

附图说明

图1为本发明工作示意图

图2为测试段和试验段的局部放大图

具体实施方式

如图1所示，一种电机内流体与换热参数试验装置，由收缩段1、稳压段2、扩散段3、连接段A4、阻尼段5、紊流段6、测试段7、试验段8、伸缩段9、连接段B10、导流叶片11、离心风机12、变频器A13、加热器14、三相固态继电器15、圆柱形容器16、水泵17、变频器B18、涡轮流量计19、控制台20组成，其中收缩段1、稳压段2、扩散段3、连接段A4、阻尼段5、紊流段6、测试段7、试验段8、伸缩段9、连接段B10依次通过法兰顺序连接形成回流式风洞，在连接段A4和连接段B10的拐弯处安装有导流叶片11，在试验段8中安装需要试验的冷却器模型；离心风机12与变频器A13通过电线连接形成供风系统，离心风机12安装在连接段A4的拐弯处，离心风机12的风扇叶片位于连接段A4拐弯处的管道内；加热器14与可控的三相固态继电器15通过电线连接形成加热系统，加热器14安装在连接段A4的上方来对管道内气体进行加热；水泵17与变频器B18通过电线连接，圆柱形容器16、水泵17和冷却器模型的进水法兰26依次通过管路连接，冷却器模型的出水法兰27与圆柱形容器16通过管路连接形成水路循环系统，涡轮流量计19安装在水泵17和冷却器模型进水法兰26的连接管路中。

收缩段1和扩散段3为圆台形管道，稳压段2是直径为200毫米的圆柱形管道，连接段A4、阻尼段5、紊流段6、测试段7、试验段8、伸缩段9、连接段B10均是截面为正方形的管道；加热器14的最大加热容量为100kW；圆柱形容器16的高为3.5米，直径为2米，圆柱形容器16带有单独的热电阻加热装置，圆柱形容器16还与自来水和下水道相连。

如图2所示，稳压段2中安装有测量气体流速的毕托管21，加热器14附近的连接段A4中安装有温度传感器22，测试段7中安装有测量冷热气体温度的温度传感器23和铜丝电阻网24、测量气体压力的压力传感器25，冷却器模型的进水法兰26和出水法兰27中安装有测量冷热水温差的热电偶，冷却器模型的进出水管路中安装有温度传感器28，试验装置上所安装的温度传感器均为KYW2-430系列的PT100温度传感器，压力传感器为JD268系列的微压差传感器。

如图1所示，离心风机旋转产生使回流式风洞内气体流动的压力，气体流经加热器后温度升高，通过拐弯处的导流叶片、阻尼段、紊流段后流向测试段，热风在与冷却器模型中的水进行热交换后变为冷风，流经连接段B、收缩段、稳压段、扩散段后回到离心风机形成循环。加热器提供的热量通过气体与水热交换后被圆柱形容器中的水带走。在一定的风速、水速下，通过调节加热器的加热功率及圆柱形容器的进出水流量，使加热能量正好被冷却水带走，达到热平衡。

监视显示屏、测控系统、数据通讯模块、风速仪等都安装在控制台中，通过键盘、鼠标等对测控系统发出指令，分别调整不同的加热功率、不同的风速与不同的水速来模拟冷却器在电机中的运行环境。装置运行工况、各被测物理量的数值以及其他相关信息在控制台得到显示。试验中保持气体流速和水速的稳定性，观察气体温度和压力随时间的变化，当20分钟内被测物理量的变化小于±1％时，记录试验工况及各被测物理量的数值，该工况测试完毕，重新调整运行工况进行试验。通过处理不同风速和水速状态下各被测物理量的数值，可以确定试验冷却器的散热系数、风阻系数与风速之间的关系曲线，实现对散热性能和风阻性能的研究。

Claims (3)

1.一种电机内流体与换热参数试验装置，其特征是：由收缩段(1)、稳压段(2)、扩散段(3)、连接段A(4)、阻尼段(5)、紊流段(6)、测试段(7)、试验段(8)、伸缩段(9)、连接段B(10)、导流叶片(11)、离心风机(12)、变频器A(13)、加热器(14)、三相固态继电器(15)、圆柱形容器(16)、水泵(17)、变频器B(18)、涡轮流量计(19)、控制台(20)组成，其中收缩段(1)、稳压段(2)、扩散段(3)、连接段A(4)、阻尼段(5)、紊流段(6)、测试段(7)、试验段(8)、伸缩段(9)、连接段B(10)依次通过法兰顺序连接形成回流式风洞，在连接段A(4)和连接段B(10)的拐弯处安装有导流叶片(11)，在试验段(8)中安装需要试验的冷却器模型；离心风机(12)与变频器A(13)通过电线连接形成供风系统，离心风机(12)安装在连接段A(4)的拐弯处，离心风机(12)的风扇叶片位于连接段A(4)拐弯处的管道内；加热器(14)与可控的三相固态继电器(15)通过电线连接形成加热系统，加热器(14)安装在连接段A(4)的上方来对管道内气体进行加热；水泵(17)与变频器B(18)通过电线连接，圆柱形容器(16)、水泵(17)和冷却器模型的进水法兰(26)依次通过管路连接，冷却器模型的出水法兰(27)与圆柱形容器(16)通过管路连接形成水路循环系统，涡轮流量计(19)安装在水泵(17)和冷却器模型进水法兰(26)的连接管路中。

2.根据权利要求1所述的一种电机内流体与换热参数试验装置，其特征是：收缩段(1)和扩散段(3)为圆台形管道，稳压段(2)是直径为200毫米的圆柱形管道，连接段A(4)、阻尼段(5)、紊流段(6)、测试段(7)、试验段(8)、伸缩段(9)、连接段B(10)均是截面为正方形的管道；加热器(14)的最大加热容量为100kW；圆柱形容器(16)的高为3.5米，直径为2米，圆柱形容器(16)带有单独的热电阻加热装置，圆柱形容器(16)还与自来水和下水道相连。

3.根据权利要求1所述的一种电机内流体与换热参数试验装置，其特征是：稳压段(2)中安装有测量气体流速的毕托管(21)，加热器(14)附近的连接段A(4)中安装有温度传感器(22)，测试段(7)中安装有测量冷热气体温度的温度传感器(23)和铜丝电阻网(24)、测量气体压力的压力传感器(25)，冷却器模型的进水法兰(26)和出水法兰(27)中安装有测量冷热水温差的热电偶，冷却器模型的进出水管路中安装有温度传感器(28)，试验装置上所安装的温度传感器均为KYW2-430系列的PT100温度传感器，压力传感器为JD268系列的微压差传感器。