基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的高效交流電機(jī)風(fēng)扇優(yōu)化

李光宇，袁立強(qiáng)，趙爭(zhēng)鳴，汪書蘋

(清華大學(xué)電機(jī)工程及應(yīng)用電子技術(shù)系，電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的高效交流電機(jī)風(fēng)扇優(yōu)化

李光宇，袁立強(qiáng)，趙爭(zhēng)鳴，汪書蘋

(清華大學(xué)電機(jī)工程及應(yīng)用電子技術(shù)系，電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

進(jìn)一步提高大功率高效交流電機(jī)的效率是電機(jī)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問題，電機(jī)外風(fēng)扇的優(yōu)化已成為其中的關(guān)鍵之一，傳統(tǒng)計(jì)算方法在準(zhǔn)確性和適用性方面已無(wú)法滿足要求。本文以具體的YKK355-630系列高壓電動(dòng)機(jī)中的徑向式離心風(fēng)扇與改進(jìn)的后傾式離心風(fēng)扇為對(duì)象，對(duì)比分析了流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算和傳統(tǒng)計(jì)算方法的結(jié)果。結(jié)果表明，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)計(jì)算方法更加具有適用性，是設(shè)計(jì)與優(yōu)化高效交流電機(jī)風(fēng)扇與風(fēng)路的有效方法。本文最后給出了外風(fēng)扇優(yōu)化結(jié)果及其特性曲線，分析表明其大大減小了風(fēng)扇損耗，提高了電機(jī)的效率。

高效交流電機(jī);離心風(fēng)扇;計(jì)算流體動(dòng)力學(xué);優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

近年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)對(duì)能耗標(biāo)準(zhǔn)要求日益嚴(yán)格，開發(fā)大功率高效電動(dòng)機(jī)成為研究熱點(diǎn)。對(duì)于大功率交流電機(jī)，通風(fēng)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)不僅影響到電機(jī)的溫升與散熱，風(fēng)扇損耗也占總損耗相當(dāng)大的一部分。設(shè)計(jì)與優(yōu)化大功率高效交流電機(jī)的外風(fēng)扇具有重要的研究?jī)r(jià)值［1，2］。

傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)中采用的徑向離心式外風(fēng)扇雖然設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)單，但存在效率低、噪聲大等缺點(diǎn)。采用后傾式離心風(fēng)扇在提供同等風(fēng)量的條件下可以極大地減小風(fēng)扇損耗［2，3］，近年來(lái)已逐步成為風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)的主流方向。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)后傾離心式風(fēng)扇一般采用估算實(shí)際需要的風(fēng)量與風(fēng)壓，利用若干經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行風(fēng)扇的尺寸計(jì)算，稱為傳統(tǒng)計(jì)算方法，這種方法簡(jiǎn)單、高效但準(zhǔn)確性和適用性值得探討。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)分析軟件成為設(shè)計(jì)外風(fēng)扇的有力工具［4］。本文在前期研究［1］的基礎(chǔ)上，對(duì)YKK355-630系列電機(jī)風(fēng)扇設(shè)計(jì)進(jìn)行建模與計(jì)算，通過與傳統(tǒng)計(jì)算方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，討論了傳統(tǒng)計(jì)算方法的適用性。通過對(duì)風(fēng)扇流場(chǎng)的仿真分析，驗(yàn)證了基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析的高效交流電機(jī)外風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。文章同時(shí)證明后傾式離心風(fēng)扇較徑向離心風(fēng)扇效率提升。

2 利用傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 基本公式

應(yīng)用于電機(jī)外風(fēng)扇的離心式風(fēng)扇往往采用后傾和徑向兩種葉片形式。徑向式風(fēng)扇應(yīng)用于電機(jī)雙向運(yùn)行，但效率低、噪聲大。與徑向式風(fēng)扇相比，離心式風(fēng)扇在提供同等風(fēng)量的條件下?lián)p耗會(huì)大大降低，兼顧電機(jī)對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓以及能耗的要求。為了符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，離心式風(fēng)扇扇葉一般采用弧形葉片，但在對(duì)風(fēng)扇效率要求不高的設(shè)計(jì)中，出于加工工藝的考慮，也會(huì)采用平板葉片。三者分別如圖1(a)～圖1(c)所示。

圖1 離心式風(fēng)扇葉片F(xiàn)ig．1Blade types of centrifugal fan

優(yōu)化設(shè)計(jì)離心風(fēng)扇的關(guān)鍵是準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)量及風(fēng)壓。風(fēng)量和風(fēng)壓決定電機(jī)外風(fēng)扇在單位時(shí)間內(nèi)通過熱傳遞帶走熱量的多少，也決定風(fēng)扇扭矩。由于電機(jī)損耗絕大部分以熱能形式散失，所以上述兩者之和近似等于電機(jī)總損耗功率，即:

