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(chǎng)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(zhuān)家丁樹(shù)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(wèn)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(wèn)題，但電機(jī)內(nèi)部整體風(fēng)量分配問(wèn)題依然沒(méi)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(wèn)題提供了較為簡(jiǎn)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(lái)，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(jiǎn)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(guó)外也有大量專(zhuān)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(chǎng)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(chǎng)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(wèn)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(chǎng)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(xiě)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(chǎng)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(guò)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(chēng)風(fēng)路,故建立1/2(一半)電機(jī)簡(jiǎn)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(mǎn)足溫升考核標(biāo)準(zhǔn)的前提。簡(jiǎn)化起見(jiàn)，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(jiǎn)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(guò)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?xún)?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(jiàn)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。