关于舰用电机空冷器的优化研究

何 磊，杜承东

（海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129）

关于舰用电机空冷器的优化研究

何 磊，杜承东

（海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129）

介绍了一种新型电机空冷器，通过对传统的舰用电机空冷器进行对比，得出新型电机空冷器无论在传热特性还是阻力特性、可靠性等等方面性能均优于其他型式，值得在舰艇上大力推广。

电机空冷器；针翅管；强化传热；舰用

0 引言

随着舰船推进系统的技术革新，大量的新型舰船开始采用电推技术，这要求电机大型化、电机内部的空气冷却成为一个新的课题[1]，特别是潜艇电机，其空间小，散热不畅，故要求空冷器具有体积小、冷却效率高。

1 目前的状态

船用电机空冷器技术应用较快，在JB2728-80《电机用空气冷却器》规定了电机的空气冷却器只有绕簧管一种型式，后来随着生产工艺的进步和新技术的应用，在后来新标准JB/T2728-92和JB/T2728-2008《电机用气体冷却器》中，列出了4种型式——绕簧式、挤片式、绕片式和穿片式。目前舰上仅使用两种型式，分别为绕簧式和穿片式，如图1、2所示。

图1 绕簧管

图 2 穿片管传热翅片

1.1 绕簧式空冷器

绕簧式空冷器的外形结构如图 3所示。采用绕簧管作为冷却元件，绕簧管是采用将紫铜线绕成绕组通过加热固定在基管上。艇空冷器使用的绕簧在基管外圈烫锡后，以细铜线在外圈上绕制出传热翅，然后再酸洗、碱洗、清洗，然后加热锡焊。

图3 绕簧管外形结构示意图

绕簧式空冷器是传统结构的空冷器，目前在电厂和部分军舰上仍有仍用，但是因为其传热效率低、制作成本高，随着新技术的应用，目前绕簧管很少在新电机中出现。

1.2 穿片式空冷器

穿片式空冷器(结果如图 4所示)是将铜翅片按设计孔距整体冲孔，基管通过专用设备进行穿片。等整体安装完成后，通过内胀使基管膨胀与翅片贴合(如图5所示)，为了强化传热，有时在翅片表面开窗或制作波纹状，目前国产艇采用的是桥形窗口以引导空气。

图4 穿片管示意图

图5 穿片管翅片图(含桥形窗口)

2 新型空冷器

2.1 针翅管式空冷器

针翅管式空冷器(结果如图 6所示)采用新一代的换热元件—针翅管，针翅管是在基管表面通过特殊的刀具进行无切屑的冷加工，使得在基管表面形成三维的螺旋针翅，其优点是针翅与管子之间是一个整体，不存在接触热阻。每根针翅的形状为三角锥形并且在空间方向形成一定的螺旋角度，对流动边界层发展的破坏，使流动提前进入紊流区，及流体旋转产生二次流动，增强了边界层流体与主流的混合。

图6 针翅管示意图

2.1.1 针翅管强化传热原理

空冷器中空气和冷却水的热交换均无相变，而无相变换热器的传热为对流传热，流体流经管体壁面时，近壁处总有一层滞流层存在，其流速很低，在沿壁法线上几乎没有对流传热，用热传导的方式进行，其导热热阻很大，流层中温度梯度也较大。强化对流传热的机理主要是利用流体的分离、二次流及边界层周期性的起始所造成的扰动，使边界层不断受到破坏，从而提高传热系数。

针翅管换热器强化传热的机理就是在扩大二次热面的同时，利用流体的扰动，使流体的边界层不断地受到破坏，从而有效地提高传热系数。并且由于针翅管采用连续性扩展表面，针翅与基管为同一材料，消除了接触热阻，从而提高了传热系数。

在针翅管换热器中，所有针翅都受到流体的横向绕流，提高了流体的湍流度，消除了流体流动时的旋涡死滞区，增加了流体的扰动和混合。当流体流入针翅管换热器管束时，在前置针翅上开始形成边界层，但边界层随后即在后置针翅上遭到破坏，如此反复不断，保持整个换热面都充分利用了边界层起始段较薄、热阻较小的有利条件，提高了传热系数，降低了污垢生成的机率。

2.1.2 针翅管对流放热机理

空冷器冷却管向管内外流体传热，散热正比于放热面积和温差，其解析式为：

式中：下标“0”表示光管，α0为放热系数。当流体为气相介质时，放热系数较低，约为 50 W/(m2·℃)～200W/(m2·℃)，比液相(2000 W/(m2·℃)～5000W/(m2·℃))低两个数量级。在同样的温差条件下，为实现等量的热量迁移，气相中的散热面积需高于数百倍的液相之中的散热面积。然而在实际中，常将气相中的金属管外壁翅化，放热面积扩大数倍至数十倍(其值为肋化比)，用以补偿放热系数的不均衡。

