朱恩旭,蔡合超,陳偉偉,安海峰,王一品

(1． 信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,信陽(yáng) 464000; 2． 臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司,南陽(yáng) 473008)

0 引言

YXKK箱式空空冷系列電機(jī)具有低中心高、高功率密度、低溫低噪、高能效等優(yōu)點(diǎn),且在產(chǎn)品運(yùn)行和使用過程中具備安全、維修互換便利等優(yōu)勢(shì),同時(shí)又滿足國(guó)家各項(xiàng)能效檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保指標(biāo)。箱式系列電機(jī)應(yīng)用覆蓋面廣泛、涉及行業(yè)多種多樣,主要在石油石化、礦山機(jī)械、電力化工、煤炭鋼鐵等工況中作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。因此,縮短該系列電機(jī)的生產(chǎn)周期,達(dá)到大規(guī)模批量化生產(chǎn)尤為重要。

當(dāng)前YXKK系列電機(jī)機(jī)座的主打結(jié)構(gòu)為鋼板焊接件,也就是將不同外形尺寸的鋼板件依照相應(yīng)的裝配尺寸和工藝路線焊接組裝成一個(gè)穩(wěn)固牢靠的整體;其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在對(duì)于同一通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的中心高電機(jī),鋼板機(jī)座適用于該中心高下不同功率檔、不同轉(zhuǎn)速下的所有電機(jī)。鋼板機(jī)座雖然能夠提前進(jìn)行生產(chǎn)、預(yù)存?zhèn)浼?但是焊接工序較多、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)且材料成本和整機(jī)重量均是升高的。因此針對(duì)YXKK量大面廣的中心高產(chǎn)品提出鑄鐵機(jī)座配置方案,實(shí)現(xiàn)箱式鑄鐵機(jī)座設(shè)計(jì),使該中心高下所有類型規(guī)格的電機(jī)所用機(jī)座相同。在一定程度上減少了生產(chǎn)加工時(shí)間的同時(shí),也綜合降低了電機(jī)成本,提升了YXKK產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前,已有文獻(xiàn)[1]論述了緊湊型YB系列電機(jī)鋼板機(jī)座改為鑄鐵機(jī)座對(duì)電機(jī)溫升的影響;文獻(xiàn)[2]對(duì)鑄鐵機(jī)座電機(jī)節(jié)能方面進(jìn)行了分析講解;文獻(xiàn)[3]通過對(duì)高壓緊湊型電機(jī)薄壁球墨鑄鐵機(jī)座制造過程中遇到的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析,制定了相關(guān)工藝改進(jìn)措施。本文以YXKK355-4 355 kW 10 kV單側(cè)風(fēng)路冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)該型號(hào)電機(jī)在鋼板機(jī)座與鑄鐵機(jī)座兩種情況下的材料及應(yīng)用方面進(jìn)行對(duì)比,并對(duì)這兩種機(jī)座結(jié)構(gòu)采用FLUENT軟件進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬分析計(jì)算,同時(shí)對(duì)該電機(jī)的鑄鐵機(jī)座進(jìn)行了固有頻率和強(qiáng)度方面的模擬分析計(jì)算。

1 鋼板機(jī)座與鑄鐵機(jī)座材料及應(yīng)用方面對(duì)比

1．1 材料方面對(duì)比

鋼板機(jī)座所用材料多為低碳鋼(1%C,即含碳量1%),導(dǎo)熱系數(shù)43.2 W/(m·k);鑄鐵機(jī)座所用材料多為HT250灰鑄鐵(3%C,即含碳量3%),導(dǎo)熱系數(shù)39.2 W/(m·k)。較之于低碳鋼,鑄鐵的塑性、焊接性和基體組織的均勻性雖然都較差,但其含碳量要遠(yuǎn)高于低碳鋼,鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、韌性和塑性要比同樣基體的低碳鋼要低得多。雖然鑄鐵的機(jī)械性能不如鋼,但鑄鐵中的石墨因素大大提升了其基體組織和性能。鑄鐵熔點(diǎn)在1 148～1 400 ℃之間,鐵水流動(dòng)性好,且石墨在結(jié)晶過程中會(huì)促使其體積膨脹,大大降低了收縮性,所以鑄鐵多用于鑄件。

