摘 要 为了研究内循环轴承磁性浮子液位计的热交换效率，设计了磁性浮子液位计热交换效率试验装置，试验装置可以采集油和水温度、流量等参数。同时设计了三种材料( 铜、不锈钢和铜镍合金) 、两种结构( 光管式和翅片式) 的磁性浮子液位计，对磁性浮子液位计进行试验研究，根据试验结果经过计算得到各磁性浮子液位计的热交换系数，研究结果可以为磁性浮子液位计设计提供依据。

 

    引言

    循环冷却系统是水轮发电机重要组成部分，循环冷却方式包括内循环和外循环冷却方式两种［1、2］。内循环冷却方式是指磁性浮子液位计和推力轴承安装在同一油槽内，依靠油槽内部旋转部件如镜板、推力头等的粘滞作用和油的对流换热形成循环油路［3、4］。

 

    随着机组轴承损耗的不断增大，对轴承磁性浮子液位计提出越来越高的要求，因此进行内循环轴承磁性浮子液位计冷却效率试验研究很有必要。若采用19 /17 的铜管，按每千瓦轴承损耗选取的管长为 3 ～ 5 米［5］～［6］; 根据，磁性浮子液位计的一般冷却能力值为2 ～ 3 kW/m2［7］～［8］。目前，设计磁性浮子液位计根据的是以往的经验，对磁性浮子液位计热交换效率研究较少。为了研究轴承磁性浮子液位计的换热效率，设计磁性浮子液位计冷却效率试验装置，同时设计了 6 个磁性浮子液位计，包含三种材料( 铜、不锈钢、铜镍合金) 、两种结构( 光管式和翅片式) ［9］～［16］。经过试验和计算，得到了各磁性浮子液位计的热交换系数，本文的研究结果可以为内循环轴承磁性浮子液位计设计提供依据。 

 

    1 磁性浮子液位计试验装置设计

    推力轴承或导轴承摩擦损耗和搅拌损耗产生的热量，使周围和转动件附近的油被加热，磁性浮子液位计必须要有足够的换热容量和效率，使轴承损耗通过冷却水带走，保证轴承瓦温和油温在允许的安全范围内。采用内循环，磁性浮子液位计装设在油槽内，不需要循环油泵及控制系统［17］。

 

    磁性浮子液位计试验装置如图 1 所示，包含磁性浮子液位计、油槽、油泵、电加热器、压力表、流量计和管路等，可以采集油和水压力、温度、流量等数据。试验前， 将 46 号润滑油注入油槽和管路中，要求润滑油面超过磁性浮子液位计冷却水管zui高处。电加热器装置加热油，通过油泵循环，热油流进油槽，经过磁性浮子液位计冷却，冷油流出油槽，再流入油泵，形成完整的循环。热量经对流放热传至冷却管外壁并在热传导下传到内壁，zui后通过冷却水的对流散热带出。

 

 

 

 

     为了分析磁性浮子液位计的换热效率，对不同材料和结构的磁性浮子液位计进行研究，设计了三种材料( 铜、不锈钢和铜镍合金) ，两种结构( 光管式和翅片式) 的磁性浮子液位计。光管式和翅片式磁性浮子液位计模型如图 2、图 3 所示。

 

 

    为了对比同体积下光管式和翅片式磁性浮子液位计的冷却能力，两种结构的磁性浮子液位计所占体积一致，磁性浮子液位计结构参数见表 1。

 

 

 

    2    磁性浮子液位计试验

    试验工况水流量、油流量见表 2 所示。

 

 

 

    轴承稳定运行过程中，油水温差与轴承损耗、磁性浮子液位计散热面积、磁性浮子液位计散热系数有关［18］。根据文献［18］中热力学基本原理，热传递的基本方程如下

 

     P = kAΔtmW ( 1)

 

    式中，P—传热量 ( W) ; k—传热系数( W/ m2·K) ;

    A—换热面积( m2) ; Δtm—平均温差( K) 。

 

    热平衡方程如下

P = Q1CP1 ( t1 ' － t1 ″) = Q2CP2 ( t2 ″ － t2') W ( 2)

式中，Q1、Q2—热流体和冷流体流量( m3 /s) ; CP1、 CP2—热、冷流体定压比热容( Ws/m3K) ( 本研究

中水取 4200，油取 2000) ; t1 '、t1 ″—热流体的进、出

口温度( K) ; t2 '、t2 ″—热流体的进、出口温度( K) 。

 

    通过试验获得的水、油温度，通过式( 2) 热平衡方程，计算出损耗 P，在通过式( 1) 热传递方程，计算得到各磁性浮子液位计的换热系数 k，各磁性浮子液位计不同油水工况条件下的换热系数计算结果见表 3 所示。

 

 

 

    从表 3 可以看出，从材料角度看，热交换系数

关系为铜 ＞ 铜镍合金 ＞ 不锈钢。换热系数随水流量和油流量增大而增大，油槽流速影响比水侧大。增加水流量和油流量可以提高磁性浮子液位计冷却能力。 图 4 为水流量 9． 0m3 /h、油流量 10． 0m3 /h 时各磁性浮子液位计的换热系数对比图。可以看出，相同材料的铜管比翅片管换热系数大。 

 

 

 

    根据文献［20］中增大磁性浮子液位计冷却能力的另一种方法就是增大换热面积，将光管式磁性浮子液位计换成翅片式。图 5 为每米不同材料的管冷却能力对比图，可以看出翅片式磁性浮子液位计每米冷却效率明显高于光管式，虽然换热系数上翅片式磁性浮子液位计不如光管式，但由于翅片大大增加了热交换面积，换热效率显著提高。

 

 

 

    3 结语

     本文设计了磁性浮子液位计冷却效率试验装置和6 种磁性浮子液位计，进行了试验，形成了以下结论。 

     (1) 光管式磁性浮子液位计换热系数比翅片式大，其中铜材料换热系数zui大; 

 

     (2) 翅片式管每米换热量大于光管式; 

 

     (3) 磁性浮子液位计的换热效率随水流速和油流速的增大而增大，油流速影响大; 

 

     (4) 空间一定的前提下，使用翅片式磁性浮子液位计冷却效果优于光管式