式中，PTL為損耗功率，單位:kW;Q為風(fēng)量;cv為空氣體積熱容;ΔT為流經(jīng)電機(jī)后空氣的溫升，一般取15～20K;Tf為風(fēng)扇扭矩，反應(yīng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)中受到空氣作用力的大小;n為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，即電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位: r/min。

電機(jī)同軸帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)消耗的能量稱為風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)能量Protate，轉(zhuǎn)化為出口處空氣動(dòng)能Pair的效率稱為風(fēng)扇效率:

式中，pt為風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)全壓差。離心式風(fēng)扇的最大效率一般在0.4以下，徑向式風(fēng)扇最大效率一般為0.15～0.20，后傾式風(fēng)扇一般為0.20～0.30。結(jié)合式(1)和式(2)，根據(jù)風(fēng)扇的外特性曲線以及外風(fēng)路的風(fēng)阻特性，可以確定合適的風(fēng)量與風(fēng)壓，進(jìn)而設(shè)計(jì)風(fēng)扇尺寸。風(fēng)扇尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)扇尺寸示意圖Fig．2Fan dimensions schematic

假設(shè)葉片數(shù)無(wú)窮多，葉片厚無(wú)窮小，風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)量為最大值QM。QM可以利用下式估算得到:

式中，b為圖2中的b2;S2為葉輪外徑處通過氣體的圓柱形表面積;u2為葉輪外徑處的切線速度;δ0為風(fēng)量修正系數(shù);λ為考慮風(fēng)扇出口有效截面受風(fēng)扇葉片厚度影響的系數(shù)。實(shí)際風(fēng)量一般只達(dá)到最大風(fēng)量的40%～60%，此時(shí)風(fēng)扇的效率較高，一般而言，應(yīng)該使設(shè)計(jì)的風(fēng)扇其實(shí)際運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量處于此范圍內(nèi)。對(duì)于后傾式離心風(fēng)扇，在確定基本尺寸的基礎(chǔ)上，需要合理設(shè)計(jì)葉片詳細(xì)尺寸，包括傾斜角、圓弧結(jié)構(gòu)［5］，根據(jù)不同的需要，有大量經(jīng)驗(yàn)公式可以參考。

風(fēng)扇的風(fēng)壓可以根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:

式中，H0為風(fēng)扇空載風(fēng)壓，即風(fēng)量為0時(shí)的風(fēng)壓;η0為空載時(shí)氣體動(dòng)力效率;ρ為空氣密度;u1為葉輪內(nèi)徑處的切線速度。需要說明的是，參數(shù)η0根據(jù)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)取值不同，對(duì)于徑向式風(fēng)扇，此值取0.6;而對(duì)于其他葉片形狀風(fēng)扇，此值選取較為復(fù)雜。

利用式(3)和式(4)計(jì)算確定的最大風(fēng)量QM和空載風(fēng)壓H0，可以計(jì)算出風(fēng)扇在提供不同風(fēng)量時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓大小:

風(fēng)量Q與H的關(guān)系，即是風(fēng)扇的外特性曲線。而外風(fēng)路的風(fēng)阻特性曲線與其交點(diǎn)，即是風(fēng)扇的實(shí)際工作點(diǎn)。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

以YKK560 6極800kW高壓異步電機(jī)外風(fēng)扇為優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，其尺寸如表1所示，根據(jù)式(1)～式(3)對(duì)原徑向式離心風(fēng)扇進(jìn)行合理性分析。表1中N為葉片數(shù)，其余參數(shù)對(duì)應(yīng)于圖2中參數(shù)示意。

表1 YKK560-6-800kW原風(fēng)扇設(shè)計(jì)Tab．1Primary design of YKK560-6-800kW

對(duì)于此風(fēng)扇，假設(shè)其工作在最大的效率區(qū)間，即設(shè)其風(fēng)量為最大風(fēng)量的一半。計(jì)算得到風(fēng)扇工作在額定轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)的性能參數(shù)，如表2所示。

表2 通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果Tab．2Results obtained by empirical formula

表2中，pt為全壓差，Pr為風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)帶走的熱損耗，Protate為風(fēng)扇機(jī)械損耗，計(jì)算得到的電機(jī)總損耗為PTL，即此風(fēng)扇散熱能力配合的電機(jī)損耗約為68kW。

