基于冷却常数的发电机冷却系统散热能力验证方法

张天明

摘要

本论文针对车载发电机组及独立发电机组的发电机冷却系统散热能力进行了试验与分析。试验采用强制循环液冷式发电机，通过测量冷却液出口温度、冷却液进口温度、机油温度等数据，并计算液气温差和油气温差等指标，分析发电机在许用环境温度条件下的冷却性能和热平衡状态。本文进行两次发电机的冷却系统测试试验，试验结果表明通过冷却常数的分析判断，可以分析出发电机组是否满足高温许用温度的设计要求。为企业设计发电机散热系统提供判定方法和建议。同时，在发电机设计和优化过程中，结合试验结果进行冷却系统的改进和性能优化，以满足不同工况下的冷却需求。

关键词：发电机，冷却系统，散热能力，冷却常数

目录

基于冷却常数的发电机冷却系统散热能力验证方法

1引言

1.1研究背景

1.2研究目的

1.3发电机组的重要性及其运行温度的重要性

2综述

2.1发电机冷却系统概述

2.1.1冷却系统的基本功能和作用

2.1.2不同冷却方法的概述

2.1.3散热能力作为冷却系统关键参数的介绍

2.1.4散热能力影响因素分析

2.1.5发电机负载变化对散热的影响

2.1.6外部环境条件对散热的影响

2.1.7冷却系统设计参数对散热性能的影响

3试验及实验数据分析

3.1试验

3.1.1试验目的

3.1.2试验对象及仪器设备

3.1.3试验条件

3.1.4试验环境条件

3.1.5试验前准备

3.1.6试验方法

3.2两台发电机组试验结果

X1型号发电机组实验结果及分析：

X2型号发电机组实验结果及分析：

4结论

5未来发展和展望

5.1存在问题

5.2未来发展方向

5.2.1新型散热材料的应用

5.2.2新型冷却系统设计

5.2.3智能化冷却系统

5.3展望

参考文献

1引言

随着现代电机制造工业的发展,对电机温度场计算准确性的要求越来越高，本文旨在探讨发电机组的许用温度判定方法，深入了解发电机组的热特性，并提供有效的温度管理和优化策略[1]。发电机组作为电力工业的核心组件之一，在电能转换和供应过程中扮演着至关重要的角色。其稳定运行与寿命延长直接关系到电网的稳定性和电能供应的可靠性。

1.1研究背景

随着一些地区风电供应比例的急剧增加，独立发电机组作为一种可靠的电力供应方式，被广泛应用于各种应急和备用电力场景，如工业生产、商业建筑、医疗设施等。然而，发电机组在运行过程中产生的热量需要有效地散发，以确保发电机组的正常工作和延长其使用寿命[2]。因此，独立发电机组的冷却散热系统的性能评估和优化变得至关重要。

冷却散热系统作为独立发电机组的重要组成部分，直接影响着其稳定性、效率和可靠性[3]。在实际应用中，发电机组可能面临不同的环境温度和负荷变化，因此，对冷却系统的适应能力和散热效率进行科学评估和验证，对于确保发电机组在各种工作条件下均能可靠运行具有重要意义。

1.2 研究目的

1. 分析不同类型发电机组的热特性，深入了解发电机组内部温度分布和热损耗情况；

2. 研究国际标准与规范，了解不同国家和地区对发电机组许用温度的要求；

3. 探讨发电机组温度监测与测量方法，包括温度传感器的选择和温度监测系统的设计；

4. 分析影响发电机组温度的因素，如外部环境、负载变化和冷却系统效率；

5. 提供有效的发电机组温度管理和优化策略，以延长其寿命并提高运行效率。

1.3发电机组的重要性及其运行温度的重要性

发电机组是将机械能转换为电能的关键设备，广泛应用于电力发电、工业生产、交通运输等领域。在电力系统中，发电机组不仅为电网供应电能，还起着调节电压、稳定频率和保障电能质量的作用[4]。因此，发电机组的可靠性和稳定性对整个电网的运行至关重要。

发电机组的运行温度是影响其性能和寿命的关键因素。高温运行会导致绝缘材料老化，增加绝缘击穿的风险，进而引发严重的电气故障[5]。此外，高温还可能导致轴承损坏、磁通密度降低，降低发电效率。因此，确保发电机组在安全和有效的温度范围内运行，对于保障电力系统的稳定运行和延长发电机组的寿命具有重要意义[6]。

随着电力需求的不断增长和电力工业的发展，对发电机组的性能和可靠性要求也越来越高。因此，深入研究发电机组的许用温度判定方法，提供科学合理的温度管理策略，对于优化发电机组的设计、运行和维护具有重要意义。

