卧式蒸发冷却电机定子绝缘与传热系统的研究

【摘要】：蒸发冷却，利用液体介质蒸发时所能吸收的热量要比“比热”大得多的物理现象，是继空冷、氢冷、水冷之后的又一种重要的中大型电机的冷却方式，它具有安全可靠，技术、效益优异，性能稳定，运行管理简便的特点。但是，卧式电机定子采用蒸发冷却技术，受到了来自传统绝缘的不合理束缚，主要体现在绝缘与传热的配合问题，这对于蒸发冷却方式在中大型卧式电机定子上的工程实用提出了挑战。因此，研究卧式蒸发冷却电机定子绝缘与传热系统具有十分重要的理论意义和实用价值。本文对不同类型的卧式蒸发冷却电机定子绝缘与传热系统进行的研究工作是： 本文阐述了卧式蒸发冷却电机定子气、液、固三相绝缘、传热系统的形成机理，若对该系统合理设计和优化，可以研制出针对不同使用需要面对应不同系列的、具备较高综合性能指标(如可靠性、安全性、效率、材料利用率等)的新型卧式蒸发冷却电机定子绝缘结构。 本文提出了一种针对高功率密度卧式蒸发冷却电机定子绝缘的新型设计方案。首次应用软件仿真工具——工作站环境下的EMAS，计算了新型绝缘结构初步方案中的电场、热场的分布，与传统绝缘结构内的温度分布，从而在理论上定性地分析新型绝缘结构研制的必要性与可行性。 首次解决了定子密封腔体内蒸发冷却换热过程中狭窄流道内的表面沸腾换热系数的实验关联式的建立，为研究蒸发冷却定子温度场分布提供了重要的计算参数。 本文首次较为成功地解决了卧式蒸发冷却电机定子密封腔体内形成的气、液、固三相绝缘系统的温度场的仿真计算，并以此着重解决了高功率密度卧式蒸发冷却电机定子绝缘结构的确定性方案，为将来同类型机组的定子绝缘结构提供极具参考价值的备选方案。 在研究高电压、大容量等级蒸发冷却汽轮发电机定子绝缘结构的过程中，本 文首次将试验模型、试验过程中的各种现象、试验结果，与理论仿真模型及计算 结果相结合，研究气、液、固三相绝缘材料构成的绝缘系统的电气绝缘特性、电 场分布。从探索性研究模式出发，对蒸发冷却汽轮发电机新型绝缘结构，利用仿 真工具进行优化设计，建立相应的计算模型及优化路径，得到13.SKV、24KV 电压等级的优化设计结果。计算分析了优化后的24KV等级新型定子绝缘结构的 槽内及端部的电场分布情况，论证了蒸发冷却方式下的气、液、固三相绝缘系统 对定子槽内及端部电场分布的改善，是其它冷却方式所不具备的。