李民* 劉波 曹志遠/西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院

某電動機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)一體化數(shù)值模擬研究*

李民* 劉波 曹志遠/西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院

0 引言

通風(fēng)機廣泛應(yīng)用于工廠（電廠、鋼廠）、礦井、隧道、車輛、船舶等通風(fēng)和冷卻，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中起到至關(guān)重要的作用。通風(fēng)換熱系統(tǒng)對電動機的安全運行有很大影響，通風(fēng)機和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計若不合理，將導(dǎo)致通風(fēng)機耗功量大，增大電動機負荷；或內(nèi)部局部超溫，甚至產(chǎn)生重大安全問題[1-2]。

電動機內(nèi)部通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為其冷卻通風(fēng)機設(shè)計造成較大困難。CFD技術(shù)手段，因具有成本低、速度快、可模擬實驗研究難以實現(xiàn)的工況等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于熱能動力領(lǐng)域。文獻[3-6]將CFD技術(shù)應(yīng)用于汽輪發(fā)電機中，解決冷卻介質(zhì)的流場分布和溫度分布問題，以實現(xiàn)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。但是，現(xiàn)有文獻中對電動機冷卻系統(tǒng)的研究大多僅限于對其風(fēng)機性能的研究[7-8]，針對冷卻風(fēng)機和電動機內(nèi)部流場一體化研究較為少見；由于電動機內(nèi)部通風(fēng)流路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通風(fēng)機和電動機通風(fēng)流路又是一個整體，電動機冷卻風(fēng)路對通風(fēng)機流場影響較大，所以，單獨改善通風(fēng)機的性能不意味著整體效果的改善，因此，冷卻風(fēng)機和電動機內(nèi)部通風(fēng)流場一體化研究極為必要。

鑒于此，本文采用三維數(shù)值模擬方法，針對某電動機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，首先對其通風(fēng)機進行多工況數(shù)值研究，得到了通風(fēng)機的流量-效率及流量-壓升特性；其次，對通風(fēng)機和電動機內(nèi)部冷卻系統(tǒng)進行一體化建模，分塊多區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，對整個通風(fēng)冷卻系統(tǒng)流場進行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進行流場分析，并針對結(jié)果提出了改進建議。研究結(jié)果已用于指導(dǎo)該型電動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化。

1 研究對象

電動機軸頭通風(fēng)機性能參數(shù)及說明見表1。

表1 通風(fēng)機性能參數(shù)及說明表

通風(fēng)機葉輪三維圖形見圖1。

圖1 通風(fēng)機三維視圖

2 數(shù)值模擬方法

2.1 三維建模

建模時，僅將物理模型中的通流區(qū)域提取出作為計算區(qū)域，固體結(jié)構(gòu)不予考慮。

2.1.1 通風(fēng)機部分通流區(qū)域建模

計算通風(fēng)機特性時，為充分考慮電動機通風(fēng)流路對風(fēng)機流場影響，并為數(shù)值模擬風(fēng)機特性作適當合理簡化，通風(fēng)機流場計算區(qū)域取電動機通風(fēng)冷卻流路進口到電動機定子鐵芯處，而不是常見文獻中取一個規(guī)則的回轉(zhuǎn)體。圖2、圖3分別給出了通風(fēng)機計算區(qū)域三維視圖和剖視圖。

圖2 通風(fēng)機計算區(qū)域三維視圖

圖3 通風(fēng)機計算區(qū)域剖視圖

2.1.2 電動機冷卻風(fēng)路建模

電動機冷卻風(fēng)路整體建模如圖4所示，流場計算域自冷卻風(fēng)路進口到其出口。由于冷卻氣體排入大氣，而其出口并不像風(fēng)機出口那樣比較規(guī)則，因此，將出口做適當延伸。

圖4 電動機三維視圖

2.2 網(wǎng)格劃分

基于該計算模型的特點，即幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并有旋轉(zhuǎn)件，網(wǎng)格劃分時采用分塊和局部加密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，將通流區(qū)域分為兩部分——包圍通風(fēng)機隨通風(fēng)機旋轉(zhuǎn)的流場區(qū)域和在通風(fēng)機外圍不隨通風(fēng)機旋轉(zhuǎn)的流場區(qū)域。分塊用四面體/六面體/楔形體單元劃分網(wǎng)格，最終得到完全非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

2.2.1 通風(fēng)機計算區(qū)域

分塊將通風(fēng)機計算區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 計算網(wǎng)格圖

2.2.2 電動機通風(fēng)流路

對通風(fēng)機所在流場區(qū)域、通風(fēng)機外部流場區(qū)域及電動機通風(fēng)流路出口分塊采用四面體/六面體/楔形體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對定子鐵芯通風(fēng)流路采用Cooper方法進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 電動機網(wǎng)格劃分圖

