王洋

（沈陽遠(yuǎn)大科技電工有限公司，遼寧沈陽，110027）

LNG海水提升泵用立式電機設(shè)計創(chuàng)新

王洋

（沈陽遠(yuǎn)大科技電工有限公司，遼寧沈陽，110027）

對LNG海水提升泵用YLKK500-8TH立式電機進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計。通過電磁指標(biāo)設(shè)計實現(xiàn)了機械效率優(yōu)化；采用“電機減振機座”結(jié)構(gòu)強化了機座剛度，提高了電機穩(wěn)定性；采用“增強型端蓋”結(jié)構(gòu)降低了機械振動，提高了電機可靠性；采用合理的通風(fēng)散熱系統(tǒng)，有效降低了電機溫度；應(yīng)用“雙向推力軸承”降低了電機使用成本，延長了軸承使用壽命。YLKK500-8TH電機設(shè)計從電磁、結(jié)構(gòu)、材料、軸承等方面的技術(shù)創(chuàng)新，使得實際運行數(shù)據(jù)高于國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了國外先進(jìn)水平，在制造業(yè)具有潛在推廣價值。

立式電機；LNG海水提升泵；雙向推力軸承；電機減振機座；增強型端蓋

引言

目前國內(nèi)企業(yè)LNG（液態(tài)天然氣）海水提升泵項目所使用的立式電機幾乎被國外ABB、西門子等公司壟斷，其具有體積小、重量輕、噪音低、振動弱、運行較穩(wěn)定等優(yōu)點[1-5]。國內(nèi)也亟需開發(fā)生產(chǎn)成本小、技術(shù)達(dá)到國際水平、具有技術(shù)優(yōu)勢的產(chǎn)品。

本次研究設(shè)計了一款機座號為YLKK500-8TH的產(chǎn)品。采用了國外先進(jìn)通風(fēng)方式，應(yīng)用了多邊形機座設(shè)計結(jié)構(gòu)，通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻較小，可有效降低電機溫度，從而減小電機體積和重量。這種設(shè)計優(yōu)于我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，性能達(dá)到國外同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

本文從YLKK500-8TH電機設(shè)計從電磁、結(jié)構(gòu)、材料、軸承等方面的技術(shù)創(chuàng)新展開論述。

1 電機電磁指標(biāo)

選取電機型號為YLKK500-8TH/1 250 kW/6 kV/ IP54的產(chǎn)品樣機進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新，標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

該電機在電磁指標(biāo)設(shè)計上應(yīng)用美國西屋計算程序，選擇合理的槽配合，旨在優(yōu)化電機性能、降低電機噪聲。YLKK500-8TH定轉(zhuǎn)子沖片均選用冷軋無取向低損耗電工硅鋼片；選用大三圓尺寸（大于行業(yè)通用尺寸）可減小電機的機座號，即通過較小體積輸出較大功率，磁路分布更為合理，提高了電機熱負(fù)荷和材料利用率，在不更改電機性能的基礎(chǔ)上優(yōu)化了電機體積及重量，減少了電機應(yīng)用能耗；定子采用減薄絕緣技術(shù)。上述設(shè)計使得產(chǎn)品性能優(yōu)于國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品型號為YLKK630-8TH，經(jīng)實驗測試，性能優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)將YLKK500-8TH與YLKK630-8TH的主要電磁數(shù)據(jù)設(shè)計值及實驗數(shù)據(jù)加以對比，如表2所示。

表1 LNG海水提升泵用立式電機設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

表2 YLKK500-8TH、YLKK630-8TH主要電磁數(shù)據(jù)設(shè)計對比

2 電機結(jié)構(gòu)與材料

（1）機座。機座的鐵心檔應(yīng)用等邊八角形結(jié)構(gòu)，電機兩端采用六邊形結(jié)構(gòu)，軸向設(shè)計8個通長圓筋，可提高機座固有振動頻率。不僅加強了電機剛度，還降低了電機振動，同時還提高了電機運行穩(wěn)定性。機座采用滿焊結(jié)構(gòu)，焊接后采用熱處理的方式消除機座內(nèi)應(yīng)力，使其內(nèi)腔風(fēng)阻較小，結(jié)構(gòu)更加緊湊；

（2）定子和轉(zhuǎn)子。定子線圈采用減薄絕緣技術(shù)，并采用少絕緣體系及浸漆工藝，保證絕緣可靠性，從而提高定子槽利用率，有效減小電機體積和重量；轉(zhuǎn)子采用橢圓形銅條結(jié)構(gòu)，銅條和端環(huán)采用中頻感應(yīng)加熱焊，并且銅端環(huán)帶有溝槽，以便轉(zhuǎn)子銅條與之配合，使整個轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更牢固，保證轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，防止斷條，還可降低轉(zhuǎn)子損耗；

