高壓濕式潛水電機(jī)水摩擦損耗分析*

鮑曉華， 盛海軍， 單 麗

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥 230009;2.合肥恒大江海泵業(yè)有限公司，安徽合肥 231131)

0 引言

潛水電機(jī)作為水下驅(qū)動的動力源，常與潛水電泵及各種水下機(jī)械配套組合使用。高壓濕式潛水電機(jī)是潛水電機(jī)的一種，常放在礦井中立式運(yùn)行，一般采用細(xì)長結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)部充滿冷卻用的冷卻水，轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)［1］。隨著現(xiàn)在對海洋及礦井開發(fā)的深入，高壓濕式潛水電機(jī)將成為科技研究者主要研究的方向。由于電機(jī)內(nèi)腔充滿冷卻水，轉(zhuǎn)子在水中高速旋轉(zhuǎn)，水的黏度特性比空氣大得多，使得電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械損耗比普通電機(jī)大很多，在電機(jī)總損耗中占有較大的比重。但是，由于濕式潛水電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，準(zhǔn)確計算出摩擦損耗一直是濕式潛水電機(jī)設(shè)計中的一個重要問題。準(zhǔn)確計算轉(zhuǎn)子水摩擦損耗，可以為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計提供依據(jù)。文獻(xiàn)［2］針對潛油電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用流體力學(xué)理論分析并計算了潛油電機(jī)機(jī)械損耗。文獻(xiàn)［3］利用三維流體場分析了高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗。文獻(xiàn)［4］分析了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對高速無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。目前，利用場的方法分析計算高壓濕式潛水電機(jī)水摩擦損耗的文章還很罕見。

基于流體力學(xué)及摩擦學(xué)原理，將流體與固體接觸面設(shè)為耦合邊界條件，比傳統(tǒng)的公式法更能準(zhǔn)確地分析轉(zhuǎn)子水摩擦損耗。利用流體場模型，對高壓濕式潛水電機(jī)轉(zhuǎn)子的水摩擦損耗與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、表面粗糙度及軸向冷卻水流速的關(guān)系進(jìn)行分析，并以6 kV－3 150 kW－4P電機(jī)為例進(jìn)行轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的分析。

1 高壓濕式潛水電機(jī)轉(zhuǎn)子水摩擦損耗分析

1.1 濕式潛水電機(jī)結(jié)構(gòu)

由于工作環(huán)境的特殊性，潛水電機(jī)的結(jié)構(gòu)較一般常用電機(jī)結(jié)構(gòu)有所不同，本文介紹的電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)采用內(nèi)外雙水冷結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)部充滿冷卻水，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)如下:電機(jī)工作時帶動止推軸承下面的泵輪轉(zhuǎn)動，泵輪從冷凝器中抽取的冷卻水經(jīng)止推軸承流過下導(dǎo)軸承，再由轉(zhuǎn)子鐵心部分水道、電機(jī)氣隙及定子鐵心槽空隙部分流到電機(jī)鐵心上端部，再由機(jī)殼部分水道流至冷凝器中(如圖1箭頭所示)，如此反復(fù)循環(huán)。

圖1 高壓濕式潛水電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 水摩擦損耗的傳統(tǒng)公式法計算

潛水電機(jī)內(nèi)腔充滿冷卻用冷卻水，轉(zhuǎn)子在冷卻水中高速旋轉(zhuǎn)，其摩擦損耗主要由三部分組成:轉(zhuǎn)子與冷卻水的摩擦損耗、推力軸承的摩擦損耗及導(dǎo)軸承的摩擦損耗，其中主要作用是轉(zhuǎn)子與冷卻水的摩擦損耗。

1.2.1 轉(zhuǎn)子與冷卻水的摩擦損耗

濕式潛水電機(jī)轉(zhuǎn)子在水中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水摩擦損耗為［5］

式中:D2——轉(zhuǎn)子外圓直徑;

l——轉(zhuǎn)子鐵心長;

n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;

v——轉(zhuǎn)子外圓的圓周速度;

γ——水的重度;

k——與轉(zhuǎn)子運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。

1.2.2 導(dǎo)軸承損耗

當(dāng)氣隙均勻時，理論上不存在單邊磁拉力，導(dǎo)軸承產(chǎn)生的摩擦損耗僅為軸與軸瓦間隙縫中流體的摩擦損耗。但是，由于在加工裝配過程中不可避免的使定、轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻，產(chǎn)生單邊磁拉力，使導(dǎo)軸承損耗加大。一般導(dǎo)軸承的損耗可以由式(2)近似求出［6］:

式中:f——單邊磁拉力;

b——摩擦系數(shù);

D——轉(zhuǎn)子外徑;

ω——轉(zhuǎn)子角速度。

1.2.3 推力軸承摩擦損耗

潛水電機(jī)中，推力軸承用水做潤滑劑，由于水的黏度較小，受溫度的影響卻較大，使得摩擦損耗較難準(zhǔn)確計算，目前常用的估算公式為［6］

式中:G——電機(jī)自重給推力軸承的負(fù)荷;

u——摩擦系數(shù);

r——推力軸承的平均半徑;

ω——轉(zhuǎn)子角速度。

1.3 轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的流體場分析

1.3.1 方程與求解模型

電機(jī)采用水作為冷卻介質(zhì)，電機(jī)中水的雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于2 300，顯然處于紊流狀態(tài)，當(dāng)不計重力場時，根據(jù)黏性流體力學(xué)理論，對不可壓縮流體紊流流動方程，利用時均法，在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行如下描述［7-11］:

u'i——脈動流速;

Fi——質(zhì)量力;

i=x，y，j=x，y，且i≠j;

u——流體黏性系數(shù);

