增安型三相異步電動(dòng)機(jī)空水冷卻器設(shè)計(jì)

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(臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽 473000)

增安型三相異步電動(dòng)機(jī)空水冷卻器設(shè)計(jì)

郭林，李金玉，趙現(xiàn)偉

(臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽 473000)

對(duì)空水冷卻器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，從設(shè)計(jì)目的、工藝技術(shù)及材料的選取和對(duì)比及設(shè)計(jì)重點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，驗(yàn)證了合理的空水冷卻器對(duì)延長電機(jī)電氣性能，提高電機(jī)效率起到了至關(guān)重要的作用。

增安型電機(jī)；空水冷卻器；設(shè)計(jì)

0 引言

增安型三相異步電動(dòng)機(jī)是在正常運(yùn)行條件下不會(huì)產(chǎn)生電弧、火花或危險(xiǎn)高溫的電機(jī)結(jié)構(gòu)上再采取一些機(jī)械、電氣和熱的保護(hù)措施，避免在正?；蜻^載條件下出現(xiàn)電弧或火花，確保其防爆安全性。為防止其正常運(yùn)行中產(chǎn)生危險(xiǎn)溫度，及時(shí)快速散熱能有效降低危險(xiǎn)程度。因此合理的冷卻器設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 空水冷卻器設(shè)計(jì)目的及目標(biāo)

電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由于損耗而發(fā)熱，電機(jī)內(nèi)部溫度升高，通過冷卻器進(jìn)行熱交換，把電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量由冷卻器循環(huán)水帶出，使電機(jī)定子繞組的溫度滿足要求，從而保證電機(jī)正常運(yùn)行。其設(shè)計(jì)目標(biāo)：(1)完成冷卻器設(shè)計(jì)；(2)確定冷卻器總體尺寸和外部接口；(3)完成冷卻器換熱計(jì)算；(4)完成冷卻器五性分析。

2 空水冷卻器設(shè)計(jì)輸入及要求

以增安型三相異步電動(dòng)機(jī)YAKS 500-4 1600kW 6kV為例。

(1)根據(jù)電機(jī)技術(shù)任務(wù)書，確定電機(jī)額定運(yùn)行技術(shù)參數(shù)；

(2)根據(jù)電機(jī)技術(shù)任務(wù)書，對(duì)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)冷卻器功能指標(biāo)進(jìn)行分解，冷卻器參數(shù)指標(biāo)要求見表1。

表1 冷卻器參數(shù)指標(biāo)要求

(3)根據(jù)電機(jī)技術(shù)任務(wù)書和流體分析計(jì)算，確定冷卻器設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，輸入?yún)?shù)見表2。

表2 冷卻器設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

3 空水冷卻器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.1 空水冷卻器采用成熟技術(shù)和工藝

(1)冷卻器采用空氣-水熱交換技術(shù)；

(2)冷卻器與機(jī)座固定牢固,安裝拆卸方便；

(3)冷卻器安裝排氣、排液接口；

(4)冷卻器設(shè)置吊環(huán)，方便吊裝、翻轉(zhuǎn)；

(5)冷卻器冷卻管進(jìn)行耐壓強(qiáng)度計(jì)算，安全系數(shù)不低于2.5；

(6)冷卻器水工作水壓按不低于0.4MPa設(shè)計(jì)，試驗(yàn)水壓不低于工作水壓的2倍。

3.2 元器件、零部件及材料的選擇

(1)冷卻器元器件擇優(yōu)選用已納入國標(biāo)、國軍標(biāo)的材料；

(2)標(biāo)準(zhǔn)件選用依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，通用性強(qiáng)，互換性好；緊固件表面鍍鎳；

(3)冷卻器材料既滿足冷卻器換熱傳熱需要，又防止腐蝕；

(4)密封材料需耐老化，密封可靠。

3.3 空水冷卻器換熱容量

依據(jù)JB/T 2728.1—2010中的規(guī)定，冷卻器的換熱容量留有不小于20%換熱裕量。

4 空水冷卻器設(shè)計(jì)

4.1 空水冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1 空水冷卻器結(jié)構(gòu)型式

目前，電機(jī)空水冷卻器采用的冷卻管、散熱片結(jié)構(gòu)型式為擠片式、繞片式、套片式等，其中套片式應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)在于套片式結(jié)構(gòu)形式散熱面積大，冷卻效果顯著。因此，冷卻器采用良好散熱面積的套片式結(jié)構(gòu)。

4.1.2 空水冷卻器結(jié)構(gòu)組成

空水冷卻器主要由管程和殼程兩部分組成。殼程使冷卻器形成冷卻風(fēng)路，管程形成循環(huán)水路，管程主要零部件:支架、冷卻管、套片、承管板、兩端水箱和密封等。冷卻器管程結(jié)構(gòu)詳圖見圖1，冷卻器殼程結(jié)構(gòu)詳見圖2。