2综述

2.1 发电机冷却系统概述

发电机作为电力系统中的核心组成部分，扮演着将机械能转化为电能的关键角色[7]。在其运行过程中，由于电阻、磁滞等因素，会产生大量热量，因此需要冷却系统来有效地将这部分热量散发，以维持发电机的正常工作温度范围。本章将对发电机冷却系统的概述进行详细阐述。

2.1.1冷却系统的基本功能和作用

发电机冷却系统的主要功能在于控制发电机的工作温度，保证其在安全、高效、稳定的状态下运行。其作用可以总结如下：

1. 温度控制： 通过冷却系统，可以有效地控制发电机的温度，防止其过热造成机械零部件的热损伤和变形。

2. 性能维护： 适当的冷却可以维护发电机的性能，确保其输出功率和效率不受温度波动影响。

3. 寿命延长： 冷却系统有助于延长发电机的使用寿命，减少热引起的损耗，提高设备的可靠性。

4. 应对负载变化： 冷却系统可以帮助发电机应对负载变化时产生的热量波动，保持稳定的工作状态。

2.1.2不同冷却方法的概述

根据冷却介质和工作原理的不同，发电机冷却系统可以采用多种方法，主要包括以下几种：

1. 自然冷却： 通过自然对流、辐射等方式将热量传递到周围环境，是一种简单而常见的冷却方法。

2. 强制冷却： 使用风扇、水泵等设备来强制进行冷却介质的循环，提高散热效率。

3. 液冷却： 使用液体冷却介质，如水或冷却油，通过流动来带走热量，具有较高的热传导效率。

4. 气体冷却： 利用气体介质进行冷却，例如氢气冷却在某些高功率发电机中应用广泛。

2.1.3散热能力作为冷却系统关键参数的介绍

散热能力是衡量发电机冷却系统性能的重要指标之一，它表示系统在单位时间内能够从发电机中移除的热量[8]。散热能力的大小直接影响着发电机的温度分布和稳定运行。

1. 散热能力的影响因素： 散热能力受到发电机负载、环境温度、冷却介质流速等多种因素的影响。

2. 散热能力的测量和评估： 通常通过温升测量或数值模拟的方法来评估发电机冷却系统的散热能力。

2.1.4散热能力影响因素分析

散热能力是发电机冷却系统性能的核心指标之一，它直接关系到发电机的温度控制和稳定运行。本章将深入分析影响发电机冷却系统散热能力的关键因素，包括发电机负载、外部环境条件以及冷却系统设计参数。

2.1.5发电机负载变化对散热的影响

发电机负载的变化会导致不同程度的热量产生，从而影响冷却系统的散热需求。以下是负载变化对散热能力的影响：

1. 负载升高时： 高负载情况下，发电机内部产生的热量增加，冷却系统需要更强的散热能力来保持温度稳定[9]。

2. 负载降低时： 低负载状态下，热量产生较少，但仍需要足够的散热能力来避免过热。

2.1.6外部环境条件对散热的影响

外部环境条件，尤其是温度和湿度，对发电机冷却系统的散热性能有重要影响：

1. 高温环境： 在高温环境中，周围空气的温度较高，冷却系统需要更大的散热能力以避免过热。

2. 湿度变化： 湿度的增加可能导致冷却效率下降，因为湿空气可能会影响散热片或散热表面的热传导[10]。

2.1.7冷却系统设计参数对散热性能的影响

冷却系统的设计参数对散热能力有重要影响，这包括冷却介质流速、散热片设计和冷却系统结构：

1. 流速的影响： 较高的冷却介质流速可以增加热量的传递速度，提高散热效率[11]。

2. 散热片设计： 散热片的设计参数，如形状、材料和表面积，直接影响散热能力。

3. 冷却系统结构： 冷却系统的布局和结构也会影响热量的传递和分布，从而影响散热性能[12]。

3试验及实验数据分析

3.1试验

3.1.1试验目的

验证独立发电机组的冷却散热能力参数，包括环境适应能力、中冷系统效率和冷却常数。

3.1.2试验对象及仪器设备

两台试验发电机信息如下表所示：

表3.1 发电机组信息记录表

机组型号	X1/ X2
发动机型号	联合动力YC6K12系列
功率	320kw
发动机排量（L）	12
许用冷却液温度（℃）	98
中冷器结构形式	空-空中冷
散热器型号	主水箱3-4排管
散热器芯子尺寸（高×宽×厚）	水箱1076-1000-100mm
风扇形式	风扇固定（第2轴输出）
风扇尺寸（mm）	1000（护风圈结构）

表3.2试验仪器及设备

测试仪器	型号	仪器编号	检定单位
负载装置控制台	AC400-1375KVA	——	——
数据采集系统-横河	GM10	S5W114242	航空工业计量所304所
温度传感器	k型φ1×10m	热A01-A10	航空工业计量所304所

