基于板壳力学的蒸发冷却电机用薄壁套筒分析及相关实验研究
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摘要
浸润式蒸发冷却是一种新型的冷却方式，其优越性在于冷却效果好、效率高、运行安全等方面。本文首次将板壳力学理论引入蒸发冷却技术的研究领域，对浸润式蒸发冷却电机所采用的薄壁密封套筒的应力、应变分布进行了分析，解决了小空间尺度和小气隙的条件下，所必须解决的薄壁密封套筒应力应变问题。对蒸发冷却技术的推广具有重大应用价值，对完善蒸发冷却技术相关理论也具有重要意义。
本文在套筒材料的均匀连续性、各向同性的假设下，针对薄壁密封套筒结构的特殊性，引入板壳力学理论分析其受压变形情况，推导了其变形位移量的计算公式。通过有限元分析的方法，对薄壁密封套筒在电机工作情况下的受热状态进行了二维的热应力和热变形仿真计算；在对薄壁密封套筒承受轴对称外压的等效前提下，对其产生的变形位移量进行了仿真计算。
为了验证计算结果，利用组内一台定子浸润式蒸发冷却异步发电机的定子模型，对于定子密封套筒进行了试验，测量了在不同压强下套筒的椭圆度，并与理论计算结果作比较得到了相同的变化规律，分析了试验结果与计算结果之间存在误差的原因。
Immersing evaporation cooling is a kind of new cooling technique with high efficiency and safety. In this paper, mechanics of thin plates and shells is used in the field of the evaporation cooling technology for the first time. Stress and translation of sleeve cylinder used in immersing evaporation cooling motors are analyzed under the condition of small dimension and air-gap of the motor. It has significance of the evaporation cooling technology's correlative theories.
Under the assumption of the equality and isotropy of the sleeve cylinder's material, mechanics of thin plates and shells is used to analyze the deformed condition of the sleeve cylinder. The characteristic of its structure is under consideration, and the deformed displacement is calculated. With the method of finite element analysis, the simulation of 2-D thermal-stress and translation of the thin sleeve cylinder is performed, and the simulation of its deformed displacement is performed under the equivalent axis-symmetrical pressure.
The experiment of the stator"s sleeve cylinder is carried out with a modal of the evaporation cooling asynchronous turbogenerator. The inner diameter of the thin sleeve cylinder is measured under different pressure. Experiment result shows that the deformed displacement is almost agreement with the calculation results. The error between the experiment result and calculation is discussed.
本文在套筒材料的均匀连续性、各向同性的假设下，针对薄壁密封套筒结构的特殊性，引入板壳力学理论分析其受压变形情况，推导了其变形位移量的计算公式。通过有限元分析的方法，对薄壁密封套筒在电机工作情况下的受热状态进行了二维的热应力和热变形仿真计算；在对薄壁密封套筒承受轴对称外压的等效前提下，对其产生的变形位移量进行了仿真计算。
为了验证计算结果，利用组内一台定子浸润式蒸发冷却异步发电机的定子模型，对于定子密封套筒进行了试验，测量了在不同压强下套筒的椭圆度，并与理论计算结果作比较得到了相同的变化规律，分析了试验结果与计算结果之间存在误差的原因。
Immersing evaporation cooling is a kind of new cooling technique with high efficiency and safety. In this paper, mechanics of thin plates and shells is used in the field of the evaporation cooling technology for the first time. Stress and translation of sleeve cylinder used in immersing evaporation cooling motors are analyzed under the condition of small dimension and air-gap of the motor. It has significance of the evaporation cooling technology's correlative theories.
Under the assumption of the equality and isotropy of the sleeve cylinder's material, mechanics of thin plates and shells is used to analyze the deformed condition of the sleeve cylinder. The characteristic of its structure is under consideration, and the deformed displacement is calculated. With the method of finite element analysis, the simulation of 2-D thermal-stress and translation of the thin sleeve cylinder is performed, and the simulation of its deformed displacement is performed under the equivalent axis-symmetrical pressure.