2.3 數(shù)值模擬方法

計算采用多重參考坐標系（MRF），旋轉(zhuǎn)區(qū)域流場計算采用運動參考系方程求解，靜止區(qū)域流場采用靜止參考系方程求解，在不同類型的流場區(qū)域中均得到定常解。

采用Simplec算法對通風(fēng)機內(nèi)定常流場進行數(shù)值模擬，壓力方程的離散采用標準格式，動量方程、湍動能與耗散率輸運方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式。在迭代計算過程中，通過監(jiān)測管路出口單位面積平均總壓力的變化情況來判斷計算是否收斂，松弛系數(shù)需要根據(jù)收斂情況做適當?shù)恼{(diào)整。

湍流模型采用Spalart-Allmaras模型，由于其具有較好的穩(wěn)定性并且能夠處理復(fù)雜的流動，因此應(yīng)用很廣泛。

計算通風(fēng)機特性時，保持通風(fēng)機進口總溫、總壓和進口氣流方向不變，調(diào)節(jié)不同背壓值，得到通風(fēng)機的流量-效率和流量-壓升特性曲線。

2.4 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模擬時，按照通風(fēng)機設(shè)計參數(shù)，工質(zhì)為理想氣體，給定進口總壓（101 325Pa）、進口總溫（20℃）和進口氣流方向（軸向進氣），出口給定靜壓。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 通風(fēng)機特性分析

由圖7可知，隨進口空氣流量的增加，效率先逐漸增加，在流量為0.21m3/s時，效率到達最高點17.53％，之后隨流量增加而減??；由圖8可知，在小流量下壓升較高，流量在0.21m3/s以下時，總壓升約為55～60Pa，隨流量的繼續(xù)增加，總壓升呈遞減趨勢，計算區(qū)間內(nèi)最高總壓升約59.17Pa。

由通風(fēng)機特性曲線圖看，總壓升和效率均較低。在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，最大壓升約59.2Pa，最高效率約17.5％。效率較低的原因主要是，其外殼獨特、進出氣條件差、葉片簡化等，另后部電動機的通風(fēng)流路形狀復(fù)雜，數(shù)值模擬時為準確研究冷卻系統(tǒng)對通風(fēng)機流場影響，通風(fēng)機流場區(qū)域還包含了部分電動機的復(fù)雜流路。

圖7 流量-效率特性圖

圖8 流量-壓升特性圖

3.2 通風(fēng)機特征截面流場分析

通風(fēng)機最高效率點流場見圖9和圖10。由圖9和圖10可知，通風(fēng)機進口氣流較均勻，而近圓柱形結(jié)構(gòu)的輪轂，存在對氣流產(chǎn)生阻礙作用，輪轂正前方的氣流速度較小，且圓柱周圍流場存在旋渦區(qū)域，這對通風(fēng)機性能提升起到一定阻礙作用；進口四周氣流受到風(fēng)罩角區(qū)回流區(qū)的影響，速度較小，也對通風(fēng)流量提高不利；中部氣流較為平滑，氣流沿軸向流入通風(fēng)機，流場均勻。

靠近葉片區(qū)域流體受葉片帶動，氣流速度較高，并沿葉根到葉尖速度逐漸增大；通風(fēng)機后部通風(fēng)流路位于通風(fēng)機外圓周，由于其影響，氣流經(jīng)通風(fēng)機后向四周斜向流出，在通風(fēng)機后部角區(qū)形成多處旋渦。氣流的大角度折轉(zhuǎn)和角區(qū)的旋渦都使得通風(fēng)機損失增大，而通風(fēng)機出口面積較小，對氣流順暢流出形成一定阻礙。

通風(fēng)機出口大部分均被電動機阻擋，且葉輪和風(fēng)罩間距較大，靠近風(fēng)罩邊緣氣流速度較低，而葉尖區(qū)氣流速度較高，在葉輪的帶動下，葉尖和風(fēng)罩間形成了旋渦區(qū)，進一步降低了性能。

圖9 Z=0截面速度大小云圖

圖10 Z=0截面流線圖

3.3 電動機整體通風(fēng)流路特征截面流場分析

圖11和圖12給出了電動機整體通風(fēng)流路特征截面流場。由圖可知，電動機整體通風(fēng)流路流場中，通風(fēng)機部分流場和單獨計算時類似，流場較紊亂，在風(fēng)罩角區(qū)出現(xiàn)明顯旋渦。與3.2節(jié)相比，旋渦區(qū)域更靠近通風(fēng)機進口，并且由于電動機通風(fēng)流路影響，其旋渦區(qū)域有擴大趨勢。通風(fēng)機最高效率點工況，獨立考慮時旋渦僅出現(xiàn)于葉尖區(qū)域，而一體化數(shù)值模擬時，旋渦區(qū)域擴大到占據(jù)葉尖20％葉展區(qū)域。電動機端蓋部分流場較均勻，氣流速度約6～8m/s；定子鐵芯內(nèi)氣流速度均勻，約6m/s；定子鐵芯出口到端蓋部分氣體流入大氣，速度逐漸在減小。