3.1.3试验条件

（1）发动机冷却液最高允许温度：98℃。

（2）试验工况：发电机组转速1500 rpm，负荷100%，风速0 (m/s)。

（3）在10m×5m×8m的试验室内，使用热风排散热器，设有发动机排气孔和新风送风口，以及承载25吨的电动移动平板车。

3.1.4试验环境条件

在企业发电机组试验台，试验室长10m、宽5m、高8m。具备散热器热风排能力（风量挤压式）出口宽2.5m、高3m。发动机排气孔直径600mm两个，位置地面高5-6m处。新风送风口直径800mm三个，位置地面高5-6m处。试验间设地面电动移动平板车宽2.5m、长6m，承载能力25吨。发电机组在试验间安装位置如图3.1所示。

试验室设负载装置及控制台型号AC400-1375KVA河北凯翔电气科技股份有限公司。

图3.1  发电机组在试验间安装位置

试验测量温度点：环境温度（考虑测量温度均匀性设上、下主风口），发动机进、出水温度，中冷器进、出口温度，机油温度，辅助测量点（水箱几何面上、下）。

 

a(风扇上部)b(风扇下部)

图3.2环境温度测量点

 

a中冷器进气口b

中冷器出气口

图3.4中冷器温度测量

图3.5机油温度测量 （油标尺口）        发动机出水温度测量

图3.6散热器前端 测量散热温升情况

3.1.5试验前准备

1. 试验前确认发电机组输出功率特性、燃料经济性符合技术文件条件。
2. 按照说明书检查发动机冷却液和润滑机油。
3. 节温器用强制顶开的方法使之固定在全开位置或拆除节温器方法模拟节温器全开，并检查器的压力盖是否工作正常。
4. 检查筛选k型热电偶温度传感器的测量温度一致性，参与测量温度传感器在常温条件下，温差控制在0.2℃范围内。
5. 环境温度采集点（适应3种试验环境）

1）车载发电机组的随车设计专用新风口，温度传感器不受阳光辐射和其他热源的影响。

2）自然条件环境温度传感器位置发动机轴线上方，不受阳光热辐射、发动机排气热辐射、发电机排风热辐射的影响。

3）环境仓内循环空气温度传感器不受阳光辐射、发动机排气热辐射、发电机排风热辐射的影响。

3.1.6试验方法

当所测各点的温度基本稳定后，以2min的时间间隔测量各点的温度，并计算出发动机冷却液出口温度与环境温度的差值(简称液气温差)。当测得的至少连续十个点的液气温差及油气温差的变化在 1℃以内，且无继续升高的趋势时，即认为在此工况达到发动机热平衡。以热平衡状态下的液气温差、油气温差及环境温度的均值作为该工况的试验结果。

在此试验期间如出现发动机“开锅”现象（大于企业发动机许用温度值或出现发动机水温报警）则应立即停止试验。

发电机组冷却能力计算：

1）冷却常数计算公式：

                                  （3-1）

许用环境温度 = 98 - T冷却常数 （3-2）

企业推荐发动机许用温度98℃。

2）中冷器散热效率计算公式

中冷器冷却效率：发动机处于热平衡状态时，中冷器进出口温度差值与中冷器进口温度和环境温度差值之比。

（3-3）

3.2两台发电机组试验结果

通过传感器测量环境温度、发动机进、出水温度，中冷器进、出口温度，机油温度，水箱几何面上、下的辅助测量点。

图3.7温度测量结果

3.2.1X1型号发电机组实验结果及分析：

（1）X1发电机组冷却试验热平衡时间14.5min见表3.3。

表3.3

工况	环境温度平均值/	发动机出水评价温度/	中冷器进口平均温度/	中冷器出口平均温度/	发动机机油平均温度/
1500rpm	34.3	85.5	199.4	61.4	100.6

（2）试验结果计算见表3.4。

表3.4

工况	发动机许用温度（）	冷却常数（k）	机油冷却常数（k）	中冷器散热效率（%）	许用环境温度（）	设计许用环境温度（）
1500rpm	98	51.1	66.3	83.5	46.9	401

（3）试验记录曲线

图3.8试验记录曲线图

（4）试验结果分析

1.该机组在热平衡条件冷却系统能够维持发电机组正常工作，冷却常数51.1℃，依据试验标准公式计算，该型号发电机组适应环境温度为46.9℃，满足设计环境温度40℃±1℃的要求。