（3）端蓋。端蓋振動極易引起電機故障，為了減少振動，采用了“增強型端蓋”結(jié)構(gòu)，在端蓋主要承載點處增加加強筋，應(yīng)用對稱分布設(shè)置，避免固有振蕩頻率與電機固有頻率相近。這種設(shè)計強化了電機端蓋機械強度，降低了機械振動，使其承受轉(zhuǎn)子重量更為可靠，進(jìn)一步強化了穩(wěn)定性；

（4）通風(fēng)。電機內(nèi)部采用后傾式單側(cè)大風(fēng)扇的通風(fēng)方式。根據(jù)電機實際損耗計算風(fēng)扇風(fēng)量和風(fēng)壓，再確定風(fēng)扇的外徑和寬度，表明其不僅能產(chǎn)生較高風(fēng)壓，而且還能降低電機機械損耗，提高電機效率，從而實現(xiàn)內(nèi)部通風(fēng)順暢，形成風(fēng)壓大、循環(huán)快的混合通風(fēng)體系，保證電機溫升較低。電機的冷卻器結(jié)構(gòu)也采用合理的單側(cè)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，電機軸伸端的法蘭及連接孔尺寸依照國外同型號標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計；

（5）噴漆。由于此電機是在海邊附近使用，處于海洋性氣候，因此電機表面需做防鹽霧化處理。采用特殊噴漆工藝，可防止表面漆腐蝕，避免破壞電機表面狀態(tài)。

3 電機軸承設(shè)計

常用的立式電機軸承裝置一般只能承受單向軸向力，否則軸承易發(fā)熱，或存在密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜、漏油多、軸承維護(hù)期短、軸承裝配不便等問題。由于LNG海水提升泵用電機主要通過泵的提升在海水中提取LNG，因此海水波動時會使電機承受向上或向下的軸向力。

為力爭安全可靠，該電機采用了承受雙向推力的軸承結(jié)構(gòu)。通過上下蓋、軸承套與轉(zhuǎn)軸組合在一起形成軸承，克服常用立式電機軸承設(shè)計所存在的密封等問題。設(shè)計特征為應(yīng)用雙列配對布置軸承，它把轉(zhuǎn)軸的軸承臺肩與鎖緊螺母軸向限制在軸套范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)軸密封結(jié)構(gòu)應(yīng)由甩油環(huán)、甩油溝、骨架油封構(gòu)成，其外緣帶圓弧溝槽的甩油環(huán)設(shè)置在軸承下蓋內(nèi)腔上部，甩油環(huán)底部與軸承下蓋內(nèi)腔上端接觸面間通過定位銷將轉(zhuǎn)軸聯(lián)接。

電機軸承通過甩油環(huán)與轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，儲存潤滑脂的存油溝設(shè)置的方式，把骨架油封設(shè)置在下蓋內(nèi)腔和軸轉(zhuǎn)之間。軸承下蓋底部設(shè)置存油溝及裝置排油管的溢流孔。應(yīng)用YLKK500-8TH電機承受軸向力的結(jié)構(gòu)特點，把上軸承設(shè)計成背對背形式角接觸軸承、下軸承選用的球軸承來定位，既滿足立式電機的載荷要求，又滿足雙向承力要求。由于YLKK500-8TH電機軸伸端有內(nèi)風(fēng)扇，因此可以降低軸承溫度，加速軸承散熱。注油管設(shè)置在電機外側(cè)，便于現(xiàn)場操作。

YLKK500-8TH電機的軸承設(shè)計是LNG項目用立式電機設(shè)計的創(chuàng)新。圖1所示為YLKK500-8TH電機軸承結(jié)構(gòu)圖。其中，1—軸承下蓋；2—甩油環(huán)；3—軸承套；4—軸承上蓋；5—鎖緊螺母；6—注油管；7—軸承；8—排油管；9—骨架油封；10—定位銷。

圖1 YLKK500-8TH電機軸承結(jié)構(gòu)圖

YLKK500-8TH電機軸承分為上、下蓋，軸承套與轉(zhuǎn)軸組裝為一體化結(jié)構(gòu)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計要點為利用轉(zhuǎn)軸組裝的結(jié)構(gòu)，把軸承布置為雙列配對，應(yīng)用轉(zhuǎn)軸臺肩與鎖緊螺母固定軸承，使軸承軸向限于軸套內(nèi)。外部密封結(jié)構(gòu)由甩油環(huán)、存油溝、骨架器構(gòu)成，其中甩油環(huán)為外緣帶圓弧槽設(shè)計，它與軸承下蓋內(nèi)腔上部連接，而甩油環(huán)底部與軸承下蓋內(nèi)腔上端接觸面之間存在間隙的定位銷與轉(zhuǎn)軸相連。這種設(shè)計有效利用了軸承密封間隙，強化了甩油環(huán)與轉(zhuǎn)軸的同步性。將儲存潤滑脂的存油溝設(shè)置在軸承下蓋內(nèi)腔底部，軸承下裝置內(nèi)腔與轉(zhuǎn)軸之間封裝有骨架油封。軸承下蓋底部的存油溝設(shè)計溢流孔，可外接排油管。軸承下蓋中保留有大量軸承潤滑脂的儲存空間，優(yōu)化了油脂儲存分布。軸承密封結(jié)構(gòu)的強化使得潤滑油脂既不能進(jìn)入電機內(nèi)部，又不易滲出電機外部，這種一體化結(jié)構(gòu)增強了電機密封性，不僅簡化了電機結(jié)構(gòu)設(shè)計，還解決了電機軸承裝配困難的問題，節(jié)省了軸承裝配時間，降低了軸承維修難度。

