何 磊，杜承東

（海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129）

關(guān)于艦用電機(jī)空冷器的優(yōu)化研究

何 磊，杜承東

（海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129）

介紹了一種新型電機(jī)空冷器，通過對傳統(tǒng)的艦用電機(jī)空冷器進(jìn)行對比，得出新型電機(jī)空冷器無論在傳熱特性還是阻力特性、可靠性等等方面性能均優(yōu)于其他型式，值得在艦艇上大力推廣。

電機(jī)空冷器；針翅管；強(qiáng)化傳熱；艦用

0 引言

隨著艦船推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)革新，大量的新型艦船開始采用電推技術(shù)，這要求電機(jī)大型化、電機(jī)內(nèi)部的空氣冷卻成為一個(gè)新的課題[1]，特別是潛艇電機(jī)，其空間小，散熱不暢，故要求空冷器具有體積小、冷卻效率高。

1 目前的狀態(tài)

船用電機(jī)空冷器技術(shù)應(yīng)用較快，在JB2728-80《電機(jī)用空氣冷卻器》規(guī)定了電機(jī)的空氣冷卻器只有繞簧管一種型式，后來隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步和新技術(shù)的應(yīng)用，在后來新標(biāo)準(zhǔn)JB/T2728-92和JB/T2728-2008《電機(jī)用氣體冷卻器》中，列出了4種型式——繞簧式、擠片式、繞片式和穿片式。目前艦上僅使用兩種型式，分別為繞簧式和穿片式，如圖1、2所示。

圖1 繞簧管

圖 2 穿片管傳熱翅片

1.1 繞簧式空冷器

繞簧式空冷器的外形結(jié)構(gòu)如圖 3所示。采用繞簧管作為冷卻元件，繞簧管是采用將紫銅線繞成繞組通過加熱固定在基管上。艇空冷器使用的繞簧在基管外圈燙錫后，以細(xì)銅線在外圈上繞制出傳熱翅，然后再酸洗、堿洗、清洗，然后加熱錫焊。

圖3 繞簧管外形結(jié)構(gòu)示意圖

繞簧式空冷器是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的空冷器，目前在電廠和部分軍艦上仍有仍用，但是因?yàn)槠鋫鳠嵝实?、制作成本高，隨著新技術(shù)的應(yīng)用，目前繞簧管很少在新電機(jī)中出現(xiàn)。

1.2 穿片式空冷器

穿片式空冷器(結(jié)果如圖 4所示)是將銅翅片按設(shè)計(jì)孔距整體沖孔，基管通過專用設(shè)備進(jìn)行穿片。等整體安裝完成后，通過內(nèi)脹使基管膨脹與翅片貼合(如圖5所示)，為了強(qiáng)化傳熱，有時(shí)在翅片表面開窗或制作波紋狀，目前國產(chǎn)艇采用的是橋形窗口以引導(dǎo)空氣。

圖4 穿片管示意圖

圖5 穿片管翅片圖(含橋形窗口)

2 新型空冷器

2.1 針翅管式空冷器

針翅管式空冷器(結(jié)果如圖 6所示)采用新一代的換熱元件—針翅管，針翅管是在基管表面通過特殊的刀具進(jìn)行無切屑的冷加工，使得在基管表面形成三維的螺旋針翅，其優(yōu)點(diǎn)是針翅與管子之間是一個(gè)整體，不存在接觸熱阻。每根針翅的形狀為三角錐形并且在空間方向形成一定的螺旋角度，對流動(dòng)邊界層發(fā)展的破壞，使流動(dòng)提前進(jìn)入紊流區(qū)，及流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生二次流動(dòng)，增強(qiáng)了邊界層流體與主流的混合。

圖6 針翅管示意圖

2.1.1 針翅管強(qiáng)化傳熱原理

空冷器中空氣和冷卻水的熱交換均無相變，而無相變換熱器的傳熱為對流傳熱，流體流經(jīng)管體壁面時(shí)，近壁處總有一層滯流層存在，其流速很低，在沿壁法線上幾乎沒有對流傳熱，用熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行，其導(dǎo)熱熱阻很大，流層中溫度梯度也較大。強(qiáng)化對流傳熱的機(jī)理主要是利用流體的分離、二次流及邊界層周期性的起始所造成的擾動(dòng)，使邊界層不斷受到破壞，從而提高傳熱系數(shù)。