1．2 應(yīng)用方面對(duì)比

鋼板機(jī)座焊接量大,生產(chǎn)效率低;而鑄鐵機(jī)座所用鑄造模具可反復(fù)使用,容易制作、成本低、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)效率高。鑄鐵的價(jià)格比低碳鋼價(jià)格低,在大規(guī)模批量生產(chǎn)的前提下,采用鑄鐵件的成本比鋼板焊接加工零件的成本要低的多。

2 電機(jī)溫度場(chǎng)仿真模擬及結(jié)果分析

2．1 電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)

YXKK系列電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)是由封閉式內(nèi)風(fēng)路和開放式外風(fēng)路組成的,內(nèi)風(fēng)路屬于軸徑向多段分流式通風(fēng)循環(huán)結(jié)構(gòu),通過軸伸端離心風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)增壓所提供的壓力,驅(qū)使內(nèi)部流體流動(dòng),構(gòu)成循環(huán)風(fēng)路。外風(fēng)路同樣在離心外風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)作用下,迫使外部低溫氣體進(jìn)入冷卻管內(nèi)部,通過冷卻管管壁與電機(jī)內(nèi)部的高溫氣體進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱,從而達(dá)到降低內(nèi)部空氣溫度和繞組溫升的目的。電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

2．2 基本假設(shè)

根據(jù)電機(jī)特征以及機(jī)座的換熱特性,對(duì)該電機(jī)的分析模型進(jìn)行下列假定,并采用Fluent分析軟件進(jìn)行模擬計(jì)算[4-6]。

(1) 流體域流體的雷諾數(shù)很大(Re>2300),流體此時(shí)處于湍流流動(dòng)狀態(tài),故采用湍流模型對(duì)電機(jī)機(jī)座內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬;

(2) 假定電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)的浮力和重力不存在;

(3) 研究電機(jī)流體域流體流速的穩(wěn)定狀態(tài),即定常流動(dòng),控制方程中不含時(shí)間項(xiàng);

(4) 將電機(jī)定子鐵心疊壓硅鋼片看成一個(gè)整體進(jìn)行建模;

(5) 定子槽內(nèi)多匝繞組作為一個(gè)整體建模,并忽略繞組的集膚效應(yīng);

(6) 假定槽楔近似與槽同寬;

(7) 假定電機(jī)內(nèi)各部件緊密接觸,無(wú)接觸熱阻;

(8) 忽略電機(jī)槽內(nèi)由于制造工藝所帶來(lái)的誤差。

2．3 電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算求解模型

根據(jù)YXKK355-4 355 kW 10 kV單側(cè)風(fēng)路冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),采用三維繪圖軟件Solid Works2016進(jìn)行模型建立,忽略不影響電機(jī)熱流耦合計(jì)算的螺栓結(jié)構(gòu)連接件、密封裝置等部件,簡(jiǎn)化建立仿真分析用兩種機(jī)座通風(fēng)冷卻系統(tǒng)下的電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算物理模型。該物理模型涵蓋了機(jī)座、定子線圈、定子鐵心、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)風(fēng)扇、兩端端蓋等零部件,建立溫度場(chǎng)仿真分析用求解模型如圖2所示。

圖2 溫度場(chǎng)求解模型

其中除了機(jī)座不同外,內(nèi)部定轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)都是相同的,且兩端端蓋和機(jī)座均采用實(shí)際建模方法,將端蓋散熱筋和機(jī)座筋按照與實(shí)際電機(jī)1∶1的比例進(jìn)行求解模型的建立。根據(jù)所見三維模型計(jì)算可得:鋼板機(jī)座電機(jī)整體外表面換熱面積為6.18 m2,鑄鐵機(jī)座電機(jī)整體外表面換熱面積為8.05 m2;鑄鐵機(jī)座電機(jī)整體外表面換熱面積是鋼板機(jī)座的1.3倍。

