趙 霞

(上海交通大學(xué)，上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

精軋機驅(qū)動電機的容量大、轉(zhuǎn)速高，一般容量為6300～7000 kW，轉(zhuǎn)速可達1900 r/min，調(diào)速精度高、調(diào)速范圍大(750～1900 r/min)。

采用自扇冷卻方式的變頻異步電動機在低轉(zhuǎn)速運行時會有通風(fēng)冷卻問題，造成電機溫升過高[1]。主要有以下原因:首先電機轉(zhuǎn)速降低時，同軸風(fēng)扇所提供的風(fēng)量按電機轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，散熱效果大大降低。而電機功率隨轉(zhuǎn)速降低成線性關(guān)系下降。因此電機向下調(diào)速時，發(fā)熱量的下降速度遠遠低于冷卻風(fēng)量的下降速度。另外，變頻異步電動機在低速運行時由于電機阻抗不理想需要進行低電壓補償。而低電壓補償往往導(dǎo)致鐵心磁場飽和，磁場飽和后空載電流增大使得電機發(fā)熱加劇。因此自扇冷卻方式不適用于有調(diào)速要求的變頻異步電動機，變頻異步電動機一般采用帶獨立風(fēng)機的通風(fēng)冷卻方式。

筆者所要介紹的冷卻系統(tǒng)由于受電機安裝地點空間位置的限制，安裝在電動機的側(cè)面，冷卻器體積較大，因此還需要考慮其機械性能。

1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計的基本要求

本冷卻系統(tǒng)采用外帶鼓風(fēng)機的管殼式冷卻器。管殼式冷卻器，易于制造、生產(chǎn)成本低、選材范圍廣、適應(yīng)性強、處理量大、工作可靠、且能適應(yīng)高溫高壓。

1.1 基本設(shè)計要求

(1)單位傳熱面上能傳遞的熱量要大，即傳熱系數(shù)要大;

(2)結(jié)構(gòu)能適應(yīng)所規(guī)定的工藝操作條件，完全可靠，不泄露，清洗、維修方便，流體阻力小;

(3)造價低、維護容易，使用周期長;

(4)結(jié)構(gòu)標準化，避免采用特殊的規(guī)格，以降低造價、便于維修和更新部件。

1.2 技術(shù)要求

1.2.1 尺寸要求

電機的側(cè)面外形及風(fēng)口尺寸見圖1。受空間位置限制，冷卻器上部相對于電機中心不能超過1 m。

圖1 電機側(cè)面結(jié)構(gòu)草圖

1.2.2 設(shè)計參數(shù)要求

電動機額定功率為6800 kW，效率約為95.5%，考慮要達到良好的冷卻效果，取熱交換功率為380 kW，電機運行轉(zhuǎn)速800～1700 r/min。具體設(shè)計要求見表1。

表1 冷卻器設(shè)計參數(shù)表

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

2.1 換熱管的選取

換熱管構(gòu)成冷卻器的傳熱面、管子尺寸和形狀對傳熱有很大影響。采用小直徑的管子時，冷卻器單位體積的換熱面積大一些，設(shè)備比較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也較高，但制造麻煩，管子易結(jié)垢，不易清洗。大直徑管子用于粘性大或者污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。管長的選擇是以清洗方便與能合理利用管材為準[2]。目前我國實行的系列標準規(guī)格采用 φ25 mm ×2.5 mm，φ25 mm ×2 mm 和φ19 mm×2 mm三種規(guī)格的列管。

列管的排列方式有正方形、轉(zhuǎn)角正方形、等邊三角形、轉(zhuǎn)角正三角形幾種，其中以等邊三角形排列比較緊湊，管外流動湍流程度高，對流傳熱系數(shù)大，而正方形排列雖然比較松散，傳熱效果較差，但是管外清洗方便，故對于易結(jié)垢流體很適用。

管板上換熱管中心距的選擇既要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，傳熱效果，又要考慮管板的強度和清洗管子外表面所需的空間。除此之外，還要考慮管子在管板上的固定方法。若間距太小，當(dāng)采用焊接連接時，相鄰兩根管的焊縫太近，焊縫質(zhì)量受熱影響不易得到保證;若采用脹接，擠壓力可能造成管板發(fā)生過大的變形，失去管子和管板間的結(jié)合力。一般采用的換熱管的中心距不小于管子外徑的1.25倍。