在前期工作中，對(duì)此電機(jī)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，其額定運(yùn)行時(shí)總損耗為PfTL=39.72kW，遠(yuǎn)小于風(fēng)扇設(shè)計(jì)的最優(yōu)風(fēng)量所對(duì)應(yīng)的損耗值，即可以適當(dāng)縮減風(fēng)扇風(fēng)量。另一方面，若采用后傾離心式風(fēng)扇，能大大減小風(fēng)扇扭矩，降低風(fēng)扇機(jī)械損耗。利用式(1)計(jì)算出實(shí)際需要的風(fēng)量大小約為1.3～1.7m3/s，當(dāng)假設(shè)改用后傾風(fēng)扇(ηf=0.25)時(shí)，機(jī)械損耗降為2.65kW;通過計(jì)算，得到風(fēng)扇風(fēng)壓約為390Pa。確定最大效率點(diǎn)的風(fēng)量以及風(fēng)壓以后，可以設(shè)計(jì)得到后傾離心風(fēng)扇尺寸［1］，如表3所示。

表3 后傾風(fēng)扇設(shè)計(jì)Tab．3Design of fan with backward inclined blade

設(shè)計(jì)中葉片數(shù)N=16根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及考慮噪聲而選取，葉片厚度為8mm，風(fēng)扇葉片采用圓弧形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)Fig．3Blade structure of designed fan

3 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)

第2節(jié)利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了原徑向離心式風(fēng)扇的分析和后傾離心風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，本節(jié)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行分析［6］。

3.1 原有方案流體場(chǎng)計(jì)算

本文利用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Pro-E建立風(fēng)扇機(jī)械模型，導(dǎo)入有限體積網(wǎng)格生成軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分與初始邊界條件設(shè)定，最后利用流體計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算中采用k-ε湍流模型，通過設(shè)定邊界條件為流量入口和壓力出口，改變風(fēng)量大小，進(jìn)行模擬計(jì)算，從而獲取風(fēng)扇外特性［3，4］。

利用軟件數(shù)值計(jì)算得到原徑向風(fēng)扇性能特性，其最大效率點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的最大效率點(diǎn)對(duì)比如表4所示。

表4 最大效率點(diǎn)計(jì)算結(jié)果Tab．4Calculation results of maximum efficiency point

可以看到，對(duì)于原徑向風(fēng)扇的最大效率工作點(diǎn)，傳統(tǒng)的公式計(jì)算方式與應(yīng)用流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果基本相似，但最大效率相差較大。誤差主要來(lái)自于風(fēng)量修正系數(shù)δ0，考慮風(fēng)扇出口有效截面受風(fēng)扇葉片厚度影響的系數(shù)λ，以及實(shí)際風(fēng)扇的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

根據(jù)之前的分析可知，原電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其徑向風(fēng)扇事實(shí)上并不工作在前面計(jì)算得到的最大功率點(diǎn)。根據(jù)溫升，其風(fēng)量大致在1.3～1.7m3/s。設(shè)置風(fēng)量為1.5m3/s，在軟件中模擬計(jì)算得到此時(shí)的原徑向風(fēng)扇工作點(diǎn)，結(jié)果如表5所示。

表5 實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab．5Actual operating point data

計(jì)算結(jié)果表明，實(shí)際上原徑向風(fēng)扇的效率只有6.53%，而電機(jī)用于風(fēng)扇的損耗為8.66kW。如果采用效率較高的后傾式風(fēng)扇，并使其運(yùn)行在最大效率工作區(qū)間，則可大大減小損耗。由于計(jì)算得到的實(shí)際工作點(diǎn)的風(fēng)量和風(fēng)壓與之前利用公式估算的結(jié)果相近，保持后傾風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案不變，后文中會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析。

由上可知，利用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果存在誤差，各種修正系數(shù)的選取使得計(jì)算得到的數(shù)值變化范圍很大，而在進(jìn)一步計(jì)算整個(gè)工作區(qū)內(nèi)的每一個(gè)工作點(diǎn)時(shí)，這種誤差將積累放大，無(wú)法得到風(fēng)扇的準(zhǔn)確的外特性曲線，在對(duì)效率要求十分高的設(shè)計(jì)中，需要重新考慮其實(shí)用性。

利用CFD軟件，通過檢查流體域速度向量圖、流線圖和壓力等值線圖，可以直觀地分析風(fēng)扇的機(jī)械結(jié)構(gòu)是否合理。風(fēng)扇風(fēng)路速度向量圖和流線圖如圖4所示，風(fēng)扇壓力等值線圖如圖5所示。原徑向風(fēng)扇出風(fēng)口速度較大，但扇葉靜壓分布相對(duì)不均勻，外緣處承壓較大。后傾風(fēng)扇風(fēng)路速度向量較為平滑，無(wú)明顯渦流產(chǎn)生，在一定程度上表明其風(fēng)效較高。

