(無錫港大電機有限公司，江蘇無錫 214000)

0 引言

對于空空冷中高壓三相異步電動機，作用在風路的溫度載荷及電機整個溫度場的分析比較復雜，但其直接決定電機繞組壽命、電機性能等多項參數(shù)。因此風路的設計，直接影響電機溫度場分布，進而影響電機的性能及可靠運行，考慮到對整個溫度場計算分析的復雜性，節(jié)省計算機硬件資源率，以內(nèi)風路中關鍵部件即內(nèi)風扇流域為研究分析對象，對風路進行優(yōu)化設計，縮短優(yōu)化工作的時間。

本文在現(xiàn)有YKK 500-4,2500kW電動機內(nèi)風扇結構尺寸的基礎上，利用Ansys cfx軟件對內(nèi)風扇流域進行計算分析，通過對風速、風壓計算結果進行對比、研究得到了適合電動機的內(nèi)風扇方案。

1 電動機風路與內(nèi)風扇的基本結構

本文例子YKK系列電動機冷卻系統(tǒng)由內(nèi)風路與外風路兩部分組成，結構示意圖見圖1。

圖1 YKK系列電動機內(nèi)、外風路結構示意圖

內(nèi)風扇與定轉(zhuǎn)子間隙、電機兩側端部構成內(nèi)風路．受電機結構限制，內(nèi)部風路處在封閉空間，不與外界接觸。如果電機運行中所產(chǎn)生的熱量與損耗不能及時通過內(nèi)風扇帶走(與外風路進行對流換熱從而將熱量帶走)，導致冷卻系統(tǒng)負擔加重，電機溫升高、影響電機性能與絕緣系統(tǒng)壽命[1]，因此內(nèi)風扇設計影響電動機運行可靠性以及性能，內(nèi)風扇風壓和風速(風量)是衡量內(nèi)風扇設計的重要指標。圖2為利用pro/e根據(jù)實際尺寸建立的電機內(nèi)風扇模型。

圖2 電動機內(nèi)風扇三維原型

本文例子YKK系列電動機內(nèi)風扇原型為離心后傾式直線型葉片，通過對內(nèi)風扇原型進行研究分析，從改善風壓和風速分布出發(fā)，并兼顧加工成本與制造工藝性，考慮對內(nèi)風扇原型的葉片數(shù)量、葉片型線以及型線出、入口安放角進行改進與調(diào)整，進而達到優(yōu)化目的。如表1，分別增加了12葉片后傾、9葉片徑向、12葉片徑向3種內(nèi)風扇結構方案。葉片數(shù)量及線型如圖3中(a)、(b)、(c)、(d)(去掉內(nèi)風扇前盤)所示。

表1 內(nèi)風扇結構優(yōu)化方案

圖3 內(nèi)風扇葉片優(yōu)化方案三維圖(去掉內(nèi)風扇前盤)

2 流域建模與入口徑向風速確定

運用Ansys Workbech mesh模塊，對內(nèi)風扇流體域和空氣外流流域進行網(wǎng)格劃分，為保證計算精度對近壁區(qū)域，進行膨脹層網(wǎng)格控制，打開pre膨脹層算法[2]，對內(nèi)風扇流體域剖分成約 140 萬網(wǎng)格，空氣外流流域共剖分成約 110 萬網(wǎng)格，1060 萬個結點，劃分結果見圖4。

圖4 網(wǎng)格劃分結果

內(nèi)風扇入口邊界條件V1由(1)式[3]確定，QH根據(jù)內(nèi)、外風道對流換熱計算得出。

(1)

式中，D1—風扇入口直徑單位m；b1—風扇寬度；V1—入口徑向風速。

3 流場計算結果與優(yōu)化研究

圖5中(a)、(b)、(c)、(d)分別顯示了“出口按放角度51°、進口安放角度17.5°、葉片數(shù)8、葉片線型-直線”(原方案)、“出口按放角度51°、進口安放角度17.5°、葉片數(shù)12、葉片線型-直線”(優(yōu)化方案1)、“出口按放角度90°、進口安放角度25.3°、葉片數(shù)12、葉片線型-圓弧”(優(yōu)化方案2)、度90°、進口安放角度25.3°、葉片數(shù)9、葉片線型-圓弧”(優(yōu)化方案3)電動機內(nèi)風扇速度矢量圖，從仿真計算結果看出內(nèi)風扇原型方案與方案1，內(nèi)風扇葉片表面速度范圍為42～60m/s，方案2與方案3內(nèi)風扇葉片表面速度范圍為52～80m/s。

圖6為內(nèi)風扇旋轉(zhuǎn)流域與外流域速度場矢量圖，在內(nèi)風扇上方外流區(qū)域(外風路起點處)，優(yōu)化方案2優(yōu)化方案3度場密度較原型方案有明顯的提升，優(yōu)化方案2相比較原型方案變化不明顯。

利用在cfx設置流量監(jiān)控與壓力監(jiān)控，同時應用CCL命名函數(shù)定義式，根據(jù)上述分析結果，原型方案(9葉片后傾)與優(yōu)化方案1(12葉片后傾)、優(yōu)化方案2(12葉片半徑向)、有優(yōu)化方案3(9葉片半徑向)，內(nèi)風扇風量-風壓特性曲線，見圖7。從曲線可以看成優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案3工作區(qū)間交大，在進口速度流量分別為2.43kg/s與1.99kg/s，出口風壓約為843Pa與760Pa，明顯高于原型方案的1.8kg/s，通過擇優(yōu)對比2與3，選擇優(yōu)化方案2“出口按放角度90°、進口安放角度25.3°、葉片數(shù)12、葉片線型-圓弧”。

圖5 優(yōu)化方案與原型方案內(nèi)風扇速度矢量圖

圖6 不同方案內(nèi)風扇旋轉(zhuǎn)流域與外流域速度場矢量圖

圖7 內(nèi)風扇風壓-風量特性曲線

4 結語

本文以一臺YKK 500-4，2500kW空空冷中高壓三相異步電動機內(nèi)風扇為例,對內(nèi)風扇及空氣外流流域進行了速度場計算，得到不同內(nèi)風扇結構方案的流域速度場矢量圖，結合內(nèi)風扇風壓-風量特性曲線，對原型方案與優(yōu)化方案進行了對比研究，總結如下。

(1)相比較內(nèi)風扇其他結構尺寸參數(shù)，葉片型線對流域的速度場的影響相對較大，在內(nèi)風扇優(yōu)化時可結合產(chǎn)品制造成本與加工工藝性，選擇合適的葉片型線；

(2)經(jīng)優(yōu)化方案對比研究。優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案3工作區(qū)間較大，在進口速度流量分別為2.43kg/s與1.99kg/s，出口風壓約為843Pa與760Pa，明顯高于原型方案的1.8kg/s，故優(yōu)化方案2達到對YKK空空冷中高壓三相異步電動機內(nèi)風扇原型優(yōu)化效果最為明顯。