操松林，　韓彩紅，　張高正，　黃永遠(yuǎn)

(1. 合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥　230031；

2. 安徽普菲克電機(jī)電泵制造有限公司，安徽 合肥　230094)

?

潛水泵電機(jī)出現(xiàn)掃膛故障的原因分析與對(duì)策*

操松林1，韓彩紅1，張高正2，黃永遠(yuǎn)2

(1. 合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥230031；

2. 安徽普菲克電機(jī)電泵制造有限公司，安徽 合肥230094)

摘要：分析了某鉀肥廠冷卻水循環(huán)系統(tǒng)潛水泵電機(jī)出現(xiàn)掃膛故障的原因： 電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱，如不能及時(shí)冷卻，必然使其溫度升高，電機(jī)出力下降；同時(shí)因轉(zhuǎn)子溫度沿軸線方向不一致，轉(zhuǎn)子受熱膨脹將呈紡錘形。當(dāng)轉(zhuǎn)子膨脹量超過氣隙時(shí)，就和定子內(nèi)腔壁接觸摩擦，即出現(xiàn)“掃膛”現(xiàn)象。大功率干式潛水電機(jī)應(yīng)配置風(fēng)扇與氣水換熱器組成的冷卻系統(tǒng)。電機(jī)內(nèi)腔中空氣通過風(fēng)扇驅(qū)使強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)，在流過轉(zhuǎn)子內(nèi)縫隙時(shí)吸收轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量；在流過換熱器處時(shí)，與外界冷卻水進(jìn)行熱交換，釋放出熱量。這樣導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的熱量，就解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻問題。在高海拔地區(qū)使用的潛水電機(jī)，應(yīng)對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)功率進(jìn)行修正。

關(guān)鍵詞：潛水泵； 故障； 掃膛

0引言

潛水泵是由潛水電機(jī)和泵組成的一體化設(shè)備。潛水泵具有以下特點(diǎn)：

(1) 結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便；

(2) 安裝便捷，不需要廠房，土建安裝費(fèi)用低；

(3) 不怕水淹，起動(dòng)時(shí)不需要灌泵，因此起動(dòng)靈活；

(4) 運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定(運(yùn)行時(shí)噪聲低、振動(dòng)小)，安全可靠，易于自動(dòng)控制。

基于人們對(duì)上述優(yōu)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，以及隨著潛水泵的大型化和潛水泵可靠性、安全性的提高等，潛水泵應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，甚至在某些領(lǐng)域有著獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的優(yōu)勢，如潛水泵在工廠循環(huán)水系統(tǒng)、礦山搶險(xiǎn)排水、南水北調(diào)工程、城市雨污水泵站、城市污水處理廠及河流防洪排澇泵站等場合廣泛應(yīng)用[1]。

1問題的提出

青海某鉀肥廠冷卻水系統(tǒng)： 從地下水池取水，泵送到一些需要水冷卻的設(shè)備，熱交換后，水回流、經(jīng)冷卻塔噴淋落入水池，實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán)利用。按照工藝設(shè)計(jì)，選用6臺(tái)潛水離心泵(3用3備)，工作方式為連續(xù)運(yùn)行。泵技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　潛水泵性能參數(shù)

如圖1所示，潛水泵安裝在水池中，泵入口標(biāo)高0.3m；泵出口標(biāo)高2m，在出口管路處安裝有壓力表，對(duì)泵運(yùn)行工況予以監(jiān)控。正常工作時(shí)，電機(jī)處于淹沒狀態(tài)，最低工作液位1.6m，最高工作液位5m。

圖1　青海某鉀肥廠潛水泵安裝圖(m)

2014年裝置投產(chǎn)，測得泵出口壓力0.4MPa，用射線流量計(jì)監(jiān)測到的流量接近設(shè)計(jì)流量，泵基本在額定工況點(diǎn)附近運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行記錄，6臺(tái)泵開機(jī)后安全運(yùn)行時(shí)間都不長(有的幾個(gè)小時(shí)，有的約一周)，泵先后出現(xiàn)故障。其故障現(xiàn)象為泵運(yùn)行一段時(shí)間后電流瞬時(shí)增大，保護(hù)跳閘，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

用兆歐表對(duì)電機(jī)絕緣電阻檢查，測量停轉(zhuǎn)電機(jī)的絕緣電阻為0Ω。拆檢發(fā)現(xiàn)電機(jī)的繞組線圈燒毀，定子內(nèi)壁中部、轉(zhuǎn)子外壁中部有明顯的摩擦痕跡，充分說明電機(jī)出現(xiàn)了掃膛現(xiàn)象，如圖2所示。仔細(xì)觀察痕跡特征： 不論是定子內(nèi)壁，還是轉(zhuǎn)子外壁，摩擦痕跡在圓周上是連續(xù)的、全周向都有，寬度50～100mm。由此可以判斷，掃膛不是轉(zhuǎn)子偏心引起的，而是定轉(zhuǎn)子中間部位電機(jī)氣隙為0mm、相互接觸引起的。