2．4 邊界條件

采用多面體網(wǎng)格劃分軟件Fluent meshing19．2對(duì)所建立的溫度場(chǎng)3D求解模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,保證網(wǎng)格質(zhì)量至少達(dá)到0.25。該電機(jī)是根據(jù)實(shí)物所構(gòu)成的熱流耦合空間來(lái)進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算的,因此需要對(duì)進(jìn)口邊界和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)置邊界條件。

(1) 環(huán)境溫度20 ℃,進(jìn)口邊界采用整機(jī)流場(chǎng)得到的流量,鋼板機(jī)座內(nèi)風(fēng)路進(jìn)口流量為0.439 m3/s,鑄鐵機(jī)座內(nèi)風(fēng)路進(jìn)口流量為0.444 m3/s;根據(jù)外風(fēng)路得到的冷卻風(fēng)量和能量守恒關(guān)系計(jì)算得到進(jìn)口溫度為30 ℃,出風(fēng)口為壓力出口設(shè)置為0 Pa;機(jī)殼外表面為自然對(duì)流換熱,對(duì)流換熱系數(shù)為9.73 W/(m2·K)。

(2) 電機(jī)流體旋轉(zhuǎn)模擬時(shí)采用MRF參考系數(shù),轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

(3) 采用k-epsilon Realizable Enhanced湍流模型進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬計(jì)算[6]。

2．5 數(shù)學(xué)模型

在工程實(shí)際應(yīng)用中,電機(jī)流體的速度要遠(yuǎn)小于聲速,且空氣的密度幾乎保持不變,故在該文中將空氣定性為不可壓縮氣體。電機(jī)流體的流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程,其相應(yīng)的控制方程如下[7-10]。

(1) 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程即連續(xù)性方程,是任何流動(dòng)問題都必須滿足的控制方程。質(zhì)量守恒方程可表述為:

式中:u、v、w分別為x、y和z方向的速度分量。

(2) 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程也稱作運(yùn)動(dòng)方程即N-S方程,x、y、z三個(gè)方向的動(dòng)量守恒方程為:

式中:ρ為密度;p為壓力;τxx、τyx和τzx等為黏性應(yīng)力τ的分量。解決任何流動(dòng)系統(tǒng)問題也必須滿足動(dòng)量守恒方程這一基本方程。

(3) 能量守恒方程

式中:cP為比熱容;T為溫度;k為流體的傳熱系數(shù);ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分,有時(shí)簡(jiǎn)稱ST為黏性耗散項(xiàng)。

2．6 溫度場(chǎng)特性分析

圖3為通過云圖可視化展現(xiàn)了鋼板機(jī)座和鑄鐵機(jī)座的軸截面溫度分布境況?？梢园l(fā)現(xiàn)這兩張溫度云圖的溫度范圍是一致的。

圖3 機(jī)座軸截面溫度云圖

對(duì)比可知:兩種方案轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和轉(zhuǎn)子鐵心溫度變化不大,這是由于進(jìn)風(fēng)口溫度一樣且進(jìn)口流量變化很小,且由于氣隙的存在導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子部位換熱較差。雖然鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)43.2 W/(m·k)略大于鑄鐵的導(dǎo)熱系數(shù)39.2 W/(m·k),但是鋼板機(jī)座方案的定子鐵心和定子線圈溫度要高于鑄鐵機(jī)座方案。一方面是因?yàn)殍T鐵機(jī)座定子鐵心背部到機(jī)座壁空腔距離小,因此背部對(duì)流與機(jī)座表面換熱更為充分;另一方面定子鐵心背部與機(jī)座表面的換熱還是對(duì)流為主,一般考慮的還是對(duì)流換熱系數(shù),空氣無(wú)對(duì)流的導(dǎo)熱熱阻非常大。兩種方案各部位的平均溫度對(duì)比如圖4所示。