圖1空水冷卻器管程結(jié)構(gòu)詳圖

圖2空水冷卻器殼程結(jié)構(gòu)詳圖

4.1.3 空水冷卻器布置

空水冷卻器安裝在電機(jī)機(jī)座上，質(zhì)量分布均勻，增加電機(jī)整體穩(wěn)定性，降低電機(jī)振動(dòng)。

4.2 空水冷卻器換熱原理

在電機(jī)內(nèi)部，轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)扇把電機(jī)兩端的空氣壓入定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)部，經(jīng)過發(fā)熱的轉(zhuǎn)子及定子繞組，空氣吸收熱量溫度升高，從定子通風(fēng)道進(jìn)入冷卻器。熱風(fēng)經(jīng)流入循環(huán)水的冷卻管冷卻降溫，變?yōu)槔滹L(fēng)后再進(jìn)入電機(jī)兩端。如此循環(huán)往復(fù)，把電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量由冷卻循環(huán)水帶出。使電機(jī)內(nèi)部溫度始終保持在允許的范圍內(nèi)，從而保證電機(jī)的正常運(yùn)行。電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路循環(huán)見圖3。

圖3電機(jī)內(nèi)通風(fēng)散熱示意圖

4.3 空水冷卻器材料選用

4.3.1 空水冷卻器材料技術(shù)要求

(1)冷卻器管程的冷卻管、套片導(dǎo)熱能力強(qiáng)，滿足冷卻器熱交換需要。

(2)冷卻器管程的冷卻管、水箱、承管板適用于冷卻水質(zhì)要求，防止腐蝕、銹蝕。

(3)冷卻器承壓能力滿足設(shè)計(jì)壓力要求。

4.3.2 冷卻管材料對(duì)比與選用

銅管、不銹鋼管、鈦管是目前應(yīng)用廣泛的冷卻管材料，其特點(diǎn)和性能，見表3。

表3 冷卻器冷卻管主要材料

由表3可知：不銹鋼管、銅管均適用。但銅管導(dǎo)熱系數(shù)高，換熱性能優(yōu)于不銹鋼管，因此冷卻管選用銅管。銅管BFe30-1-1防腐防銹能力優(yōu)于銅管BFe10-1-1，因此冷卻管選用銅管BFe30-1-1。

4.3.3 冷卻翅片材料對(duì)比與選用

銅翅片、鋁翅片是目前應(yīng)用在核電機(jī)冷卻器上的主要材料，其特點(diǎn)和性能見表4。

表4 冷卻器翅片主要材料

由表4可知，銅翅片導(dǎo)熱系數(shù)約為鋁翅片導(dǎo)熱系數(shù)的1.75倍，換熱性能優(yōu)于鋁，所以冷卻套片選用銅翅片T2。

4.3.4 空水冷卻器其它零部件材料選用

(1)冷卻器其它零部件主要有承管板、前后水箱和支架。通過冷卻管材料對(duì)比分析，得出冷卻管選用銅管BFe30-1-1，翅片選用T2。所以承管板和前后水箱等部件均采用銅質(zhì)材料，即與水接觸材料為同一材料，各部件之間不產(chǎn)生電位差，可防止產(chǎn)生電位腐蝕。冷卻器支架采用碳鋼焊接制成，冷卻器其它部件安裝固定在支架上，形成統(tǒng)一整體。

(2)冷卻器密封件選用三元乙丙橡膠，安裝在水箱與承管板之間，防止漏水。

(3)緊固件選用碳鋼材料，表面鍍鎳。

4.4 空水冷卻器冷卻管、套片布置

4.4.1 空水冷卻器冷卻管布置

(1)冷卻管呈等邊三角形排列布置：研究數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)表明，呈等邊三角形排列布置冷卻管，空氣流動(dòng)阻力均勻，冷卻管、套片散熱均勻，管子和套片綜合散熱系數(shù)高。

(2)根據(jù)機(jī)座接口尺寸，冷卻器接口尺寸1365×130，可根據(jù)散熱面積，散熱是否均勻來選取管子布局。冷卻管選用φ16×1，6排15列，冷卻器管子45根。冷卻管布置示意圖見圖4。

圖4冷卻管布置示意圖

4.4.2 空水冷卻器套片間距布置

據(jù)冷卻器換熱計(jì)算公式P=K×S×△t，冷卻器換熱容量與冷卻器散熱面積成正比，套片面積決定了冷卻器的散熱面積，初步確定套片間距為2.5mm。

4.5 空水冷卻器結(jié)構(gòu)外形尺寸

據(jù)以上冷卻器結(jié)構(gòu)型式，材料選用，冷卻管及套片布置情況，冷卻器接口參數(shù)如下

(1)外形尺寸(mm)：長×寬×高=1938×1536×1260；

(2)重量：900kg；

(3)進(jìn)出水管法蘭直徑：DN80。

4.6 空水冷卻器技術(shù)性能參數(shù)