气相中的翅片温度沿翅根(基管壁)向翅顶接高度值的反比函数与双曲正切函数的乘积值递减，翅片与气体温差到外不等，热量迁移量并不随翅化形成的面积扩展倍率作线性增益，翅化比只反映几何性质方面的问题，翅化造成温差方面的修正由翅化效率η作出。毫无疑问，温度差仍以流体跟随基管壁的温差为准的话，翅化效率η只能是小于1的数。公式(1)被改写为：

式中，η为翅化效率，β为翅化比。

从针翅管的对流放热机理来看，翅化效率和翅化比是一对矛盾，一般情况下，翅化比越高，效率就越低。所以在空冷器的设计中，仅增加换热面积并不一定能有明显的效果，关键在于减小接触热阻，并改进翅片形状，加强扰动以削弱边界层，从而提高了翅片效率。

2.2 板翅式电机空冷器

板翅式空冷器的基本结构是由翅片、隔板和封条三种元件组成的单元体叠积结构，见图7。波形翅片置于两块平隔板之间，并由侧封条封固，许多单元体进行不同组叠并用钎焊焊牢后就形成了板翅式空冷器。

图7 板翅式空冷器示意图

板翅式空冷器传热效率高，由于翅片的特殊结构，使流体在通道中形成强烈的湍流，使传热边界层不断被破坏，从而有效地降低了热阻，提高了传热效率。空气在强制对流下的传热系数是 34.8W/m2℃～348W/m2℃；结构紧凑，占地面积小，一般板翅式换热器能达到1500m2/m3。

板翅式电机空冷器目前的主材是铝合金和不锈钢材料，其不能适用于海水和盐雾环境。目前国外有采用钛合金材料制作，银基纤料进行真空纤焊。这样使板翅式换热器适用于海水和盐雾环境。

3 对比分析

3.1 热工性能

为了考核空冷器的传热效率，在 Z12V190B型机上采用一种是穿片式空冷器和针翅管空冷器配机试验，结果如图8所示。检测结果表明，在同等条件下，针翅管空冷器传热效率较穿片式高出5.7%～7.8%。

图8 空冷器传热效率与流量关系

冯踏青[2]对比了几种不同型式的空冷器热工性能，在相同外形尺寸条件下，得出流速与传热系数的曲线，如图9所示。可看出，在进风速度3m/s～5m/s时，针翅管冷却元件的传热性能远大于其余型式的冷却器。据文献[7]介绍，板翅式结构的传热系数比穿片式高出50%～300%。

图9 不同型式空冷器风速与传热系数关系

3.2 流动阻力

冯踏青[2]还比较了几种不同型式的空冷器气体流动阻力的性能，在相同外形尺寸条件下，得出流速与气体阻力的曲线，如图10所示。可看出，当气体流速在3m/s～4m/s时，针翅管冷却元件的气体流动阻力比其余几种型式小；在气体流流速达到4m/s～5m/s时，针翅管冷却器的气体流阻基本与基余几种型式相当。据文献[7]介绍，板翅式结构的气侧压力损失最小。

图10 不同型式空冷器风速与压差关系

3.3 可靠性比较

舰用产品的可靠性要求比较高，特别是潜艇，对可靠性的要求更高。

1）胀管的可靠性

空冷器失效最为常见表现是渗漏。一旦出现渗漏，还可能会使海水进入电机或其他系统，引起大面积的故障。而最易发生渗漏的就是管板与冷却管胀接处。针翅管的翅是采用厚壁管整体加工而成，在两端与管板不加工针翅，故两端胀接处均为厚壁管，厚壁管胀接时更可靠。绕簧式和穿片式均无厚壁管，故其胀接的可靠性不及针翅管。

图11 针翅管两端壁厚有针翅处厚

2）性能

针翅管针翅与基管是一个整体，不易脱落更不会松动，所以长时间使用后对热工性能基本无影响。而绕簧管绕簧与基管是采用锡焊连接，长时间使用后，锡焊处会出现松动或脱落引起空冷器热工性能失效。穿片管翅片和基管通过应力贴合，长时间在冷热交变的影响下，翅片和基管会松动，而引起空冷器热工性能失效。

板翅式空冷器是采用整体纤焊而成，一旦纤焊失效，将无法实现艇员级维修，而且目前板翅式空冷器尚无舰艇上使用的先例，所以其可靠性较其余几种型式差。

3.4 耐腐蚀性能

舰船电机空冷器因海水腐蚀引起的渗漏也常有发生。一般铜合金材料的海水腐蚀主要为冲刷腐蚀和应力腐蚀。

三维螺旋针翅采用先进的无切屑加工成形，在加工过程中，三维螺旋针翅是通过刀具的切屑成形，不会在冷却管内形成应力，从而提高了耐海水腐蚀性能。穿片管内胀时是通过应力得其与翅片贴片，内胀的应力会引起应力腐蚀。

