,,
(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司,河南南陽 473000)
增安型三相異步電動機空水冷卻器設(shè)計
郭林,李金玉,趙現(xiàn)偉
(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司,河南南陽 473000)
對空水冷卻器的設(shè)計進行了探討,從設(shè)計目的、工藝技術(shù)及材料的選取和對比及設(shè)計重點進行詳細分析,驗證了合理的空水冷卻器對延長電機電氣性能,提高電機效率起到了至關(guān)重要的作用。
增安型電機;空水冷卻器;設(shè)計
增安型三相異步電動機是在正常運行條件下不會產(chǎn)生電弧、火花或危險高溫的電機結(jié)構(gòu)上再采取一些機械、電氣和熱的保護措施,避免在正?;蜻^載條件下出現(xiàn)電弧或火花,確保其防爆安全性。為防止其正常運行中產(chǎn)生危險溫度,及時快速散熱能有效降低危險程度。因此合理的冷卻器設(shè)計至關(guān)重要。
電機正常運行時,由于損耗而發(fā)熱,電機內(nèi)部溫度升高,通過冷卻器進行熱交換,把電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量由冷卻器循環(huán)水帶出,使電機定子繞組的溫度滿足要求,從而保證電機正常運行。其設(shè)計目標:(1)完成冷卻器設(shè)計;(2)確定冷卻器總體尺寸和外部接口;(3)完成冷卻器換熱計算;(4)完成冷卻器五性分析。
以增安型三相異步電動機YAKS 500-4 1600kW 6kV為例。
(1)根據(jù)電機技術(shù)任務(wù)書,確定電機額定運行技術(shù)參數(shù);
(2)根據(jù)電機技術(shù)任務(wù)書,對電機額定運行時冷卻器功能指標進行分解,冷卻器參數(shù)指標要求見表1。
表1 冷卻器參數(shù)指標要求
(3)根據(jù)電機技術(shù)任務(wù)書和流體分析計算,確定冷卻器設(shè)計輸入?yún)?shù),輸入?yún)?shù)見表2。
表2 冷卻器設(shè)計輸入?yún)?shù)
3.1 空水冷卻器采用成熟技術(shù)和工藝
(1)冷卻器采用空氣-水熱交換技術(shù);
(2)冷卻器與機座固定牢固,安裝拆卸方便;
(3)冷卻器安裝排氣、排液接口;
(4)冷卻器設(shè)置吊環(huán),方便吊裝、翻轉(zhuǎn);
(5)冷卻器冷卻管進行耐壓強度計算,安全系數(shù)不低于2.5;
(6)冷卻器水工作水壓按不低于0.4MPa設(shè)計,試驗水壓不低于工作水壓的2倍。
3.2 元器件、零部件及材料的選擇
(1)冷卻器元器件擇優(yōu)選用已納入國標、國軍標的材料;
(2)標準件選用依據(jù)國家標準,通用性強,互換性好;緊固件表面鍍鎳;
(3)冷卻器材料既滿足冷卻器換熱傳熱需要,又防止腐蝕;
(4)密封材料需耐老化,密封可靠。
3.3 空水冷卻器換熱容量
依據(jù)JB/T 2728.1—2010中的規(guī)定,冷卻器的換熱容量留有不小于20%換熱裕量。
4.1 空水冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1.1 空水冷卻器結(jié)構(gòu)型式
目前,電機空水冷卻器采用的冷卻管、散熱片結(jié)構(gòu)型式為擠片式、繞片式、套片式等,其中套片式應(yīng)用最為廣泛,其優(yōu)點在于套片式結(jié)構(gòu)形式散熱面積大,冷卻效果顯著。因此,冷卻器采用良好散熱面積的套片式結(jié)構(gòu)。
4.1.2 空水冷卻器結(jié)構(gòu)組成
空水冷卻器主要由管程和殼程兩部分組成。殼程使冷卻器形成冷卻風路,管程形成循環(huán)水路,管程主要零部件:支架、冷卻管、套片、承管板、兩端水箱和密封等。冷卻器管程結(jié)構(gòu)詳圖見圖1,冷卻器殼程結(jié)構(gòu)詳見圖2。
圖1空水冷卻器管程結(jié)構(gòu)詳圖
圖2空水冷卻器殼程結(jié)構(gòu)詳圖
4.1.3 空水冷卻器布置
空水冷卻器安裝在電機機座上,質(zhì)量分布均勻,增加電機整體穩(wěn)定性,降低電機振動。
4.2 空水冷卻器換熱原理