4.6.1 空水冷卻器換熱計(jì)算

(1)據(jù)冷卻器的外形尺寸，以及冷卻管套片材料、布置排列，進(jìn)行冷卻器換熱性能計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 冷卻器換熱計(jì)算結(jié)果

冷卻器換熱計(jì)算結(jié)果表明，冷卻器在進(jìn)水溫度≤33℃，電機(jī)內(nèi)部循環(huán)冷卻風(fēng)量2.9 m3/s條件下，計(jì)算冷卻器能夠達(dá)到總的換熱容量為98kW，冷卻器的耗水量為20/h。

4.6.2 空水冷卻器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)冷卻器換熱計(jì)算報(bào)告，電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)冷卻器主要技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 冷卻器技術(shù)參數(shù)

5 空水冷卻器故障模式及五性分析

5.1 故障模式

空水冷卻器故障模式主要表現(xiàn)形式為：冷卻器換熱容量沒有達(dá)到電機(jī)換熱要求、冷卻器變形、冷卻器漏水、冷卻器腐蝕、冷卻管堵塞等。

5.2 空水冷卻器五性分析

5.2.1 安全性分析

冷卻器管程零部件采用耐腐蝕材料，防止冷卻管被腐蝕而漏水，從而保護(hù)電機(jī)不產(chǎn)生損壞。

5.2.2 可靠性分析

5.2.2.1 空水冷卻器結(jié)構(gòu)可靠性分析

(1)冷卻器殼程通過螺栓緊固在機(jī)座上，不產(chǎn)生振動(dòng)，平穩(wěn)可靠；

(2)冷卻器殼程支架采用整體焊接，保證冷卻器整體強(qiáng)度。冷卻管與承管板采用漲接，防止松動(dòng)；

(3)冷卻器殼程上設(shè)置吊環(huán)孔，方便吊裝；

(4)冷卻器上設(shè)置排氣孔和排水孔，方便排氣和排水；

(5)對(duì)冷卻器每根冷卻管進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.5倍，保證冷卻管能夠承受足夠壓力；冷卻器裝配后，再進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為工作壓力的2倍，不漏水為合格；保證冷卻管使用安全可靠。

5.2.2.2 空水冷卻器功能可靠性分析

(1)冷卻器采用散熱結(jié)構(gòu)良好、導(dǎo)熱面積大的套片結(jié)構(gòu)，有效降低電機(jī)溫升；

(2)冷卻器在額定轉(zhuǎn)速下?lián)Q熱裕量為24%，耗水量20t/h，不小于20%換熱裕量要求；

(3)冷卻管選用1mm厚的銅管，經(jīng)計(jì)算冷卻管承受的壓力可達(dá)12.08MPa，安全系數(shù)為15；

(4)冷卻器冷管件選用銅材，防止電位腐蝕而導(dǎo)致冷卻器漏水、損壞；

(5)冷卻器采用三元乙丙橡膠密封，并經(jīng)耐老化試驗(yàn)，防止冷卻器在連接處漏水；

(6)冷卻器冷卻介質(zhì)為工業(yè)自來水，防止冷卻管被堵塞。

5.3 測試性分析

冷卻器安裝漏水監(jiān)控儀，可實(shí)時(shí)監(jiān)測冷卻器的運(yùn)行狀況。

5.4 維修性分析

在電機(jī)殼程不拆卸的條件下，可對(duì)冷卻器管程進(jìn)行拆卸、維修。

6 結(jié)語

對(duì)于采用空水冷卻器的增安型三相異步電動(dòng)機(jī)來說，高效的熱交換對(duì)電機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，能夠保證電機(jī)內(nèi)部定子表面溫度不高，合理的空水冷卻器能夠滿足電機(jī)電氣性能，提高電機(jī)效率，延長電機(jī)使用壽命。隨著現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展,會(huì)有更好的空水冷卻器設(shè)計(jì)方法來解決電機(jī)的散熱問題。

[1] GB/T 1993—96.旋轉(zhuǎn)電機(jī)冷卻方法[S].

[2] 丁舜年.大電機(jī)的發(fā)熱與冷卻.北京：科學(xué)出版社，1992.

[3] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4] 鮑里先科亞科夫列夫[蘇].電機(jī)中的空氣動(dòng)力學(xué)與熱傳遞.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

DesignofAir-WaterCoolerforIncreased-SafetyThree-PhaseInductionMotor

GuoLin,LiJinyu,andZhaoXianwei

(Wolong Electric Nanyang Explosion-proof Group Co.,Ltd.,Nangyang 473000, China)

This paper discusses the design of air-water cooler, and chiefly analyzes the design goal, processing technology, material selection and comparison, design focus. It is verified that the air-water cooler with suitable structure play a crucial role to prolong electric performance and increase efficiency of motor.

Increased-safety motor；air-water cooler；design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.02

TM302

A

1008-7281(2017)06-0004-004

郭林男1985年生；畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2017-08-28