1、 交流电力机车整体承重散热换热技术研究第一章绪论1.1 整体承重散热器换热技术研究的背景及意义铁道部自 2004 年开始开展了大规模的铁路机车技术引进工作。从 2005 年初，铁道部大功率电力机车引进项目取得了突破性进展，出现了多家国外机车装备大企业与国内铁路企业合作竞标的现象。其中大同电力机车有限责任公司与法国阿尔斯通公司、株洲电力机车厂与德国西门子公司、大连机车车辆有限公司与日本东芝公司共竞得铁道部的 420 台大功率电力机车项目。这些大功率电力机车全部采用国外流行的交流传动技术。与交直流传动方式的电力机车相比，交流传动电力机车具有明显的优势，其牵引功率等级、起动和持续牵引力、效率和维修率
2、等主要技术指标均有明显提升。交流传动电力机车是利用主变压器和变流器将 25kV 压的高压电调节为低压交流电，以满足不同工况时机车的牵引运用需要。交流传动电力机车用主变压器和变流器在工作时会产生大量的热量，因此必须利用合适的冷却装置进行充分散热，以确保主变压器、变流器正常工作。虽然国外交流传动电力机车主变压器、变流器的冷却技术己经成熟，但是，国内在这方面的研究相对滞后。无论是牵引变压器油冷却系统，还是牵引变流器水冷却系统，都需要外部二次冷却装置。交流传动电力机车冷却装置按总体结构来分，基本有两种:一种是集成式冷却塔，另一种是组装式冷却装置。其中集成式冷却塔技术是目前国际上交流传动电力机车使用的最
3、先进的一种冷却技术。这种冷却塔技术不仅关注散热器的热交换能力，还要综合考虑水泵和油泵流量、风机流量和静压力、冷却液流过散热器产生的压力损失等因素之间的整体匹配。因此，集成式冷却塔具有结构紧凑、换热能力强、辅助功率消耗低、噪音低、安装方便、维护维修工作量小和安全可靠等优点。而组装式冷却装置是指由主机厂向不同的冷却器部件供应商分别提出设计要求，订购所需部件，再由机车制造厂进行组装。组装式冷却装置通常包括:过渡风道、风机和风机驱动电机组成的风机组、水散热器、油散热器、安装框架等部件。无论是集成式冷却塔，还是组装式冷却装置，其中的变压器油散热器和变流器水散热器根据布置方式不同有三种结构，一种是独立式水
4、散热器和油散热器，一种是分体复合式散热器，第三种是整体复合式散热器。三种结构的散热器，其核心换热部件一散热芯体都采用板翅式结构。所谓独立式散热器，是指水散热器和油散热器独立安装，水散热器布置在牵引变流装置中，油散热器安装在牵引变压器上，两个散热器通风截面尺寸不同，但共用一个风道，风机组布置安装在变流装置上方的风道内。所谓分体复合式散热器，是指水散热器和油散热器是两个独立的部件，通过螺栓及相互接触的法兰将两个散热器连接:两个散热器通风截面尺寸相同，共用一个风道: 风机组布置安装在水散热器上方的风道内。所谓整体复合式散热器，是指水散热器和油散热器芯体为一个整体结构，其典型特点是芯体内的空气通道对应
5、共用。上述三种结构的散热器，都采用水散热器在上、油散热器在下的布置方式;冷却空气自上而下先后通过水散热器和油散热器芯体，完成两种流体的冷却。目前，国内制造的交流传动电力机车牵引变压器和牵引变流器用冷却装置，通常采用独立式散热器或组装复合式散热器。独立式散热器和组装复合式散热器，由于水散热器和油散热器之间留有一定的安装距离，两个散热器芯体内对应的通风腔道不可能精确对中。因此，冷却装置工作时，冷却空气从装置上侧进入，先后经过水散热器和油散热器时，会在水散热器与油散热器之间的通道内产生涡流，增加冷却空气的压力损失，导致机车辅助功率消耗增大。随着使用时间的增加，在水散热器和油散热器之间的通道内容易积聚
6、灰尘，严重影响散热器的换热能力和通风性能，并且此处积聚的灰尘不容易清除。因此，这种结构不利于保证散热器的换热性能，同时增加了机车辅助功率消耗，不便于维护。1.2 整体承重散热器换热技术的发展动态整体承重散热器最初应用在集成式冷却塔技术中，西门子公司与株洲电力机车厂合作生产的 HXDI 型电力机车冷却系统采用的冷却塔技术中的散热器部分就是采用这种形式的散热器。另外，庞巴迪公司与大连机车车辆股份有限公司合作生产的 HXD3B 型电力机车冷却塔也采用这种散热器作为冷却塔集成技术的一部分。整体承重散热器在冷却塔中与风机性能形成完美匹配，并有效利用冷却塔纵向空间，实现冷却塔整体性能与空间的有效结合。随着
7、近几年电力机车技术引进的深入和国内铁路装备企业对进口技术的消化吸收再创新，整体承重散热器在国产新型大功率电力机车中得到应用。例如大同电力机车有限公司研制的 HXDZC 型电力机车，大连机车车辆有限公司研发的 HXD3C 电力机车冷却系统，全部采用整体承重散热器。由于整体承重散热器的水散热器和油散热器为一个整体芯体结构，采用一个冷却风机进行冷却，这样既节省了机车空间，减少机车辅助功率的消耗，而且与分体式复合冷却相比，减少了机车运行过程中水散热器和油散热器中间空腔内灰尘的积聚，防止系统通风性能及散热性能的降低。第二章板翅式散热器结构及传热原理分析2.1 板翅式散热器概述板翅式传热表面出现于 20
