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        大型異步電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)三維計(jì)算分析

        2020-06-28 06:05:16李倩倩
        上海大中型電機(jī) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:機(jī)座風(fēng)阻氣隙

        李倩倩

        (上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司,上海 200240)

        0 引言

        電機(jī)市場對(duì)高轉(zhuǎn)速、大容量的機(jī)組需求日益增加,而電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一直是需要攻克的核心難題[1]。目前,電機(jī)采用空-空冷卻器的比較多,冷卻器外風(fēng)路的流動(dòng)空氣帶走電機(jī)內(nèi)風(fēng)路中電機(jī)產(chǎn)生的熱量,影響電機(jī)冷卻的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確計(jì)算通風(fēng)以及合理分配風(fēng)量。

        電機(jī)著名專家丁樹業(yè)提出電機(jī)內(nèi)繞流物性的概念,并采用有限體積元法對(duì)單風(fēng)路電機(jī)內(nèi)部繞流問題進(jìn)行了研究,將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,解決了電機(jī)內(nèi)部徑向散熱系數(shù)問題,但電機(jī)內(nèi)部整體風(fēng)量分配問題依然沒有解決[2]。文獻(xiàn)[3]根據(jù)電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體流動(dòng)情況以及空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)提出了等效風(fēng)路網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法,適用于異步電動(dòng)機(jī),對(duì)復(fù)雜風(fēng)路計(jì)算問題提供了較為簡便的解決方法。文獻(xiàn)[4]將定轉(zhuǎn)子的相互作用全面考慮進(jìn)來,將整個(gè)電機(jī)作為一個(gè)整體,并且以電機(jī)端部的離心風(fēng)扇作為入口邊界條件,定子上端風(fēng)道作為出口邊界條件,對(duì)電機(jī)進(jìn)行三維仿真,得出了計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合的結(jié)論。此文獻(xiàn)只是將電機(jī)進(jìn)行整體建模并對(duì)其進(jìn)行簡單仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,并未對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比。國外也有大量專家對(duì)電機(jī)風(fēng)路進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)[5]對(duì)電機(jī)內(nèi)通風(fēng)產(chǎn)生的渦流情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。文獻(xiàn)[6]將定轉(zhuǎn)子之間的氣隙作為靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行求解,給出了相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)。文獻(xiàn)[7]將電機(jī)結(jié)構(gòu)作為二維場進(jìn)行求解。上述兩個(gè)文獻(xiàn)都是對(duì)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)求解,并未對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

        本文采用三維軟件Starccm+對(duì)大型異步電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三種方案的改進(jìn),以期優(yōu)化大型異步電機(jī)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)。

        1 流體流動(dòng)特性分析方法

        本文采用有限元法仿真計(jì)算電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的氣流速度和壓力分布。軟件版本號(hào):Star-CCM+12.06。

        電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)有雙重冷卻系統(tǒng),使得其內(nèi)部冷卻通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致其內(nèi)部冷卻流體的流動(dòng)特性多變難控。因此,對(duì)電機(jī)流體場的理論分析和數(shù)學(xué)物理模型建模須提出必要的假設(shè)和邊界條件。

        1.1 邊界條件

        電機(jī)入口風(fēng)速計(jì)算如下:

        (1)

        (2)

        式中:S為入口面積;P為電機(jī)損耗;CV為流體比熱容;T為流體溫度。

        1.2 控制方程

        結(jié)合電機(jī)內(nèi)部介質(zhì)的特點(diǎn),可總結(jié)出流體流動(dòng)的控制方程為:

        (1) 質(zhì)量守恒方程[8]

        即流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程,任何介質(zhì)流動(dòng)問題都遵循質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒方程為:

        (3)

        式中:ρ為流體的密度;t為時(shí)間;u、v和w分別為速度矢量在x、y和z方向上的分量。

        由于電機(jī)內(nèi)冷卻流體作定常流動(dòng),且流體為不可壓縮,流體的密度ρ是常數(shù),因而電機(jī)內(nèi)部流體場三維模型下的不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)質(zhì)量守恒方程為:

        (4)

        (2) 動(dòng)量守恒方程[9]

        動(dòng)量守恒方程為:

        (5)

        式中:p為流體微元體上的壓力;μ為動(dòng)力黏度;Su、Sv、Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

        (3) 能量守恒方程

        對(duì)于轉(zhuǎn)子本體及通風(fēng)道內(nèi)流,可寫出通用形式的能量守恒方程:

        ▽(ρuT)=▽(ΓgradT)+ST

        (6)

        式中:u為絕對(duì)速度;T為溫度;Γ為擴(kuò)散系數(shù);ST為單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與cp的比值。

        1.3 湍流模型[10]

        將質(zhì)量力或在重力場中壓力項(xiàng)代表流體動(dòng)壓力忽略不計(jì)時(shí),即流體可視為不可壓縮流體,可采用包含湍流方程的瞬時(shí)N-S方程、雷諾方程和時(shí)均連續(xù)方程建立整體的控制方程組,通過推導(dǎo)得到如下的兩方程湍流k-ε控制方程組數(shù)學(xué)表達(dá):

        (7)

        2 計(jì)算流體域及網(wǎng)格剖分

        為便于對(duì)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析,根據(jù)電機(jī)初步設(shè)計(jì)方案,電機(jī)為對(duì)稱風(fēng)路,故建立1/2(一半)電機(jī)簡化三維模型用于分析電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)。圖1為三維流體模型示意圖。