針翅管換熱器強(qiáng)化傳熱的機(jī)理就是在擴(kuò)大二次熱面的同時(shí)，利用流體的擾動(dòng)，使流體的邊界層不斷地受到破壞，從而有效地提高傳熱系數(shù)。并且由于針翅管采用連續(xù)性擴(kuò)展表面，針翅與基管為同一材料，消除了接觸熱阻，從而提高了傳熱系數(shù)。

在針翅管換熱器中，所有針翅都受到流體的橫向繞流，提高了流體的湍流度，消除了流體流動(dòng)時(shí)的旋渦死滯區(qū)，增加了流體的擾動(dòng)和混合。當(dāng)流體流入針翅管換熱器管束時(shí)，在前置針翅上開始形成邊界層，但邊界層隨后即在后置針翅上遭到破壞，如此反復(fù)不斷，保持整個(gè)換熱面都充分利用了邊界層起始段較薄、熱阻較小的有利條件，提高了傳熱系數(shù)，降低了污垢生成的機(jī)率。

2.1.2 針翅管對流放熱機(jī)理

空冷器冷卻管向管內(nèi)外流體傳熱，散熱正比于放熱面積和溫差，其解析式為：

式中：下標(biāo)“0”表示光管，α0為放熱系數(shù)。當(dāng)流體為氣相介質(zhì)時(shí)，放熱系數(shù)較低，約為 50 W/(m2·℃)～200W/(m2·℃)，比液相(2000 W/(m2·℃)～5000W/(m2·℃))低兩個(gè)數(shù)量級。在同樣的溫差條件下，為實(shí)現(xiàn)等量的熱量遷移，氣相中的散熱面積需高于數(shù)百倍的液相之中的散熱面積。然而在實(shí)際中，常將氣相中的金屬管外壁翅化，放熱面積擴(kuò)大數(shù)倍至數(shù)十倍(其值為肋化比)，用以補(bǔ)償放熱系數(shù)的不均衡。

氣相中的翅片溫度沿翅根(基管壁)向翅頂接高度值的反比函數(shù)與雙曲正切函數(shù)的乘積值遞減，翅片與氣體溫差到外不等，熱量遷移量并不隨翅化形成的面積擴(kuò)展倍率作線性增益，翅化比只反映幾何性質(zhì)方面的問題，翅化造成溫差方面的修正由翅化效率η作出。毫無疑問，溫度差仍以流體跟隨基管壁的溫差為準(zhǔn)的話，翅化效率η只能是小于1的數(shù)。公式(1)被改寫為：

式中，η為翅化效率，β為翅化比。

從針翅管的對流放熱機(jī)理來看，翅化效率和翅化比是一對矛盾，一般情況下，翅化比越高，效率就越低。所以在空冷器的設(shè)計(jì)中，僅增加換熱面積并不一定能有明顯的效果，關(guān)鍵在于減小接觸熱阻，并改進(jìn)翅片形狀，加強(qiáng)擾動(dòng)以削弱邊界層，從而提高了翅片效率。

2.2 板翅式電機(jī)空冷器

板翅式空冷器的基本結(jié)構(gòu)是由翅片、隔板和封條三種元件組成的單元體疊積結(jié)構(gòu)，見圖7。波形翅片置于兩塊平隔板之間，并由側(cè)封條封固，許多單元體進(jìn)行不同組疊并用釬焊焊牢后就形成了板翅式空冷器。

圖7 板翅式空冷器示意圖

板翅式空冷器傳熱效率高，由于翅片的特殊結(jié)構(gòu)，使流體在通道中形成強(qiáng)烈的湍流，使傳熱邊界層不斷被破壞，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率?？諝庠趶?qiáng)制對流下的傳熱系數(shù)是 34.8W/m2℃～348W/m2℃；結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，一般板翅式換熱器能達(dá)到1500m2/m3。

板翅式電機(jī)空冷器目前的主材是鋁合金和不銹鋼材料，其不能適用于海水和鹽霧環(huán)境。目前國外有采用鈦合金材料制作，銀基纖料進(jìn)行真空纖焊。這樣使板翅式換熱器適用于海水和鹽霧環(huán)境。