2.发电机组中冷散热效率83.5%，该发电机的冷却散热效率大于80%，具有良好的散热能力。

3.2.2X2型号发电机组实验结果及分析：

（1）试验测试数据及计算数据

X2型号机组冷却能力试验结果见表3.5。

表3.5冷却能力试验结果

工况	设计环境许用温度	环境温度平均值/	发动机出水评价温度/	冷却常数
1500rpm	55℃	22.5	87	64.5

所以此台发电机热平衡状态下的冷却常数为K=64.5。依据公式3-1，发电机许用环境温度98℃，冷却常数64.5℃，计算得到环境许用温度为33.5℃；

（2）X2型号试验结果分析

企业对系统设计要求为环境温度55℃能够正常工作。但是试验结果证明，该机组在环境温度达到33.5℃时，机组发动机温度达到许用温度98值。冷却系统匹配不满足设计要求。

（3）X2型号试验结果分析

根据现场试验对该发电机组散热系统提出以下设计建议。

1）检查风扇的叶面积要在护风圈内2/3；

2）风扇与护风圈5-8mm；

3）在此风扇速比条件，再调整到小于1.25-1.3范围；

4）调整水箱面积（现在结构看向是4排管）可以提高风速该成3排管。

4结论

通过本次科研试验利用冷却常数为两台发电机组的冷却散热能力提供了验证方法。实验测试结果表明，X1型发电机组冷却常数为51.1℃，在许用温度为98℃下，计算得到许用环境温度为46.9℃，满足设计环境温度大于40℃±1℃的要求。并且计算得到发电机组中冷散热效率83.5%，该发电机的冷却散热效率大于80%，具有良好的散热能力。

而X2型发电机组冷却常数为64.5℃，在许用温度为98℃下，计算得到许用环境温度为33.5℃，不满足设计环境温度大于55℃的要求。该型号的发电机组没有达到该方法的验证标准，并提出了在发电机组散热系统设计上的建议。

综上所述，本次发电机组的验证试验结果数据分析，证明课题组的试验方法能够准确计算出“独立发电机组”发电机组的许用环境温度、发动机冷却常数、中冷器散热效率项目，通过冷却常数可以判定企业生产的发电机组冷却系统的环境许用温度是否满足设计要求。保障发电机在高温下的环境可靠性和安全性，满足企业的生产一致性管理要求，推动行业建立统一生产一致性管理奠定基础。

5未来发展和展望

5.1存在问题

在进行试验与分析的过程中，我们也发现了一些存在的问题和不足之处。例如，某些特殊工况下，发电机的冷却系统性能可能不尽如人意，导致发电机运行温度超过许用范围。此外，对于高温环境下的长时间运行，发电机的冷却效果可能受到限制，需要进一步优化冷却系统设计和散热性能。

5.2未来发展方向

为了进一步提高车载发电机组及独立发电机组发电机冷却系统的散热能力，未来的研究可以从以下几个方向展开：

5.2.1新型散热材料的应用

发电机冷却系统的散热效率受到材料传导性能的影响，未来可以考虑采用新型散热材料来提高传热效率[13]。例如，石墨烯等高导热材料的应用可以显著提高冷却器的散热性能，从而降低发电机运行温度。

5.2.2新型冷却系统设计

通过优化冷却系统的设计，如改变冷却水流动路径、增加散热面积等方式，可以改善冷却系统的散热能力[14]。同时，结合数值模拟和实验验证，可更精确地评估新型冷却系统设计的效果。

5.2.3智能化冷却系统

未来发展中，可以考虑引入智能化技术，如传感器和控制器，实现对发电机冷却系统的实时监测和调节。通过智能化冷却系统，可以根据实际工况和环境温度对冷却系统进行智能调整，提高冷却效率[15]。

5.3展望

未来车载发电机组及独立发电机组发电机冷却系统散热能力的研究将成为发电机设计和优化的重要方向。优化发电机的冷却性能，将有助于提高发电机的功率输出、燃烧效率和可靠性，同时降低排放和燃油消耗。随着新能源技术的发展和智能化水平的提高，发电机冷却系统将不断创新和完善，为未来的车载发电机组和独立发电机组的性能提升和节能减排做出贡献。

尽管在当前的研究中取得了一定的成果，但仍然存在一些挑战和难题需要解决。例如，在实际应用中，考虑到不同环境条件、工况和发电机类型的差异，冷却系统的优化设计可能面临复杂多样的情况。因此，未来的研究需要继续深入探索不同工况下的冷却性能变化规律，并开展更全面、深入的试验和数值模拟研究。

综上所述，车载发电机组及独立发电机组发电机冷却系统散热能力的研究是一个具有挑战性和潜力的领域。通过持续的努力和创新，相信未来将实现更高效、智能化和可持续的发电机冷却系统，为车载发电和独立发电领域带来更大的发展和进步。

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