3.2 優(yōu)化方案計(jì)算與分析

經(jīng)過軟件計(jì)算，得到最大效率點(diǎn)參數(shù)如表6所示。與公式計(jì)算相比，優(yōu)化方案的最大效率點(diǎn)處風(fēng)量稍大、風(fēng)壓偏低，在最大效率上，二者相近。改變?nèi)肟谶吔鐥l件為流量入口，通過設(shè)置不同的風(fēng)量，可以計(jì)算得到此后傾風(fēng)扇的外特性曲線和效率曲線，如圖6所示。在風(fēng)量-風(fēng)壓曲線中，根據(jù)前述的實(shí)際工作點(diǎn)，繪制近似的外風(fēng)路風(fēng)阻特性。

圖4 風(fēng)扇風(fēng)路速度向量圖和流線圖Fig．4Velocity vectors and path lines

表6 優(yōu)化方案最大效率點(diǎn)Tab．6Maximum efficiency point of optimized design

可以看到，當(dāng)風(fēng)扇流量為1.94m3/s時(shí)，基本達(dá)到最大風(fēng)效，此時(shí)風(fēng)扇損耗1.73kW。觀察圖中風(fēng)阻特性與風(fēng)壓曲線交點(diǎn)，得到實(shí)際的風(fēng)扇運(yùn)行點(diǎn)為Q=1.4m3/s，pt=300Pa，Protate=1.78kW，此時(shí)處于預(yù)期的工作區(qū)間內(nèi)，風(fēng)量稍微偏小。考慮到此時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇損耗由8.66kW降低至1.78kW，估計(jì)原電機(jī)總損耗由39.72kW降低至32.84kW，降低約17%，發(fā)熱量成比例減小，對(duì)風(fēng)量要求相應(yīng)降低，則此時(shí)風(fēng)扇提供風(fēng)量可以滿足系統(tǒng)散熱要求，證明優(yōu)化方案合理。

圖5 風(fēng)扇壓力等值線圖Fig．5Static pressure contours of fan

圖6 后傾離心風(fēng)扇外特性Fig．6External characteristics of backward blade fan

通過上述分析，可以小結(jié)為:利用傳統(tǒng)計(jì)算方法對(duì)電機(jī)外風(fēng)扇風(fēng)量、風(fēng)壓的計(jì)算存在誤差，誤差來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)公式的不準(zhǔn)確以及公式中諸多修正參數(shù)的選取。在對(duì)效率要求十分嚴(yán)格，特別是大功率高效交流電機(jī)外風(fēng)扇的設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的利用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算精度不足以幫助進(jìn)一步削減風(fēng)扇損耗。利用基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法可以很方便地獲得目標(biāo)風(fēng)扇在各種工況下的特性，不論是分析現(xiàn)有風(fēng)扇的合理性還是對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真模擬，都具有較高的可信度。在計(jì)算機(jī)處理能力飛速提升的今天，計(jì)算風(fēng)扇流體場(chǎng)耗時(shí)極短，因此，計(jì)算流體力學(xué)方法在設(shè)計(jì)優(yōu)化電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)上擁有巨大的應(yīng)用空間。

4 結(jié)論

本文研究了通過分析調(diào)整大功率高效交流電機(jī)外風(fēng)扇工作點(diǎn)和采用效率更高的后傾離心式風(fēng)扇來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率。通過傳統(tǒng)方法利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)效等性能參數(shù)時(shí)存在誤差較大的問題。通過分析結(jié)果，以樣機(jī)YKK560-6-800kW為算例，驗(yàn)證了采用后傾離心式風(fēng)扇可以極大地減小電機(jī)總損耗。

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Optimized design of high-efficiency AC motor external fan by computational fluid dynamic method

LI Guang-yu，YUAN Li-qiang，ZHAO Zheng-ming，WANG Shu-ping
(State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments，Dept．of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

It is a challenge to further improve the efficiency of high-efficiency AC motors．One of the key is to red uce the loss of external fans and the traditional calculation method in terms of accuracy and applicability has been unable to satisfy the requirements．This paper analyzes the external fan of YKK355-630 series high-voltage motors，and compares the results with the traditional calculation method and computational fluid dynamics method．The results show that，as an effective way to optimize the high-efficiency AC motor fan and air duct，the application of computational fluid dynamics has better applicability．At the end of this paper，the characteristic curves are given and the analysis shows that it greatly reduces the fan losses and improves the efficiency of the motor．

high-efficiency AC motor;centrifugal fan;computational fluid dynamics;optimal design

TM343

A

1003-3076(2014)11-0024-05

2014-03-30

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAA01B03)

李光宇(1989-)，男，北京籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng);袁立強(qiáng)(1976-)，男，遼寧籍，副研究員，博士，研究方向?yàn)榇笕萘侩娏﹄娮幼儞Q器、電機(jī)與電力拖動(dòng)。