8、世纪 30 年代初期，此后数十年中，随着设计和制造技术的日趋完善以及试验研究的深入发展，其应用范围不断扩大，这种传热表面主要由带状翅片和平隔板构成。带状翅片分平直型和强化型两种。板翅式传热表面如图 2.1(a)所示。即将波带型翅片装在上下两块平隔板之间，使其紧密贴合;两侧用封条密封，组成单元体;再将多个单元体叠积在一起，用钎焊焊接固定，构成板翅式散热器的散热芯体，冷、热流体分别在板间通道和翅片通道中流过，如图 2.1(b)所示。翅片是板翅式散热器的基本元件，冷热流体之间的热交换大部分通过翅片进行，另外小部分直接通过隔板来进行。正常设计中，翅片传热面积大约为散热器总传热面积的 6706 一 88
9、%。翅片与隔板之间的连接为工艺完善的钎焊，热流体的大部分热量传递给液体侧翅片，并通过隔板由空气侧翅片传给冷流体。由于翅片的传热不像隔板那样直接传热，故翅片又有二次表面之称。二次传热面一般比一次传热面的传热效率低。但是如果没有这些基本的翅片，就成了无波纹的最简易的平板式散热器了。美国加利福尼亚大学实验室分别对没有翅片和有翅片的散热器进行试验后证明，有翅片比无翅片的散热器体积减少了 18%以上。假如设计的翅片效率最低为 70%时，其重量可较少 10%。传热过程主要通过翅片的热传导以及翅片与流体之间的对流换热来完成。翅片的作用是:扩大传热面积，提高紧凑性。翅片可看作是隔板的延伸和扩展，同时，由于翅片
10、具有比隔板大得多的表面积，因此，使紧凑性系数明显增大。提高传热效率。由于翅片的特殊结构，流体在通道中形成强烈的扰动，使边界层不断的破坏和再生，从而有效降低热阻，提高传热效率。提高散热器的强度和承压能力。由于翅片的支撑加固，使芯体形成牢固的整体，因此尽管隔板和翅片都很薄，却能承受一定的压力。第三章 整体承重散热器设计技术. 27-393.1 板翅式散热器通用设计方法. 27-303.1.1 散热器设计的要求 . 273.1.2 散热器设计的一般流程. 27-283.1.3 散热器设计方法 . 28-303.2 整体承重散热器设计. 30-393.2.1 交流传动电力机车概述. 30-313.2.
11、2 交流传动电力机车冷却系统. 31-333.2.3 整体承重散热器技术 . 33-39第四章 整体承重散热器工艺技术研究. 39-434.1 概述. 394.2 整体承重式散热器工艺路线 . 394.3 整体承重式散热器焊接工艺技术. 39-43第五章 整体承重散热器综合试验技术. 43-545.1 整体承重散热器性能试验. 43-465.2 整体承重散热器可靠性试验. 46-515.2.1 冲击和振动试验. 46-485.2.2 脉冲压力试验 . 48-495.2.3 释放压力试验. 49-515.3 整体承重散热器内腔清洁技术. 51-54结论通过本文前面的论述，我们可以得出如下结论:整
12、体承重散热器是交流传动电力机车冷却系统中换热设备的一种重要的结构形式，利用传热学的知识和手段进行散热器结构及性能方面的设计，设计出的整体承重散热器具有散热性能好、流体压力损失低、安装维护方便以及可靠性高等优点。本项目的研究为新型换热设备的开发及进一步改进起到很好的借鉴作用。本文通过对整体承重散热器的设计、工艺、综合试验和使用维护方面的研究，掌握了整体承重散热器设计、制造和试验检测过程的一些基础数据，为相似产品及其它产品的研发积累了宝贵的经验。铁道部实施跨越式发展战略，快速扩充铁路运输能力，必须要有高水平的铁路装备，特别是高水平的机车车辆来保证。据估计，在未来 10 年内，我国铁路将新增需要 7
13、500 台大功率电力机车;到 2007 年年底，我国将有 200 列动车组要下线酬示，到2010 年左右，我们将有 500 列动车组上线运行，2015 年之前，中国铁路东部沿海发达地区将要有 1000 列动车组上线运行，为这些机车、动车配套生产高水平的冷却装置和散热器，将形成一个较大的市场空间。这些都为冷却产品供应商提供了难得的机遇和比较广阔的市场空间。通过该项目的研究，在较短的时间内研制出接近国际先进水平的交流传动电力机车整体称承重式散热器，不仅替代相应的进口产品，迅速解决进口机车配件国产化问题，满足我国铁路高速、重载的发展需要，同时也可以使交流传动电力机车冷却装置的设计和制造水平迅速与国际接轨，并且在技贸引进中通过与国外相关的大公司的合作，把国产的交流传动电力机车冷却产品出口到国际市场，为本一单位产业形成新的经济增长点。
