高溫超導電機力矩管漏熱分析＊

周 勇 謝 峰 陳 偉 代義軍

(武漢船用電力推進裝置研究所 武漢 430064)

大容量高溫超導電機具有體積小、重量輕、效率高、噪聲低、運行穩(wěn)定等優(yōu)點,在船舶電力推進、風力發(fā)電、機車牽引、冶金礦產(chǎn)等行業(yè)具有很好的發(fā)展?jié)摿?

國外對高溫超導電機的研究十分重視,美、德、日、韓等國[1-4]采取一系列措施,完善體制,增加研究經(jīng)費,制定研發(fā)計劃,目前均處于研究開發(fā)和試驗驗證中,并取得了重大的突破.2007年3月美國超導公司完成36.5 MW,120 r/min高溫超導電機的出廠試驗,該電機的體積和重量分別為常規(guī)電機的1/2和1/3.我國于2007年將“兆瓦級高溫超導電機的研制”列為“863”計劃重點支持項目,目前由我所組織開展研究工作.

高溫超導電機與傳統(tǒng)同步電機的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子由高溫超導線圈提供直流勵磁,磁體工作溫度為20～40 K;定子采用氣隙電樞;轉(zhuǎn)子內(nèi)部真空絕熱,其典型結構組成如圖1所示.其中力矩管位于常溫端軸和高溫超導磁體之間,起支撐和傳遞轉(zhuǎn)矩作用.由于力矩管兩端存在較大的溫差(約270 K),則從常溫的端軸必有一定的熱量傳至低溫的超導磁體,并最終由低溫冷卻系統(tǒng)帶走.故在高溫超導電機方案設計階段,為了便于選擇制冷機及進行力矩管的結構設計,需要對力矩管漏熱進行計算與分析,以供設計者參考.

圖1 高溫超導電機結構組成示意圖

1 力矩管結構

在高溫超導電機中,力矩管用于連接常溫部件與低溫部件,是傳導漏熱的主要部件;同時其又承載磁體重量及傳遞力矩.綜合考慮,力矩管采用高強度低漏熱的玻璃鋼復合材料,其3D結構示意圖如圖2所示.

2 力矩管漏熱公式

力矩管的使用工況及纖維鋪層工藝,可作如下假設：(1)忽略復合材料筒壁的輻射熱量損失及熱各向異性,僅考慮熱量沿力矩管長度方向傳遞,即溫度只沿軸向發(fā)生變化;(2)對于復合材料,不同成型工藝的導熱系數(shù)略有差別,同時,導熱系數(shù)λ會隨溫度改變而變化,本次漏熱分析時認為導熱系數(shù)不變;(3)忽略端部厚度,認為是一個長L,截面積為圓環(huán)的復合材料筒體(筒體外徑D,壁厚為t,截面積S).

力矩管漏熱公式推導過程如下[5].

因為溫度場是穩(wěn)定的,則有

對式(1)積分得

對式(2)積分得

圖2 力矩管3D結構示意圖 圖3 穩(wěn)定導熱圖

將積分常數(shù)(4)代入式(3),得到溫度分布方程為

將式(5)代入式(2),可得

根據(jù)傅里葉定律表達

則力矩管漏熱計算公式為

3 復合材料導熱系數(shù)測試

由式(8)可知,要分析力矩管的漏熱,需得知復合材料的導熱系數(shù).本研究以力矩管復合材料為測試對象(共3件試樣),根據(jù)現(xiàn)有條件,應用測試儀對力矩管軸向?qū)嵯禂?shù)進行了測試,測試結果如圖4所示.

圖4 材料導熱系數(shù)隨溫度變化關系

由圖4可知,各試樣的導熱系數(shù)隨溫度的升高而增大,其中各試樣的導熱系數(shù)略有不同,這些差異可能與各試樣的組成、結構和孔隙度等因素有關.由于復合材料導熱系數(shù)λ會隨溫度改變而變化,溫度越低,導熱系數(shù)越小,因此本文漏熱計算中復合材料的導熱系數(shù)采用常溫狀態(tài)(300 K)下3件試樣的平均測試值,約為0.37 W/(m?K),這樣力矩管漏熱計算值為極大值,可為制冷機選型提供一定的余量.