板翅式空冷器采用钛合金整体制作而且纤焊时采用银基纤料，所以其耐腐蚀性能最强。

3.5 适应性比较

一般传热元件可调的参数为翅高、翅距和翅厚等参数，对于不同工况的空冷器，在优化设计时，仅能调节这三、四个参数。三维螺旋针翅可调参数较多。如翅高、翅型(三维形状)、翅距、翅横倾角、翅纵倾角和翅数等等。设计时可充分调节这些参数，使之适用不同场合的需要。

3.6 自洁功能

三维螺旋针翅管管外采用我厂专利技术的针翅，当该针翅表面结垢达到影响传热的厚度后，该针翅会通过自身的热胀冷缩交变影响后使污垢脱落，从而达到清洁的目的，使污垢对传热不会造成影响。其余型式的冷却器当翅片侧形成污垢并影响到传热时，需整台从电机上拆下进行化学或物理方法进行清洗。

4 装机试验分析

现以HFJ508-84K电机为例，对比绕簧管、穿片管和针翅管和板翅式四种形式的空冷器。

4.1 结构设计

1）绕簧管式空冷器

传热元件图针翅外径 φ1 4 4 m m基管外径 φ2 1 9 m m翅片节距 p 5 m m每米长管外面积 S1 0.6 1 6 m 2/m

2）穿片式空冷器

传热元件图翅片管间距 φ1 3 8 m m基管外径 φ2 1 6 m m翅片节距 p 3.5 m m每米长管外面积 S1 0.7 8 3 m 2/m

3）板翅式空冷器

传热元件图针翅外径/ m m φ1 4 4基管外径/ m m φ2 1 9翅片节距/ m m p 3.2每米长管外面积/ m m S1 0.4 6 6

4）针翅管式空冷器

传热元件图符号 数值 符号 数值翅片高度/ m L h×1 0³ 3 L c×1 0³ 9.5翅片间距/ m m h×1 0³ 2.5 m c×1 0³ 2.5翅片厚度/ m δ h×1 0³ 0.2 δ c×1 0³ 0.2隔板厚度/ m δ g×1 0³ 0.7 6 δ g×1 0³ 0.7 6翅片内距/ m x h×1 0³ 2.3 x c×1 0³ 2.3翅片内高/ m y h×1 0³ 2.8 y c×1 0³ 9.3

4.2 试验结果对比

4种型式的空冷器在装机试验后，相关数据对比（表1），可看出，板翅式和针翅管式空冷器传热的性能最强。

表1 热工性能的对比

表 2为空气压力损失的对比。可看出，在相同工况条件下，板翅式空冷器空气侧阻力最小，其次为针翅管式空冷器。

表2 空气压力损失的对比

质量和体积的对比结果，如表3所示。

表3 质量和体积的对比

5 应用情况

针翅式空气冷却器已先后在广西浪水电站、西昌牛角湾电站、云南鱼洞电站、湖北黄龙滩电站和贵州乌江电站等数十个大中型电站得到运用。其中湖北黄龙滩电站为2×75MW机组，1975年投产，空气冷却器为传统绕簧式，1995年12月将空气冷却器更换为针翅式后，在相同工况下运行，温升明显下降[4]。针翅管空冷器还在哈尔滨电机集团、中海油运、中海集运、天津远洋、南京汽轮机厂、胜利石油管理局、东营石油机械厂和青岛四方机车车辆厂等进行配套使用，从使用效果看，其性能和可靠性均得到了验证。

6 结论

针翅管和板翅式空冷器在传热性能、阻力性能和可靠性等等方面均高于其余结构的空冷器，但是板翅式空冷器在可靠性方面还需进一步研究。所以在舰艇的改造过程中，特别是对于空间有限制的情况下，要求提高传热能力，针翅管是一个比较优化的方案。

[1] 丁舜年. 大型电机的发热与冷却[M]. 北京: 科学出版社, 1992.

[2] 冯踏青. 三维螺旋翅片管用于强化发电机空冷器散热的试验研究[J]. 发电设备 1999(1): 18-21.

[3] 冯踏青. 三维螺旋翅片管换热特性分析及试验研究[J]. 化学工程, 1998(6): 16-19.

[4] 邓永强 KZ型电机用新型针刺式空气冷却器[J].东方电气评论, 1997(4): 46-51.

[5] 钱颂文. 换热器计算手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002.

[6] 林宗虎, 汪军. 强化传热技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.

[7] 王汉松. 板翅式换热器 [M]. 北京: 化学工业出版社, 1984.

[8] 丁铭. 板翅式换热器应用于火电机组的性能研究[D]. 浙江：浙江大学硕士论文, 2008.

Study on Optimization of Naval Motor Air Cooler

HE Lei, DU Cheng-dong
(Navy Representatives Office in Hudong-zhonghua Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

This paper presents a new kind of motor air cooler. After contrasting with traditional naval motor air cooler, the results show that the new motor air cooler is superior to other kind of motor either in heat-transfer characteristic resistance characteristic or reliability, etc and it is valuable to be popularized on naval vessel.

motor air cooler; pin fin tube; enhanced heat transfer; naval

U664.1

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.009

何磊(1982-)，男，本科。从事轮机工程专业研究工作。