ρ——流體密度。

電機(jī)在運(yùn)行過程中，受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的影響，轉(zhuǎn)子表面的流體既有軸向流動又有沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的切向運(yùn)動，在完全紊流的流場條件下，可推導(dǎo)出如下的標(biāo)準(zhǔn)紊流求解模型［12-16］:

Gk——平均速度梯度引起的湍動能;

σk和σε——分別為湍動能k和耗散率 ε的有效湍流普朗特數(shù)的倒數(shù);

ut——湍流黏性系數(shù)，ut=ρCuk2/ε ;

C

2ε、Cu——常量。

C1ε與流動情況有關(guān)，求解模型如下:

Si，j——流體的時均應(yīng)變率;

η0、β——常量。

1.3.2 基本假設(shè)

文章以6 kV-3 150 kW-4P潛水電機(jī)為例，對轉(zhuǎn)子表面的水摩擦損耗進(jìn)行流場分析。3-D流體場模型如圖2所示。

圖2 高壓潛水電機(jī)3-D流體場模型

在進(jìn)行流體場分析之前，做出以下假設(shè):

(1)冷卻水沿冷卻水流道水平進(jìn)入;

(2)電機(jī)損耗產(chǎn)生的部分熱量在冷卻水道出口處由流體帶走;

(3)指定流體入口為速度入口，出口為壓力出口，設(shè)為大氣壓;

(4)認(rèn)為氣隙交界面為運(yùn)動邊界，在交界面上指定粗糙度和旋轉(zhuǎn)速度;

(5)固體和流體交界面為耦合邊界。

根據(jù)以上假設(shè)，高壓濕式潛水電機(jī)的轉(zhuǎn)子水摩擦損耗可通過計算電機(jī)的總損耗求出，電機(jī)總的損耗為

式中:hf——流體的熱傳導(dǎo)系數(shù);

Ts—— 壁面溫度;

Tf—— 流體溫度;

qr——輻射熱通量。

2 基于流體理論的水摩擦損耗計算

2.1 轉(zhuǎn)子水摩擦損耗計算

圖2所示的轉(zhuǎn)子水摩擦損耗為

式中:P1——潛水電機(jī)轉(zhuǎn)子表面的水摩擦損耗;

P2——導(dǎo)軸承表面的水摩擦損耗;

P3——推力軸承表面水摩擦損耗。

利用上述建立的流體場模型，可計算出不同轉(zhuǎn)速下水摩擦損耗，如圖3所示。

由圖3可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子水摩擦損耗影響很大，近乎呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系。

圖3 水摩擦損耗與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖5 軸向水流速對濕式潛水電機(jī)水摩擦損耗的影響

2.2 水摩擦損耗影響因素分析

高壓濕式潛水電機(jī)轉(zhuǎn)子的水摩擦損耗不僅與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子表面的粗糙度及冷卻水的流速有關(guān)。依據(jù)流體場分析，可以得到轉(zhuǎn)子表面粗糙度和軸向冷卻水流速與轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的關(guān)系，分別如圖4、圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)子表面粗糙度對濕式潛水電機(jī)水摩擦損耗的影響

2.3 與試驗結(jié)果比較分析

按照三相異步電機(jī)試驗方法(GB1032－85)中要求，對本文所選用潛水電機(jī)做空載試驗，得到不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)空載損耗數(shù)據(jù)，并且利用損耗分離的方法，分離出不同轉(zhuǎn)速水摩擦損耗，并將試驗結(jié)果與計算結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖6所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速水摩擦損耗計算值與試驗結(jié)果對比

由圖4可看出，水摩擦損耗隨著轉(zhuǎn)子表面粗糙度的增大而逐漸增大，通過提高制造工藝可以降低轉(zhuǎn)子表面粗糙度，即采用光滑的轉(zhuǎn)子表面，從而降低水摩擦損耗。

電機(jī)轉(zhuǎn)子部分水道是為了冷卻轉(zhuǎn)子用的，也會增加水摩擦損耗。圖5顯示了在額定轉(zhuǎn)速(1 480 r/min)下水摩擦損耗與冷卻水流速的關(guān)系:增加水流速直接使得轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的增加;電機(jī)轉(zhuǎn)子水摩擦損耗和軸向冷卻水流速基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。為了降低水摩擦損耗，可以在保證總的水流量不變的情況下，通過增大水道截面積來減小軸向水流速，從而既保證轉(zhuǎn)子的冷卻，又降低了轉(zhuǎn)子水摩擦損耗。

由圖6可看出，在轉(zhuǎn)速較低情況下采用流體場模型計算得到的水摩擦損耗與試驗結(jié)果基本一致，隨著轉(zhuǎn)速的增大，計算結(jié)果比試驗結(jié)果要偏低一些。

3 結(jié)語

本文以6 kV-3 150 kW-4P潛水電機(jī)為例，利用流體黏度特性，計算并分析了高壓濕式潛水電機(jī)轉(zhuǎn)子水摩擦損耗，以及影響水摩擦損耗的因素，計算結(jié)果與空載試驗結(jié)果一致，說明了該方法的正確性?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論:

(1)利用流體理論，可以對高壓濕式潛水電機(jī)的轉(zhuǎn)子水摩擦損耗進(jìn)行流體場分析計算，試驗結(jié)果證明了該方法的準(zhǔn)確性;

(2)電機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻水流速、轉(zhuǎn)子表面粗糙度都是影響轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的主要因素，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響最大，呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系;

(3)電機(jī)的水摩擦損耗可通過對電機(jī)做空載試驗，得到不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)的總損耗，利用分離系數(shù)的方法得到水摩擦損耗，其精度與空載試驗時損耗的測量精度有關(guān)。

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