在電機內(nèi)部,轉(zhuǎn)子兩端的風扇把電機兩端的空氣壓入定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)部,經(jīng)過發(fā)熱的轉(zhuǎn)子及定子繞組,空氣吸收熱量溫度升高,從定子通風道進入冷卻器。熱風經(jīng)流入循環(huán)水的冷卻管冷卻降溫,變?yōu)槔滹L后再進入電機兩端。如此循環(huán)往復(fù),把電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量由冷卻循環(huán)水帶出。使電機內(nèi)部溫度始終保持在允許的范圍內(nèi),從而保證電機的正常運行。電機內(nèi)部風路循環(huán)見圖3。
圖3電機內(nèi)通風散熱示意圖
4.3 空水冷卻器材料選用
4.3.1 空水冷卻器材料技術(shù)要求
(1)冷卻器管程的冷卻管、套片導(dǎo)熱能力強,滿足冷卻器熱交換需要。
(2)冷卻器管程的冷卻管、水箱、承管板適用于冷卻水質(zhì)要求,防止腐蝕、銹蝕。
(3)冷卻器承壓能力滿足設(shè)計壓力要求。
4.3.2 冷卻管材料對比與選用
銅管、不銹鋼管、鈦管是目前應(yīng)用廣泛的冷卻管材料,其特點和性能,見表3。
表3 冷卻器冷卻管主要材料
由表3可知:不銹鋼管、銅管均適用。但銅管導(dǎo)熱系數(shù)高,換熱性能優(yōu)于不銹鋼管,因此冷卻管選用銅管。銅管BFe30-1-1防腐防銹能力優(yōu)于銅管BFe10-1-1,因此冷卻管選用銅管BFe30-1-1。
4.3.3 冷卻翅片材料對比與選用
銅翅片、鋁翅片是目前應(yīng)用在核電機冷卻器上的主要材料,其特點和性能見表4。
表4 冷卻器翅片主要材料
由表4可知,銅翅片導(dǎo)熱系數(shù)約為鋁翅片導(dǎo)熱系數(shù)的1.75倍,換熱性能優(yōu)于鋁,所以冷卻套片選用銅翅片T2。
4.3.4 空水冷卻器其它零部件材料選用
(1)冷卻器其它零部件主要有承管板、前后水箱和支架。通過冷卻管材料對比分析,得出冷卻管選用銅管BFe30-1-1,翅片選用T2。所以承管板和前后水箱等部件均采用銅質(zhì)材料,即與水接觸材料為同一材料,各部件之間不產(chǎn)生電位差,可防止產(chǎn)生電位腐蝕。冷卻器支架采用碳鋼焊接制成,冷卻器其它部件安裝固定在支架上,形成統(tǒng)一整體。
(2)冷卻器密封件選用三元乙丙橡膠,安裝在水箱與承管板之間,防止漏水。
(3)緊固件選用碳鋼材料,表面鍍鎳。
4.4 空水冷卻器冷卻管、套片布置
4.4.1 空水冷卻器冷卻管布置
(1)冷卻管呈等邊三角形排列布置:研究數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)表明,呈等邊三角形排列布置冷卻管,空氣流動阻力均勻,冷卻管、套片散熱均勻,管子和套片綜合散熱系數(shù)高。
(2)根據(jù)機座接口尺寸,冷卻器接口尺寸1365×130,可根據(jù)散熱面積,散熱是否均勻來選取管子布局。冷卻管選用φ16×1,6排15列,冷卻器管子45根。冷卻管布置示意圖見圖4。
圖4冷卻管布置示意圖
4.4.2 空水冷卻器套片間距布置
據(jù)冷卻器換熱計算公式P=K×S×△t,冷卻器換熱容量與冷卻器散熱面積成正比,套片面積決定了冷卻器的散熱面積,初步確定套片間距為2.5mm。
4.5 空水冷卻器結(jié)構(gòu)外形尺寸
據(jù)以上冷卻器結(jié)構(gòu)型式,材料選用,冷卻管及套片布置情況,冷卻器接口參數(shù)如下
(1)外形尺寸(mm):長×寬×高=1938×1536×1260;
(2)重量:900kg;
(3)進出水管法蘭直徑:DN80。
4.6 空水冷卻器技術(shù)性能參數(shù)
4.6.1 空水冷卻器換熱計算
(1)據(jù)冷卻器的外形尺寸,以及冷卻管套片材料、布置排列,進行冷卻器換熱性能計算,計算結(jié)果見表5。
表5 冷卻器換熱計算結(jié)果
冷卻器換熱計算結(jié)果表明,冷卻器在進水溫度≤33℃,電機內(nèi)部循環(huán)冷卻風量2.9 m3/s條件下,計算冷卻器能夠達到總的換熱容量為98kW,冷卻器的耗水量為20/h。
4.6.2 空水冷卻器技術(shù)參數(shù)
根據(jù)冷卻器換熱計算報告,電機額定運行時冷卻器主要技術(shù)參數(shù)見表6。
表6 冷卻器技術(shù)參數(shù)
5.1 故障模式