圖4 兩種方案各部位平均溫度對(duì)比

兩種方案轉(zhuǎn)子部位平均溫度一樣,鑄鐵機(jī)座較之鋼板機(jī)座定子鐵心平均溫度低了5 K,定子線圈平均溫度低了6 K。證明了在通風(fēng)散熱方面鑄鐵機(jī)座結(jié)構(gòu)要優(yōu)于鋼板機(jī)座結(jié)構(gòu)。

3 鑄鐵機(jī)座剛度和強(qiáng)度分析

以箱式Y(jié)XKK355-4 355 kW 10 kV電機(jī)機(jī)座為研究對(duì)象,該機(jī)座采用HT250灰鑄鐵鑄造,利用SolidWorks繪制其三維模型,Ansys計(jì)算其固有頻率和強(qiáng)度。

通過模態(tài)分析對(duì)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核,降低電機(jī)在后續(xù)生產(chǎn)試驗(yàn)和使用中的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn),確保結(jié)構(gòu)的固有頻率避開激勵(lì)頻率且有足夠的隔離裕度。該電機(jī)的一階模態(tài)為73.784 Hz,與工作轉(zhuǎn)速50 Hz的隔離裕度為47.57%,滿足15%的隔離裕度要求,如圖5所示。

圖5 箱式355電機(jī)一階模態(tài)振型

通過強(qiáng)度分析對(duì)電機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核,確保電機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力滿足材料許用應(yīng)力的要求。電機(jī)機(jī)座強(qiáng)度的主要校核對(duì)象為電機(jī)的吊環(huán)結(jié)構(gòu),在電機(jī)吊裝過程中,電機(jī)吊環(huán)往往承受相當(dāng)于數(shù)倍其自身重力的拉力。參考GE電機(jī)公司對(duì)鑄鐵機(jī)座電機(jī)吊環(huán)強(qiáng)度的相關(guān)規(guī)定,且針對(duì)大中型電機(jī)在起吊過程中可能存在起吊速度不均勻、搖擺等危險(xiǎn)情況,為保證電機(jī)在生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中的安全性,采用5倍電機(jī)總重力作為本次分析電機(jī)吊環(huán)的受力條件,吊裝角度為30°,運(yùn)用仿真技術(shù)模擬吊環(huán)的受力情況。在電機(jī)5倍總重力下的單個(gè)吊環(huán)強(qiáng)度為66.178 MPa,安全系數(shù)為3.78,滿足強(qiáng)度要求。機(jī)座強(qiáng)度起吊考慮5倍重力過于保守;且兩相短路等極端工況未分析考核,如圖6所示。

圖6 箱式355機(jī)座吊環(huán)強(qiáng)度

該電機(jī)的額定功率為355kW,額定轉(zhuǎn)矩為1 130 N·m,按6倍額定轉(zhuǎn)矩模擬電機(jī)兩相短路的極端工況,對(duì)電機(jī)機(jī)座進(jìn)行強(qiáng)度有限元仿真計(jì)算。在6倍額定轉(zhuǎn)矩作用下,機(jī)座最大應(yīng)力為6.689 MPa,安全系數(shù)37.37,滿足強(qiáng)度要求,如圖7所示。

圖7 兩相短路下箱式355機(jī)座強(qiáng)度

4 結(jié)論

通過對(duì)鋼板機(jī)座與鑄鐵機(jī)座材料及應(yīng)用方面進(jìn)行對(duì)比分析可知,在生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)效率等方面,鑄鐵機(jī)座均要優(yōu)于鋼板機(jī)座。

相比于鋼板機(jī)座結(jié)構(gòu),鑄鐵機(jī)座結(jié)構(gòu)線圈繞組平均溫升比鋼板機(jī)座低了6 K,證明了在通風(fēng)散熱方面鑄鐵機(jī)座結(jié)構(gòu)同樣優(yōu)于鋼板機(jī)座結(jié)構(gòu)。

鑄鐵機(jī)座完全能夠滿足電機(jī)正常工作的各種條件,且與鋼板機(jī)座相比,大批量生產(chǎn)的情況下成本更低。