甩油環(huán)應(yīng)用新型設(shè)計方式，也有了一定的潤滑脂存儲能力，更易把油脂送入軸承滾動體中，提高油脂傳送率。甩油環(huán)與軸承上蓋的間隙只有2 mm，可精確控制傳送量。為了穩(wěn)定軸承結(jié)構(gòu)，避免其轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)位移，應(yīng)用雙列軸承背靠背配置，其中通過軸承套和軸承上蓋進(jìn)一步加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鎖緊螺母的作用為固定上下軸，使電機軸承結(jié)構(gòu)一體化；注油管可實現(xiàn)油脂無間斷輸送；排油管外置，與下軸承下蓋存油溝下部聯(lián)系，可避免油脂排放過程中出現(xiàn)滲油風(fēng)險。定位銷加強了同步旋轉(zhuǎn)性能。

軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，優(yōu)化軸承潤滑油空間配置、強化內(nèi)部散熱、及軸承結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的方法，突破了普通型號產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易裝配及維修、密封性不良易漏油、軸承散熱能力不強的弊端。該種設(shè)計方案降低了立式電機使用成本、延長使用壽命、減少運行故障。

采用雙列配對布置的背靠背軸承與轉(zhuǎn)軸組裝的配置模式可應(yīng)用軸承的配置強化軸承的使用穩(wěn)定性。另外，其與背靠背與轉(zhuǎn)軸組裝的配置模式相結(jié)合，可以極大提高潤滑油使用率，避免潤滑油內(nèi)部消耗，提高軸承潤滑效率、工作效率，降低軸承受到潤滑油腐蝕的風(fēng)險。

4 結(jié)束語

LNG海水提升泵用YLKK500-8TH電機，還應(yīng)用了“電機減振機機座”和“增強型端蓋”等技術(shù)，降低了機械振動，提高了減振效果。在軸承設(shè)計中應(yīng)用了“立式電機用雙向推力軸承”技術(shù)，提高了電機軸承的穩(wěn)定性，延長了軸承使用壽命。YLKK500-8TH電機從電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)、材料、軸承設(shè)計這四個方面均進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，實際運行指標(biāo)不僅高于國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且還達(dá)到了國外先進(jìn)水平。該系列產(chǎn)品的優(yōu)勢包括生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)周期短、性能優(yōu)越、運行更為可靠等。相信在不久的將來，該系列產(chǎn)品在LNG海水提升泵項目中一定會完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，為我國制造業(yè)填上輝煌的一筆。

[1]陳世坤. 電機設(shè)計: 第2版[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1983.

[2]辜承林, 陳喬夫, 熊永前. 電機學(xué)[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2004.

[3]陳金剛. 立式電機軸承溫度過高的影響因素和問題處理[J]. 電機與控制應(yīng)用, 2014(10): 37-39.

[4]解育男. YLKKT450—4280kW 10kV立式三相異步電動機的研制[J]. 上海大中型電機, 2012(4): 25-27.

[5]華軍. 高速立式推力軸承及擋油管的油封設(shè)計[J]. 上海大中型電機, 2011(2): 20-21.

Innovative Design on Vertical Motor for LNG Seawater Lift Pump

WANG Yang
(Shenyang Yuanda Technical and Electrical Group, Shenyang, Liaoning,110027, China)

Innovative design on YLKK500-8TH vertical motor for LNG seawater lift pump is performed. Its mechanical efficiency optimization is implemented by electromagnetic design. Damping frame for motor is adopted for its enhancement on stiffness and improvement on stability. Enhanced end cover is adopted for reduction on motor’s vibration and improvement on its reliability. Temperature of motor is effectively reduced using feasible ventilation system. Moreover, a two-way thrust bearing is used to reduce its cost and prolong its life. Technological innovation on YLKK500-8TH motor design from electromagnetics, structure, material and bearing etc., makes its actual data higher than that of the domestic industry standards, while reaching the international advanced level, implying its potential application value in manufacturing industry.

Vertical Motor; LNG Seawater Lift Pump; Two-way Thrust Bearing; Damping Frame for Motor; Enhanced End Cover

TM302

A

2095-8412 (2016) 06-1144-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.024

王洋(1979-)，男，漢族，河北寧河人，本科，中級工程師。研究方向：異步電機設(shè)計及制造、風(fēng)電電機設(shè)計及制造。