圖2　電機(jī)氣隙處摩擦痕跡

檢查設(shè)計(jì)圖紙及加工記錄，電機(jī)的設(shè)計(jì)氣隙是單邊間隙1mm，加工尺寸并無問題。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)氣隙為0的原因有待分析。

2原因分析

潛水電機(jī)分為濕式電機(jī)(電機(jī)內(nèi)部充水式)和干式電機(jī)(電機(jī)腔體內(nèi)為空氣，軸封為機(jī)械密封)，如圖3所示。

圖3　青海某鉀肥廠潛水電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

濕式電機(jī)除了定子外殼水冷外，內(nèi)部轉(zhuǎn)子上設(shè)置泵效輪、或利用所充水的壓差，使所充水循環(huán)冷卻。通過布設(shè)在內(nèi)腔的溫度傳感器監(jiān)控繞組溫度，防止缺水引起電機(jī)燒毀。對(duì)濕式電機(jī)來說，保證電機(jī)在設(shè)計(jì)溫度下工作是比較容易實(shí)現(xiàn)的。干式潛水電機(jī)則有所不同。干式潛水電機(jī)內(nèi)部仍然為空氣，電機(jī)的冷卻條件較濕式電機(jī)差。干式潛水電機(jī)一般按F級(jí)絕緣、軸承黃油潤滑、防護(hù)等級(jí)IP68設(shè)計(jì)。電機(jī)的設(shè)計(jì)工作溫度40℃，F(xiàn)級(jí)絕緣溫升115K，極端情況下干式潛水電機(jī)內(nèi)部線圈溫度不得超過155℃；而滾動(dòng)軸承黃油潤滑，溫度應(yīng)不超過95℃。

干式潛水電機(jī)除定子外殼水冷外，內(nèi)部靠僅有的空氣導(dǎo)熱通過電機(jī)端蓋等向外散熱，以及通過電機(jī)軸向外界傳熱。對(duì)小功率電機(jī)來說，電機(jī)發(fā)熱不多，可實(shí)現(xiàn)熱平衡，工作時(shí)溫度可控制在要求的范圍內(nèi)。對(duì)大功率電機(jī)來說，電機(jī)轉(zhuǎn)子上的發(fā)熱量比較多，如不采取輔助的導(dǎo)熱措施，電機(jī)內(nèi)部熱量難以向外界散發(fā)或傳遞，電機(jī)內(nèi)部溫升很快就超標(biāo)，進(jìn)而使電機(jī)失效。因此，大功率干式電機(jī)，需要設(shè)置換熱系統(tǒng)，使內(nèi)部氣體循環(huán)流動(dòng)，通過氣水換熱來降低轉(zhuǎn)子的溫升。

青海某鉀肥廠使用的6臺(tái)潛水泵均為干式潛水電機(jī)，且電機(jī)設(shè)計(jì)功率為280kW。經(jīng)分析，該項(xiàng)目6臺(tái)泵出現(xiàn)故障有兩方面的問題。

(1) 泵選型時(shí)，沒有考慮海拔高度對(duì)干式潛水電機(jī)性能的影響[2]。高海拔，則氣壓低，環(huán)境溫度也略有降低。高海拔影響空氣的絕緣強(qiáng)度和空氣散熱。海拔高度在1000m以上時(shí)，每升高100m所需的環(huán)境溫度降低補(bǔ)償值規(guī)定按溫升極限的1%折算。如果最高環(huán)境溫度的降低值不足以補(bǔ)償由于海拔高度提高所造成的冷卻效果的降低，應(yīng)對(duì)電機(jī)的額定輸出功率進(jìn)行修正。青海某鉀肥廠的海拔高度為2800m，夏季最高氣溫30℃。干式潛水電機(jī)在南方低海拔地區(qū)制造，但在運(yùn)抵高海拔現(xiàn)場后，內(nèi)部氣體由于壓差作用，會(huì)通過機(jī)封處緩慢滲漏而變得稀薄，密度變小，從而影響傳熱，使電機(jī)的設(shè)計(jì)功率降低。人們對(duì)這一點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，常被潛水電機(jī)浸泡在水中這一表面現(xiàn)象所蒙蔽，忽略考慮潛水電機(jī)內(nèi)腔空氣變稀薄而影響電機(jī)出力的事實(shí)。