The experiment of the stator"s sleeve cylinder is carried out with a modal of the evaporation cooling asynchronous turbogenerator. The inner diameter of the thin sleeve cylinder is measured under different pressure. Experiment result shows that the deformed displacement is almost agreement with the calculation results. The error between the experiment result and calculation is discussed.
引文
1、刘人怀，板壳力学，机械工业出版社，1990
2、张双寅、刘济庆、于晓霞、蔡良武，复合材料结构的力学性能，北京理工大学出版社，1992
3、吴家龙，弹性力学(新一版)，同济大学出版社，1993
4、[日]竹内洋一郎，热应力，科学出版社，1977
5、韩晓娟，圆柱壳体热应力分析的简化方法，力学与实践，1997，2：55-56
6、刘人怀，板壳分析与应用，中国工程科学，2000，11，第2卷第11期：60-67
7、唐兴伦、范群波、张朝晖、李春阳，ANSYS工程应用教程(热与电磁学篇)，中国铁道出版社，2003
8、王俊奎、丁立祚，弹性固体力学，中国铁道出版社，1990
9、E.梅蓝、H.帕而库斯，由于定常温度场而产生的热应力，科学出版社，1955
10、傅德平、谭梦镛、张亚芬、夏鲜量，50MW蒸发冷却汽轮发电机定子主密封结构与气密实验，中国科学院电工研究所论文报告集，1999，6：1-5
11、丁舜年，大型电机的发热与冷却，科学出版社，1992
12、魏永田、孟大伟、温甲斌，电机内热交换，机械工业出版社，1998
13、阮琳、顾国彪，大型电机蒸发内冷技术及其中有待深化研究的问题，中国科学院电工所论文报告集，2001，6
14、阮琳、顾国彪、傅德平，汽轮机定子绕组用强迫循环蒸发冷却的实验，电气时代，2001，9：35-37
15、GuGuobiao and RuanLin. The Development of Cooling Techniques for Hydrogenerators---Reliability, Maintenance, Economic Performance. Proceedings of The Sixth International Conference on Electrical Machines and Systems. Volume Ⅰ
16、田新东、顾国彪、王敏、袁康、殷建中，自循环蒸发冷却技术在水轮发电机上的应用，水力发电，2001，4：32-34
17、叶万仁，大型汽轮发电机采用蒸发冷却技术的可行性，华北电力技术，
1996，7：5-9
18、李德基，发电机发热分析汁算及其应用，四川大学出版社，1994
19、顾元宪、赵红兵、陈飚松、亢战，热-应力耦合结构灵敏度分析方法，力学学报，2001，9，第33卷第五期：685-691
20、扶名福、江五贵、李相麟，中厚圆柱壳在局部载荷下有限变形与屈曲分析，2002，3，第23卷第1期：115-119
21、龚曙光，ANSYS基础应用及范例解析，机械工业出版社，2003
22、任辉启，ANSYS 7.0工程分析实例详解，人民邮电出版社，2003
23、吴约，板壳结构的三维样条边界元方法，安徽建筑工业学院学报(自然科学版)，1997，第5卷第3期：13-17
24、金问鲁，轴压力下薄壳边界效应的刚度与稳定性分析，空间结构，1996，11，第2卷第4期：2-6
25、许强，簿壳问题的一种数值解法，力学季刊，2000，12，第21卷第4期：437-444
26、[英]J.E.吉布生，薄壳分析，中国建筑工业出版社，1975
27、李炳威，壳体结构的工程分析方法(修订版)，人民交通出版社，1982
28、W.弗留盖，壳体中的应力，中国工业出版社，1965
29、[美]A.C.阿加雷，板壳应力，中国建筑工业出版社，1986
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31、李发海、陈汤铭、郑逢时、张麟征、朱东起，电机学，科学出版社，1998
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