4 力矩管漏熱分析

4.1 理論計算

由式(8)及測試的復合材料導熱系數(shù),計算得到力矩管漏熱為Q=9.3 W.如果考慮到復合材料導熱系數(shù)隨著溫度的降低而下降,熱量損失會更小.

4.2 穩(wěn)態(tài)熱分析

由上述力矩管工作工況易知：力矩管安裝好后,溫度緩慢降低至使用溫度,其中低溫端為40 K,高溫端為常溫 300 K,此時溫度場平衡.于ANSYS中建立力矩管3D幾何模型、定義復合材料的熱學性能參數(shù)、網(wǎng)格剖分及定義溫度邊界條件后,得到力矩管穩(wěn)態(tài)熱分析的有限元分析模型如圖5所示.通過穩(wěn)態(tài)熱分析,得到力矩管沿軸向的熱流密度分布云圖,如圖6所示.

由于流過力矩管任何一個截面的熱量是相等的,故可以取力矩管中心截面來計算力矩管的熱量損失.由圖6可以看出,流過中心截面的熱流密度相等,其大小為

則力矩管漏熱仿真計算為

采用有限元計算的熱量損失為9.7 W,比理論計算的9.3 W大,這是因為復合材料兩端有一個過渡段,其截面積較力矩管中間部分要大,而理論計算時做了簡化處理.

圖5 力矩管有限元分析模型

圖6 力矩管熱流密度分布云圖

5 力矩管漏熱試驗驗證

5.1 試驗裝置簡介

在力矩管漏熱理論計算與穩(wěn)態(tài)熱分析的基礎上,為了測試力矩管的漏熱特性,設計開發(fā)了一套力矩管低溫測試平臺,如圖7所示.其中力矩管的低溫環(huán)境通過制冷機來實現(xiàn),力矩管兩端溫度采集通過PT100來實現(xiàn).

圖7 力矩管低溫試驗平臺

5.2 漏熱測試結果分析

試驗過程中,使力矩管端部溫度穩(wěn)定在40± 2 K,持續(xù)時間25 min,試驗數(shù)據(jù)如表1所列.在這段時間內(nèi),制冷機的制冷量(100 W)=力矩管傳導漏熱+試驗裝置輻射漏熱+殘余氣體漏熱+制冷機本身的加熱量.

表1 力矩管低溫試驗測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1所列測試數(shù)據(jù)計算得知,試驗裝置輻射漏熱為16.8 W,殘余氣體漏熱為14.2 W.在力矩管端部溫度穩(wěn)定的25 min內(nèi),制冷機自身的加熱時間有 12 min,加熱功率為100 W,則25 min內(nèi)的平均加熱功率為48 W.那么,兩個力矩管輻射總漏熱為21 W,則單根力矩管漏熱為10.5 W.相比漏熱的理論值與有限元分析值,漏熱的實際測量值偏大,這是因為：(1)理論值與有限元分析值只考慮了力矩管的傳導漏熱,而忽略了輻射漏熱;(2)試驗測量中,力矩管本身溫度有波動,最大波動1.5 K,一部分冷量被力矩管自身釋放的熱量抵消,而試驗數(shù)據(jù)處理中沒有考慮這部分溫度波動,造成實測計算值較大.

6 結束語

本文提出了高溫超導電機力矩管的結構方案,應用測試儀對復合材料的導熱系數(shù)進行了測試,并對力矩管的漏熱分別進行了理論計算及有限元仿真分析,得出了可供設計參考的力矩管漏熱值,具體結論如下.

1)相比力矩管漏熱的理論計算,采用有限元方法,由于幾何模型建立的更詳細,更適用于漏熱的精確計算.

2)通過計算與分析,該力矩管結構滿足低漏熱的要求,達到超導電機力矩管的設計要求.

3)本文所采用的力矩管漏熱分析的方法及思路同樣適用于其他類似應用場合的力矩管設計.

4)由于力矩管在使用過程中,同時受到彎矩、轉(zhuǎn)矩、冷收縮產(chǎn)生的軸向拉力、高溫超導磁體重力及溫度載荷,即力矩管的結構設計涉及到多物理場的耦合問題.故要更準確地進行力矩管結構設計及分析,就必須要對力矩管進行熱-結構耦合分析.

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[5]楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].3版,北京：高等教育出版社,2001.