對(duì)空氣冷卻的常規(guī)三相電機(jī)，其額定功率輸出值降低可按每欠補(bǔ)償1K，功率降低1%計(jì)算。本工程項(xiàng)目中，如果電機(jī)按完全風(fēng)冷考慮，其所需的溫度補(bǔ)償值Δt和額定功率下降值ΔNe：

Δt=[(h-1000)Δi-(40-tat)]=

[(2800-1000)×0.0115-

(40-30)]=10.7℃

ΔNe=[(h-1000)Δi-(40-tat)]×Ne/100=

[(2800-1000)×0.0115-(40-30)]×

280/100=29.96kW

式中：h——海拔高度,2800m；

Δi——每提高100m海拔高度時(shí)所需的溫度補(bǔ)償值，Δi=0.0001×電機(jī)溫升極限=0.0115K/m。電機(jī)溫升極限取115K。即設(shè)計(jì)溫度40℃，加上F級(jí)絕緣溫升105K，電機(jī)定轉(zhuǎn)子線圈最高耐熱溫度145℃，使用地點(diǎn)環(huán)境溫度30℃，溫升差值即為145-30℃=115K。

tat——使用地點(diǎn)的環(huán)境溫度值，30℃。

也就是說，正常設(shè)計(jì)280kW的三相電機(jī)，在青海某鉀肥廠現(xiàn)場使用，其輸出功率至少降低29.96kW。鑒于本項(xiàng)目為潛水電機(jī)，外部冷卻較常規(guī)電機(jī)有利，在無資料可查、無經(jīng)驗(yàn)可循的情況下，按一半考慮，正常設(shè)計(jì)的潛水電機(jī)在現(xiàn)場功率下降15kW。

(2) 電機(jī)設(shè)計(jì)本身存在缺陷，未進(jìn)行熱平衡校核。所用6臺(tái)潛水泵電機(jī)定子外殼為鑄鐵件，沒有設(shè)計(jì)氣水換熱系統(tǒng)，未充分考慮電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子散熱。設(shè)計(jì)方案如圖3(a)所示。

電機(jī)定子硅鋼片發(fā)熱溫度會(huì)升高，通過接觸傳熱，有一部分熱量會(huì)傳遞到電機(jī)外殼體。電機(jī)外殼在外接水(泵送水)的冷卻下，溫度基本為常溫，因此，從外而內(nèi)，定子雖有溫度上升梯度，但總體來說受到外部水冷卻的限制。即定子的溫升有限，同時(shí)在外殼體的約束下定子內(nèi)壁的尺寸變化不會(huì)太大。如果受熱膨脹，可能會(huì)導(dǎo)致定子內(nèi)孔的尺寸變小。

轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量難以對(duì)外傳遞，溫度上升較多，在無外界約束的情況下膨脹變形。當(dāng)溫度達(dá)到某一值時(shí)，轉(zhuǎn)子的外徑尺寸就會(huì)達(dá)到定子內(nèi)徑的尺寸，即電機(jī)氣隙為0mm，定轉(zhuǎn)子接觸，從而出現(xiàn)電機(jī)掃膛現(xiàn)象。電機(jī)掃膛也會(huì)產(chǎn)生熱量，這些熱量進(jìn)一步加劇鐵心的膨脹變形，形成惡性循環(huán)。

從電機(jī)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)上看，越往轉(zhuǎn)子鐵心中部，散熱越差，溫度越高；越往轉(zhuǎn)子鐵心端部，散熱相對(duì)好一點(diǎn)。即轉(zhuǎn)子中部鐵心膨脹后尺寸較端部大，整個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心成紡錘型。這就是對(duì)掃膛只在鐵心中部這種現(xiàn)象的很好解釋。

3解決方案

針對(duì)這兩個(gè)原因，從兩個(gè)方面著手，提出解決問題的技術(shù)方案，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)予以修改。修改后的結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。

(1) 按照電機(jī)設(shè)計(jì)手冊上關(guān)于海拔高度對(duì)電機(jī)功率影響的系數(shù)計(jì)算方法，對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)重新校核，適當(dāng)增加了硅鋼片的數(shù)量，保證在高海拔地區(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)功率滿足泵需求。

(2) 將電機(jī)外殼換成碳鋼材質(zhì)，利用槽鋼在電機(jī)外殼上焊接出多個(gè)氣體回流通道，相當(dāng)于在電機(jī)外殼上加裝了列管式換熱器。其次，在電機(jī)軸上部加裝軸流風(fēng)扇，讓內(nèi)部氣體循環(huán)起來。這樣一來，電機(jī)內(nèi)部的空氣，在風(fēng)扇的作用下，從下部腔體通過轉(zhuǎn)子鐵心與軸之間的縫隙向上端流動(dòng)，再通過定子外殼上的回流通道及氣隙，回到電機(jī)下部內(nèi)腔，實(shí)現(xiàn)氣體的循環(huán)流動(dòng)。氣體在通過定子外殼上的回流通道時(shí)與外夾套中的水進(jìn)行熱量交換。