空水冷卻器故障模式主要表現(xiàn)形式為:冷卻器換熱容量沒有達到電機換熱要求、冷卻器變形、冷卻器漏水、冷卻器腐蝕、冷卻管堵塞等。
5.2 空水冷卻器五性分析
5.2.1 安全性分析
冷卻器管程零部件采用耐腐蝕材料,防止冷卻管被腐蝕而漏水,從而保護電機不產(chǎn)生損壞。
5.2.2 可靠性分析
5.2.2.1 空水冷卻器結(jié)構(gòu)可靠性分析
(1)冷卻器殼程通過螺栓緊固在機座上,不產(chǎn)生振動,平穩(wěn)可靠;
(2)冷卻器殼程支架采用整體焊接,保證冷卻器整體強度。冷卻管與承管板采用漲接,防止松動;
(3)冷卻器殼程上設(shè)置吊環(huán)孔,方便吊裝;
(4)冷卻器上設(shè)置排氣孔和排水孔,方便排氣和排水;
(5)對冷卻器每根冷卻管進行水壓試驗,試驗壓力為工作壓力的1.5倍,保證冷卻管能夠承受足夠壓力;冷卻器裝配后,再進行水壓試驗,試驗壓力為工作壓力的2倍,不漏水為合格;保證冷卻管使用安全可靠。
5.2.2.2 空水冷卻器功能可靠性分析
(1)冷卻器采用散熱結(jié)構(gòu)良好、導(dǎo)熱面積大的套片結(jié)構(gòu),有效降低電機溫升;
(2)冷卻器在額定轉(zhuǎn)速下?lián)Q熱裕量為24%,耗水量20t/h,不小于20%換熱裕量要求;
(3)冷卻管選用1mm厚的銅管,經(jīng)計算冷卻管承受的壓力可達12.08MPa,安全系數(shù)為15;
(4)冷卻器冷管件選用銅材,防止電位腐蝕而導(dǎo)致冷卻器漏水、損壞;
(5)冷卻器采用三元乙丙橡膠密封,并經(jīng)耐老化試驗,防止冷卻器在連接處漏水;
(6)冷卻器冷卻介質(zhì)為工業(yè)自來水,防止冷卻管被堵塞。
5.3 測試性分析
冷卻器安裝漏水監(jiān)控儀,可實時監(jiān)測冷卻器的運行狀況。
5.4 維修性分析
在電機殼程不拆卸的條件下,可對冷卻器管程進行拆卸、維修。
對于采用空水冷卻器的增安型三相異步電動機來說,高效的熱交換對電機的安全運行至關(guān)重要,能夠保證電機內(nèi)部定子表面溫度不高,合理的空水冷卻器能夠滿足電機電氣性能,提高電機效率,延長電機使用壽命。隨著現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展,會有更好的空水冷卻器設(shè)計方法來解決電機的散熱問題。
[1] GB/T 1993—96.旋轉(zhuǎn)電機冷卻方法[S].
[2] 丁舜年.大電機的發(fā)熱與冷卻.北京:科學出版社,1992.
[3] 陳世坤.電機設(shè)計.北京:機械工業(yè)出版社,2004.
[4] 鮑里先科亞科夫列夫[蘇].電機中的空氣動力學與熱傳遞.北京:機械工業(yè)出版社,1985.
DesignofAir-WaterCoolerforIncreased-SafetyThree-PhaseInductionMotor
GuoLin,LiJinyu,andZhaoXianwei
(Wolong Electric Nanyang Explosion-proof Group Co.,Ltd.,Nangyang 473000, China)
This paper discusses the design of air-water cooler, and chiefly analyzes the design goal, processing technology, material selection and comparison, design focus. It is verified that the air-water cooler with suitable structure play a crucial role to prolong electric performance and increase efficiency of motor.
Increased-safety motor;air-water cooler;design
10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.02
TM302
A
1008-7281(2017)06-0004-004
郭林男1985年生;畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,碩士研究生,現(xiàn)從事電機設(shè)計工作.
2017-08-28