3 對比分析

3.1 熱工性能

為了考核空冷器的傳熱效率，在 Z12V190B型機(jī)上采用一種是穿片式空冷器和針翅管空冷器配機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。檢測結(jié)果表明，在同等條件下，針翅管空冷器傳熱效率較穿片式高出5.7%～7.8%。

圖8 空冷器傳熱效率與流量關(guān)系

馮踏青[2]對比了幾種不同型式的空冷器熱工性能，在相同外形尺寸條件下，得出流速與傳熱系數(shù)的曲線，如圖9所示?？煽闯?，在進(jìn)風(fēng)速度3m/s～5m/s時(shí)，針翅管冷卻元件的傳熱性能遠(yuǎn)大于其余型式的冷卻器。據(jù)文獻(xiàn)[7]介紹，板翅式結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)比穿片式高出50%～300%。

圖9 不同型式空冷器風(fēng)速與傳熱系數(shù)關(guān)系

3.2 流動(dòng)阻力

馮踏青[2]還比較了幾種不同型式的空冷器氣體流動(dòng)阻力的性能，在相同外形尺寸條件下，得出流速與氣體阻力的曲線，如圖10所示?？煽闯?，當(dāng)氣體流速在3m/s～4m/s時(shí)，針翅管冷卻元件的氣體流動(dòng)阻力比其余幾種型式??；在氣體流流速達(dá)到4m/s～5m/s時(shí)，針翅管冷卻器的氣體流阻基本與基余幾種型式相當(dāng)。據(jù)文獻(xiàn)[7]介紹，板翅式結(jié)構(gòu)的氣側(cè)壓力損失最小。

圖10 不同型式空冷器風(fēng)速與壓差關(guān)系

3.3 可靠性比較

艦用產(chǎn)品的可靠性要求比較高，特別是潛艇，對可靠性的要求更高。

1）脹管的可靠性

空冷器失效最為常見表現(xiàn)是滲漏。一旦出現(xiàn)滲漏，還可能會(huì)使海水進(jìn)入電機(jī)或其他系統(tǒng)，引起大面積的故障。而最易發(fā)生滲漏的就是管板與冷卻管脹接處。針翅管的翅是采用厚壁管整體加工而成，在兩端與管板不加工針翅，故兩端脹接處均為厚壁管，厚壁管脹接時(shí)更可靠。繞簧式和穿片式均無厚壁管，故其脹接的可靠性不及針翅管。

圖11 針翅管兩端壁厚有針翅處厚

2）性能

針翅管針翅與基管是一個(gè)整體，不易脫落更不會(huì)松動(dòng)，所以長時(shí)間使用后對熱工性能基本無影響。而繞簧管繞簧與基管是采用錫焊連接，長時(shí)間使用后，錫焊處會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)或脫落引起空冷器熱工性能失效。穿片管翅片和基管通過應(yīng)力貼合，長時(shí)間在冷熱交變的影響下，翅片和基管會(huì)松動(dòng)，而引起空冷器熱工性能失效。

板翅式空冷器是采用整體纖焊而成，一旦纖焊失效，將無法實(shí)現(xiàn)艇員級維修，而且目前板翅式空冷器尚無艦艇上使用的先例，所以其可靠性較其余幾種型式差。

3.4 耐腐蝕性能

艦船電機(jī)空冷器因海水腐蝕引起的滲漏也常有發(fā)生。一般銅合金材料的海水腐蝕主要為沖刷腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

三維螺旋針翅采用先進(jìn)的無切屑加工成形，在加工過程中，三維螺旋針翅是通過刀具的切屑成形，不會(huì)在冷卻管內(nèi)形成應(yīng)力，從而提高了耐海水腐蝕性能。穿片管內(nèi)脹時(shí)是通過應(yīng)力得其與翅片貼片，內(nèi)脹的應(yīng)力會(huì)引起應(yīng)力腐蝕。

板翅式空冷器采用鈦合金整體制作而且纖焊時(shí)采用銀基纖料，所以其耐腐蝕性能最強(qiáng)。

3.5 適應(yīng)性比較

一般傳熱元件可調(diào)的參數(shù)為翅高、翅距和翅厚等參數(shù)，對于不同工況的空冷器，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，僅能調(diào)節(jié)這三、四個(gè)參數(shù)。三維螺旋針翅可調(diào)參數(shù)較多。如翅高、翅型(三維形狀)、翅距、翅橫傾角、翅縱傾角和翅數(shù)等等。設(shè)計(jì)時(shí)可充分調(diào)節(jié)這些參數(shù)，使之適用不同場合的需要。