通風(fēng)機/電動機通風(fēng)流路一體化數(shù)值模擬得到了豐富的通道流場信息，還能得到較為準確的通風(fēng)機部分流場特征，為通風(fēng)機的進一步優(yōu)化設(shè)計提供有力的參考依據(jù)。

圖11 Z=0截面速度大小云圖

圖12 Z=0截面流線圖

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對某電動機冷卻風(fēng)機進行特性數(shù)值模擬，并成功地對電動機內(nèi)部冷卻系統(tǒng)/通風(fēng)機進行一體化數(shù)值模擬，還根據(jù)通風(fēng)機和電動機內(nèi)部冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果進行流場分析。結(jié)論如下：

1）未考慮電動機冷卻系統(tǒng)真實環(huán)境，三維建模時風(fēng)機處于電動機冷卻系統(tǒng)中，因通流部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜、特殊，通風(fēng)機數(shù)值模擬結(jié)果顯示，效率較普通通風(fēng)機低；

2）通風(fēng)機主要損失區(qū)域位于通風(fēng)機輪轂前方、葉尖間隙及通風(fēng)機后部復(fù)雜的氣流通道內(nèi)。通風(fēng)機輪轂為近圓柱結(jié)構(gòu)，前方來流在圓柱周圍急劇轉(zhuǎn)彎，造成流動損失；另外，該通風(fēng)機葉尖間隙較大，且風(fēng)罩為八角結(jié)構(gòu)而非圓形，在葉尖存在較大的漩渦區(qū)域；電動機內(nèi)部冷卻流路的復(fù)雜結(jié)構(gòu)更進一步增大了風(fēng)機的流動損失；

3）文中成功地進行了電動機內(nèi)部冷卻系統(tǒng)/通風(fēng)機一體化數(shù)值模擬。結(jié)果表明，通風(fēng)機部分流場特性與單獨數(shù)值模擬結(jié)果類似，氣流損失位置不變。一體化數(shù)值模擬結(jié)果為電動機通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計提供了詳細的流場結(jié)構(gòu)特征；

4）通風(fēng)機流場優(yōu)化建議：通風(fēng)機葉型進行三維氣動優(yōu)化；減小通風(fēng)機葉尖間隙，將八角形風(fēng)罩改為圓柱形，減少八角形角區(qū)氣動損失。

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對某艦艇電動機軸頭通風(fēng)機及其冷卻系統(tǒng)進行一體化建模，采用三維數(shù)值模擬方法，成功地對通風(fēng)機和電動機內(nèi)部風(fēng)冷系統(tǒng)整體進行流場計算，并對數(shù)值模擬結(jié)果進行分析。研究發(fā)現(xiàn)：通風(fēng)機處于電動機冷卻系統(tǒng)中，通風(fēng)流路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，定子形狀特殊，效率較普通通風(fēng)機低；通風(fēng)機其主要損失區(qū)域位于輪轂前方、葉尖間隙處、及通風(fēng)機后部復(fù)雜的氣流通道內(nèi)。電動機內(nèi)部通風(fēng)冷卻系統(tǒng)/通風(fēng)機一體化數(shù)值模擬為電動機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。

電動機；通風(fēng)機；通風(fēng)冷卻系統(tǒng)；一體化；數(shù)值模擬

Numerical Simulation Research on Motor Ventilation Cooling System Integration

Li Min,Liu Bo,Cao Zhiyuan/School of Power＆amp;Energy,Northwestern Polytechnical University

motor;ventilator;ventilation cooling system;integration;numerical simulation

TH43;TK05

A

1006-8155（2015）01-0018-05

10.16492/j.fjjs.2015.01.042

國家自然科學(xué)基金重點項目資助（51236006）

*本文其他作者：李民/中國人民解放軍92830部隊

2014-03-05陜西西安710072

Abstract:Using the three-dimensional numerical simulation method,the integrated modeling of the ventilator and ventilation cooling system on a vessel motor was carried out.The whole flow fields of the ventilator and the cooling ventilation system inside of the motor was successfully simulated,and the flow fields of both the ventilator and the cooling ventilation system were analyzed detailedly.It indicates that,as the structure of the cooling system is complicated，and the shape of the stator is special,the ventilator efficiency is lower than those of common ventilator.The main loss region was located in the front wheel hub of the ventilator,the tip clearance,and the complicated flow channel in the back of the ventilator.The integrative numerical simulation of the motor internal ventilation cooling system/ventilator offered some guides for the future optimization design of the motor ventilation cooling system.