汽轮发电机集电环笛形通风结构优化设计

汽轮发电机集电环运行过程中，滑环与碳刷之间的摩擦及电流通过等因素造成滑环表面温度升高，由轴端引风机进行抽风冷却。通过分析滑环外侧气流分布与滑环表面对流换热能力的关系，提出在无碳刷区域滑环上方加设多排孔笛形管结构，形成笛形管通风的强化冷却通道｡理论分析与数值计算结果表明：笛形通道对风机流量重新进行分配，冷却空气从孔口内直接冲击到滑环表面发挥了强化换热作用。根据管网模型通过优化设计后得到的最佳笛形管结构，无刷区域滑环表面平均Nu提升了26%，而且同时提高表面换热均匀性。

汽轮发电机集电环通风冷却系统有两个主要部件组成：碳刷和旋转轴组成的滑环与轴端引风机。运行过程中，滑环旋转，碳刷静止，两者之间的摩擦会造成滑环表面温度升高，由轴端引风机对刷面进行抽风冷却。现场检测发现，由于在无碳刷区敞口结构，流量主要集中在引风机入口附近，在滑环近端侧空气流速很高，而在远端侧，沿滑环轴向气流流速快速下降。空气流速分布不均匀导致空气与滑环表面的换热能力不均匀，进而导致滑环表面温度不均匀，甚至出现局部热点温度超过设计值20 至40 度的现象，造成碳刷打火等安全隐患。

文献[1]应用红外图像测量滑环碳刷的温度，解决了滑环运行状态监测和故障诊断，但不能反映超温故障的原因，也不能为通风设计提供理论支持。采用流动与传热的半耦合计算方法，能全面精确地计算出结构温度分布，文献[2] [3] [4]分别对大型发电机的定子、转子以及全域温度计算，为汽轮发电机的冷却设计提供了有力指导。

沿集电环轴向的气流流动可视为多分支管的汇集流动，受流动沿程阻力的影响，沿轴向靠近引风机入口侧的滑环表面冷却速度低，冷却效果差，表面温度高。调节沿轴向外掠滑环表面的气流速度，控制滑环沿轴的换热系数分布，才可能达到降低远端温度和缩小温差的目标。Wen [5]等通过PIV 流动测量， 发现在传统换热器集箱存在严重的流动不均匀，在集箱中增加带孔挡板可以有效减少湍流耗散，改善流动均匀性。高志成[6]、袁培等[7]通过在换热器通道内增设不同孔径分流板改善流量分配的均匀性，发现增加分流板后不均匀度大幅度降低。

孔板射流可以显著提高表面换热系数。San 等[8]对圆形射流孔喷射到冷却板上的换热情况进行实验研究，发现努塞尔数Nu 随射流间距与射流直径的比值线性增长。岳小棚[9]在高热流密度条件下，通过将斜肋与射流两种强化换热方式进行综合，不仅大幅降低通道壁面温度，而且大幅提高壁面温度分布的均匀性。

马朝等[10]通过在试件和喷嘴阵列之间的气流出口处增加挡板， 改变气体的流动方向， 使试件表面传热均匀性得到大幅度提高。

本文从滑环无刷区域对流换热分布不均匀这一实际问题出发，借鉴多管汇集流和孔板射流换热的理论，提出一种滑环冷却的改进方法：在无刷的滑环上方加设多排孔盖板，形成类似笛形管[11] [12] [13]