(3) 將轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)子軸間的連接處滿焊，以加強(qiáng)軸向外導(dǎo)熱的能力。

為了驗(yàn)證理論分析及改造效果，在改造后的電機(jī)定子內(nèi)壁中間位置上粘貼一個(gè)測溫試紙，在轉(zhuǎn)子外表面上、中、下位置分別粘貼一個(gè)試紙，如圖4所示，測量定子轉(zhuǎn)子的實(shí)際溫度。泵運(yùn)行7h后，解體檢查，測得的溫度如表2所示。

圖4　電機(jī)定轉(zhuǎn)子上粘貼測溫試紙圖

表2　改進(jìn)后電機(jī)內(nèi)部溫度

從表2中數(shù)據(jù)可以看出：

(1) 測得的轉(zhuǎn)子溫度最大100℃，考慮溫度補(bǔ)償10.7℃，換算到青海某鉀肥廠現(xiàn)場的溫度，電機(jī)是安全的。

(2) 分析的定子溫度低于轉(zhuǎn)子溫度，以及轉(zhuǎn)子中間溫度高、兩端溫度低的假設(shè)是正確的。

(3) 電機(jī)的轉(zhuǎn)子下部的溫度低于上部的溫度，說明電機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)子冷卻效果是明顯的。即氣體通過定子外殼通道時(shí)，得到了冷卻。冷卻后的空氣從電機(jī)下部往上流動(dòng)時(shí)，溫度升高，造成轉(zhuǎn)子上部的溫度略高于下部。

(4) 電機(jī)定子溫度上部比下部低，這與電機(jī)外殼水冷有關(guān)，與冷卻水的流向有關(guān)。

改造后的潛水泵經(jīng)三個(gè)月運(yùn)行，未出現(xiàn)掃膛問題，改造成功。

4結(jié)語

干式潛水電機(jī)的潛水泵用在高海拔地區(qū)時(shí)，其電機(jī)散熱與常規(guī)的三相異步電機(jī)類似，散熱效果變差，須考慮海拔高度對(duì)電機(jī)性能的影響。當(dāng)海拔高度的影響超過因海拔升高帶來的環(huán)境溫度降低的影響時(shí)，需對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)功率予以修正。在實(shí)際操作中，可采取電機(jī)降檔使用的辦法或者增加鐵心長度非標(biāo)設(shè)計(jì)的方法來解決。

大功率干式潛水電機(jī)須設(shè)置換熱器和內(nèi)部風(fēng)扇等組成的氣水換熱系統(tǒng)，使電機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)、轉(zhuǎn)子熱量向外交換，以便控制電機(jī)內(nèi)部溫升、確保電機(jī)熱平衡。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]王友軍，朱軍.潛水泵的常見故障及對(duì)策[J].科學(xué)與管理,2010(3)： 104-105.

[2]全國化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.工業(yè)泵選用手冊[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

*基金項(xiàng)目： 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAF01B01)

The Analysis and Countermeasures of Stator Scrapping

Rotor for Submerged Pump Motor

CAOSonglin1,HANCaihong1,ZHANGGaozheng2,HUANGYongyuan2

(1. Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230031, China；

2. Anhui Pofoco Motor Pumps Manufacturing Co., Ltd.，Hefei 230094, China)

Abstract：The fault reasons of the friction between stator and rotor of submersible motor of the certain potash fertilizer factory were analyzed. At high altitudes, low air pressure and thin air, effect of rotor natural cooling was less. Motor rotor fever, if not timely cooling, must make its temperature rise, the motor output decline; At the same time, because the rotor temperature along axis direction inconsistent-the middle part was higher than at both ends, the rotor heating expansion would be a spindle. When its expansion size more than the air gap, the rotor and stator inner cavity wall contact and friction, namely “stator scrapping rotor”. High power and dry-type submersible motor should be configured cooling system Composed of fan and the air-water heat exchanger. The air in motor chamber driven the fan forced circulation flow. when it flowed through internal channel of the rotor, the air absorbed the heat generated by the rotor. When it through the heat exchanger, the air exchanged heat with outside water and released the heat. Such rotor heat be exported, the motor rotor cooling problems be solved. If submersible motors used in high altitude area, its design power should be modify like general motors.

Key words：submersible pump； fault； stator scrapping rotor

收稿日期：2015-11-07

中圖分類號(hào)：TM 307+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2015)12- 0070- 04

通訊作者：韓彩紅