        圖1 三維流體模型

        電機(jī)內(nèi)部冷卻空氣的良好循環(huán)是確保電機(jī)滿足溫升考核標(biāo)準(zhǔn)的前提。簡化起見,三維建模只計(jì)算冷卻空氣對(duì)應(yīng)的流體域,忽略電機(jī)定轉(zhuǎn)子及壓圈對(duì)應(yīng)的固體域及其對(duì)流體域的熱影響,得到如圖2所示的計(jì)算流體域。

        方案一改變電機(jī)機(jī)座寬度,機(jī)座寬以2 600 mm增加至2 800 mm;方案二將離心風(fēng)扇改變?yōu)檩S流風(fēng)扇;方案三將軸與筋之間的通道截面積減小。如圖3所示,為了方便表示,后文分別以“方案一”、“方案二”、“方案三”簡化表述。

        圖2 計(jì)算流體域

        圖3 網(wǎng)格

        進(jìn)口邊界條件:

        對(duì)于本計(jì)算涉及的電動(dòng)機(jī),表1給出了額定轉(zhuǎn)速工況下對(duì)應(yīng)的空氣流量。表2給出了計(jì)算時(shí)空氣的物性參數(shù)。

        表1 不同工況空氣流量

        表2 空氣物性參數(shù)

        注:電機(jī)進(jìn)口溫度按40 ℃、溫升30 ℃計(jì)算,物性參數(shù)在定性溫度55 ℃時(shí)獲得(電機(jī)損耗524.65 kW)。

        3 計(jì)算結(jié)果與分析

        方案一,增大機(jī)座寬度。機(jī)座寬由2 600 mm增加至2 800 mm。

        圖4為給出增大機(jī)座寬度前后的軸向壓力云圖和速度云圖。

        圖4 壓力云圖

        圖4是兩種機(jī)座寬度的壓力云圖,從圖中可以看出風(fēng)阻主要集中在定轉(zhuǎn)子間氣隙的位置,增大機(jī)座后的主要風(fēng)阻位置。圖5是電機(jī)的速度云圖,空氣流量為8.67 kg/s;通過圖片可以看出,轉(zhuǎn)子區(qū)域流速較大,渦流區(qū)域主要集中在離心風(fēng)扇與轉(zhuǎn)子之間。表3給出計(jì)算的電機(jī)風(fēng)阻結(jié)果。

        圖5 速度云圖

        表3 給出計(jì)算的電機(jī)風(fēng)阻結(jié)果

        從上述結(jié)果可以看出,機(jī)座寬度從2 600 mm增大到2 800 mm對(duì)電機(jī)風(fēng)阻影響不大。一般情況下,為了增加電機(jī)內(nèi)部風(fēng)壓,可直接在電機(jī)內(nèi)部加軸流風(fēng)扇或外加鼓風(fēng)機(jī)。但對(duì)此電機(jī),嘗試將離心風(fēng)扇去掉,加軸流風(fēng)扇方案二,再進(jìn)行三維仿真計(jì)算其效果。

        方案二,去掉離心風(fēng)扇加軸流風(fēng)扇。

        先選擇兩種風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)比分析,一種是單翼型風(fēng)扇,另一種是風(fēng)扇1風(fēng)扇。圖6為兩種風(fēng)扇模型示意圖。

        風(fēng)扇網(wǎng)格如圖7所示。

        風(fēng)扇風(fēng)壓特性曲線計(jì)算結(jié)果如表4所示。

        圖6 風(fēng)扇模型

        圖7 風(fēng)扇網(wǎng)格模型

        表4 風(fēng)扇1和單翼型風(fēng)壓特性

        為了方便對(duì)比分析顯示,將表格轉(zhuǎn)換為圖8曲線。

        圖8 風(fēng)扇1和單翼型風(fēng)壓特性曲線

        由風(fēng)扇的風(fēng)壓特性曲線可知,由于研究電機(jī)的流量為8.67 kg/s,因此擇優(yōu)選擇單翼型風(fēng)扇,其壓力云圖和流速圖如圖9、圖10所示。

        圖9 壓力云圖

        由壓力云圖可以看出,將離心風(fēng)扇去掉改用軸流風(fēng)扇,其軸與筋之間流體通道的風(fēng)阻對(duì)于整體結(jié)構(gòu)減小,從圖10可以看出,流體流入軸與筋之間通道的流量增大,但氣隙流體流量相對(duì)減少。仿真出的結(jié)果是電機(jī)整體風(fēng)阻增加至1 100 Pa,由此可以驗(yàn)證氣隙的流量對(duì)電機(jī)的影響比重較大。為了減小電機(jī)風(fēng)阻應(yīng)該增加氣隙流體流量,而減少電機(jī)軸與筋之間流量。為此,同時(shí)再提出方案三,優(yōu)化減少軸與筋之間的流量。

        圖10 速度云圖

        方案三,在軸與筋流體通道處加高以優(yōu)化減少軸與筋之間的流體流量,進(jìn)而增加氣隙流量。

        加高堵住的高度有5 mm、10 mm、15 mm、20 mm和30 mm多項(xiàng)選擇。由于計(jì)算圖片太多,下面只給出加堵10 mm高度的壓力云圖和速度云圖,見圖11。

        圖11 壓力云圖和速度云圖

        表5 風(fēng)阻

        由上述結(jié)果可知,減小軸與筋之間的流體流量,即間接增加氣隙流量可減小電機(jī)風(fēng)阻。

        4 結(jié)論

        (1) 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與冷卻器系統(tǒng)相匹配;

        (2) 電機(jī)機(jī)座寬度從2 600 mm增加至2 800 mm,對(duì)電機(jī)風(fēng)阻影響效果不大;

        (3) 軸流風(fēng)扇外徑1 000 mm時(shí)與電機(jī)系統(tǒng)配合良好;

        (4) 合理減小軸與筋之間流體流量,有助減小電機(jī)風(fēng)阻。

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