3.6 自潔功能

三維螺旋針翅管管外采用我廠專利技術(shù)的針翅，當(dāng)該針翅表面結(jié)垢達(dá)到影響傳熱的厚度后，該針翅會(huì)通過自身的熱脹冷縮交變影響后使污垢脫落，從而達(dá)到清潔的目的，使污垢對傳熱不會(huì)造成影響。其余型式的冷卻器當(dāng)翅片側(cè)形成污垢并影響到傳熱時(shí)，需整臺從電機(jī)上拆下進(jìn)行化學(xué)或物理方法進(jìn)行清洗。

4 裝機(jī)試驗(yàn)分析

現(xiàn)以HFJ508-84K電機(jī)為例，對比繞簧管、穿片管和針翅管和板翅式四種形式的空冷器。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）繞簧管式空冷器

傳熱元件圖針翅外徑 φ1 4 4 m m基管外徑 φ2 1 9 m m翅片節(jié)距 p 5 m m每米長管外面積 S1 0.6 1 6 m 2/m

2）穿片式空冷器

傳熱元件圖翅片管間距 φ1 3 8 m m基管外徑 φ2 1 6 m m翅片節(jié)距 p 3.5 m m每米長管外面積 S1 0.7 8 3 m 2/m

3）板翅式空冷器

傳熱元件圖針翅外徑/ m m φ1 4 4基管外徑/ m m φ2 1 9翅片節(jié)距/ m m p 3.2每米長管外面積/ m m S1 0.4 6 6

4）針翅管式空冷器

傳熱元件圖符號 數(shù)值 符號 數(shù)值翅片高度/ m L h×1 03 3 L c×1 03 9.5翅片間距/ 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翅片內(nèi)距/ m x h×1 03 2.3 x c×1 03 2.3翅片內(nèi)高/ m y h×1 03 2.8 y c×1 03 9.3

4.2 試驗(yàn)結(jié)果對比

4種型式的空冷器在裝機(jī)試驗(yàn)后，相關(guān)數(shù)據(jù)對比（表1），可看出，板翅式和針翅管式空冷器傳熱的性能最強(qiáng)。

表1 熱工性能的對比

表 2為空氣壓力損失的對比。可看出，在相同工況條件下，板翅式空冷器空氣側(cè)阻力最小，其次為針翅管式空冷器。

表2 空氣壓力損失的對比

質(zhì)量和體積的對比結(jié)果，如表3所示。

表3 質(zhì)量和體積的對比

5 應(yīng)用情況

針翅式空氣冷卻器已先后在廣西浪水電站、西昌牛角灣電站、云南魚洞電站、湖北黃龍灘電站和貴州烏江電站等數(shù)十個(gè)大中型電站得到運(yùn)用。其中湖北黃龍灘電站為2×75MW機(jī)組，1975年投產(chǎn)，空氣冷卻器為傳統(tǒng)繞簧式，1995年12月將空氣冷卻器更換為針翅式后，在相同工況下運(yùn)行，溫升明顯下降[4]。針翅管空冷器還在哈爾濱電機(jī)集團(tuán)、中海油運(yùn)、中海集運(yùn)、天津遠(yuǎn)洋、南京汽輪機(jī)廠、勝利石油管理局、東營石油機(jī)械廠和青島四方機(jī)車車輛廠等進(jìn)行配套使用，從使用效果看，其性能和可靠性均得到了驗(yàn)證。

6 結(jié)論

針翅管和板翅式空冷器在傳熱性能、阻力性能和可靠性等等方面均高于其余結(jié)構(gòu)的空冷器，但是板翅式空冷器在可靠性方面還需進(jìn)一步研究。所以在艦艇的改造過程中，特別是對于空間有限制的情況下，要求提高傳熱能力，針翅管是一個(gè)比較優(yōu)化的方案。

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[8] 丁銘. 板翅式換熱器應(yīng)用于火電機(jī)組的性能研究[D]. 浙江：浙江大學(xué)碩士論文, 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。從事輪機(jī)工程專業(yè)研究工作。