本系統(tǒng)冷卻器管外為空氣，管內(nèi)為冷卻水，綜合考慮各種因素，換熱管選用φ25×2.5 mm規(guī)格，采用正三角型排列方式，管與管板的連接形式采用脹接，管間距為38 mm。根據(jù)電動機對冷卻器尺寸的限制，管子長度為2663 mm，管子排布為34列7排。

2.2 擋流板的選取

為提高管外流體給熱系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路，增加流體速度，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者應(yīng)用更為廣泛。流體在管內(nèi)每通過管束一次稱為一個管程，每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管內(nèi)流體的速度，可在兩端封頭內(nèi)設(shè)置適當(dāng)隔板，將全部管子平均分隔成若干組，這樣，流體可每次只通過部分管子而往返管束多次，稱為多管程。同樣，為提高管外流速，可在殼體內(nèi)安裝擋板使流體多次通過殼體空間，稱多殼程。

在前水室中設(shè)置隔板，將管子分為上下兩部分，下面為冷卻水進水，上面為出水;管外設(shè)置隔板，根據(jù)風(fēng)路設(shè)置成多殼程，提高了冷卻效果。冷卻器芯體隔板設(shè)置見圖2。

圖2 芯體隔板設(shè)置圖

在冷卻器管外通風(fēng)柜內(nèi)，根據(jù)電機的風(fēng)路，設(shè)置不同的擋板，使進入電動機內(nèi)部的冷卻風(fēng)得到充分的冷卻。中間為冷卻器進風(fēng)口，風(fēng)溫較高，熱風(fēng)經(jīng)過冷卻水冷卻后，在外置風(fēng)機的作用下，通過渦殼，再次進入電機內(nèi)部循環(huán)冷卻。通風(fēng)柜內(nèi)擋板設(shè)置見圖3。

2.3 冷卻器剛性設(shè)計

冷卻器熱交換功率為380 kW，外部尺寸約為2680 mm×1540 mm×1400 mm，總重約達2800 kg。在高線精軋機軋制過程中，載荷不斷交替變化，對其拖動電機的機械性能有著極高的要求。對于側(cè)面安裝冷卻器的電機，冷卻器較重，除了電機本體機座加固外，也需要冷卻器在設(shè)計時采取一些措施，盡量加強其剛性，減少對電動機振動的影響。

圖3 通風(fēng)柜擋板設(shè)置圖

根據(jù)電動機的風(fēng)路結(jié)構(gòu)，冷卻器設(shè)計時合理布置進出水管的位置，并采用厚板加筋結(jié)構(gòu)，底部采取支架支撐，有效地加強剛度，適應(yīng)了高速軋機交變載荷的工作要求。

冷卻器的總體設(shè)計見圖4。

圖4 冷卻器總體設(shè)計圖

3 試驗數(shù)據(jù)分析(見表2)

表2 電機試驗數(shù)據(jù)

由上表可以看出，采用電阻法測量時，電機定子繞組溫升為53.7 K，國家標準規(guī)定為不超過80 K，完全達到了國標要求。電機總體振動低速時僅為0.3 mm/s，高速時為 1.2 mm/s，遠遠低于國家標準GB 10068—2008所規(guī)定的2.3 mm/s。由此可見，此冷卻系統(tǒng)的設(shè)計完全達到了理想的冷卻效果，在結(jié)構(gòu)方面也盡可能地降低了電機的振動。

4 結(jié)語

筆者介紹了高線精軋機變頻調(diào)速異步電動機的冷卻系統(tǒng)設(shè)計，主要介紹了換熱管和擋流板的布置以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)果符合電機的冷卻要求及剛性要求。目前，該冷卻系統(tǒng)已在電機實際生產(chǎn)中獲得應(yīng)用，電機運行狀況良好。

[1]傅豐禮，唐孝鎬.異步電動機設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.

[2]化工設(shè)備設(shè)計全書編委會.換熱器設(shè)計[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988.