IC611高壓異步電動(dòng)機(jī)外風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(泰豪沈陽電機(jī)有限公司，遼寧沈陽110000)

0 引言

從節(jié)能角度出發(fā)，研究大中型高效電機(jī)是目前電機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)之一。要提高大中型高壓電機(jī)的效率，就要降低電機(jī)總損耗，對(duì)于高壓高效異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械損耗占總損耗的40%左右[1]。就降低機(jī)械損耗來說，大多數(shù)廠家通過采用合理的通風(fēng)結(jié)構(gòu)形式、改善風(fēng)扇、改善工藝技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)。風(fēng)扇設(shè)計(jì)顯然很重要，目前大中型高壓電機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)多數(shù)采用理論計(jì)算，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度提高，有限元分析逐步引入電機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中，流體分析軟件也應(yīng)運(yùn)而生，這對(duì)改善風(fēng)扇、提高效率具有重要意義。

1 徑向離心風(fēng)扇外特性[2]

(1)離心式風(fēng)扇在空載運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的靜壓力p0

p0=η0ρ(u22-u12)

(1)

式中，η0—風(fēng)扇空載時(shí)的氣體效率；ρ—空氣密度，kg/m3；u1、u2—葉輪內(nèi)徑、外徑處的線速度，m/s。

(2)離心式風(fēng)扇在短路運(yùn)行時(shí)，其外部風(fēng)阻為零。此時(shí)風(fēng)扇所產(chǎn)生的外壓力p=0，而經(jīng)過風(fēng)扇的流量為最大qvm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)徑向風(fēng)扇。

qvm≈0.42u2A2

(2)

式中，A2可按式(3)計(jì)算

A2=kπD2b

(3)

式中，D2—葉輪外徑,單位m；b—葉片的軸向?qū)挾?；單位m；k—系數(shù)，通常為k=0.92。

(3)徑向離心式風(fēng)扇特性曲線p=f(qV)用標(biāo)幺值表示時(shí)，簡化形式如下

(4)

2 外風(fēng)路有限元分析

(1)高壓異步電機(jī)外風(fēng)路基本結(jié)構(gòu)

本文以型號(hào)YKK 400-4 400kW 6kV IP54為例，同步轉(zhuǎn)速1500rpm，電機(jī)外風(fēng)路由外風(fēng)扇，風(fēng)扇罩和冷卻器組成。外風(fēng)路簡化模型如圖1所示。

電機(jī)外風(fēng)路風(fēng)扇主要以徑向風(fēng)扇和后傾風(fēng)扇為主[2]，本文主要分析徑向離心風(fēng)扇，空載風(fēng)壓，短路風(fēng)量，以及風(fēng)扇在外風(fēng)路中產(chǎn)生的風(fēng)壓和風(fēng)量； 外風(fēng)扇具體參數(shù)如圖2所示；風(fēng)扇罩將風(fēng)扇所產(chǎn)生的風(fēng)量引入冷卻器中，具體尺寸不做詳細(xì)介紹；冷卻器，本文采用M型布管，管徑φ25×1，管長1500mm，數(shù)量400個(gè)。

圖2 外風(fēng)扇基本參數(shù)

(2)徑向離心風(fēng)扇外特性分析

離心風(fēng)扇空載風(fēng)壓，在風(fēng)量為零的條件下，分析風(fēng)扇進(jìn)出口壓差，其壓力分布如圖3所示。風(fēng)扇空載平均壓差po=541Pa。

圖3 外風(fēng)扇空載壓力分布

離心風(fēng)扇在自轉(zhuǎn)的條件下，其風(fēng)速分布如圖4所示，壓力分布如圖5所示。風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)量1.58m3/s；平均壓差為157Pa。

根據(jù)離心風(fēng)扇特性曲線式(4)，可以求得離心風(fēng)速短路風(fēng)量

qvm=1.875m3/s

圖4 外風(fēng)扇風(fēng)速分布

圖5 外風(fēng)扇壓力分布

(3)離心風(fēng)扇在外風(fēng)路中產(chǎn)生的風(fēng)量和壓差

通過對(duì)外風(fēng)路的有限元分析，離心風(fēng)扇所產(chǎn)生的風(fēng)速分布如圖6所示，在外風(fēng)路中，空氣的流動(dòng)軌跡如圖7所示。外風(fēng)路產(chǎn)生的風(fēng)量為1.35m3/s，外風(fēng)扇產(chǎn)生的平均風(fēng)壓壓差為264Pa。

圖6 外風(fēng)路風(fēng)速分布

圖7 外風(fēng)路空氣流動(dòng)軌跡

將外風(fēng)路風(fēng)量代入外風(fēng)扇的外特性曲線式(4)，可以獲得外風(fēng)扇在外風(fēng)路中所產(chǎn)生的平均壓差為 256Pa。進(jìn)而通過分析外風(fēng)路中外風(fēng)扇產(chǎn)生的壓差與理論計(jì)算所獲得的壓差進(jìn)行對(duì)比，壓差比較接近，進(jìn)而驗(yàn)證有限元分析的可行性。

3 優(yōu)化外風(fēng)路中離心風(fēng)扇

優(yōu)化離心風(fēng)扇，使離心風(fēng)扇工作效率最高；根據(jù)離心風(fēng)扇特性曲線公式介紹，當(dāng)工作風(fēng)量接近離心風(fēng)速最大風(fēng)量一半時(shí)，離心風(fēng)扇工作效率最好。因此，根據(jù)當(dāng)前外風(fēng)路所產(chǎn)生的風(fēng)量和壓差，可以獲得外特性較優(yōu)的離心風(fēng)扇，具體方法如下。

(1)優(yōu)化外風(fēng)扇外特性

假設(shè)當(dāng)前外風(fēng)路中離心風(fēng)扇所產(chǎn)生的風(fēng)量正為電機(jī)散熱所需要的風(fēng)量，當(dāng)前外風(fēng)路中產(chǎn)生的風(fēng)量1.35m3/s和風(fēng)壓274Pa作為優(yōu)化后外風(fēng)扇的工作點(diǎn)。因此優(yōu)化后的外風(fēng)扇的短路風(fēng)量為二倍的工作風(fēng)量，qvm=2.7m3/s將短路風(fēng)量代入式(4)，可求得空載壓差po=365Pa。

(2)推算優(yōu)化外風(fēng)扇外形尺寸

根據(jù)空載壓差式(1)和短路風(fēng)量式(2)可以估算一個(gè)離心風(fēng)扇的外形尺寸，基本參數(shù)為風(fēng)扇的內(nèi)徑，外徑和扇葉的寬。

當(dāng)估算的外風(fēng)扇尺寸確定后，再進(jìn)行外風(fēng)扇的外特性分析，如果分析結(jié)果與優(yōu)化外風(fēng)扇外特性值誤差大，就返回修正參數(shù)，重新計(jì)算，直到滿足優(yōu)化外風(fēng)扇特性要求。優(yōu)化后的外風(fēng)扇外形尺寸如表1所示。

表1 外風(fēng)扇優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

(3)優(yōu)化外風(fēng)扇后外風(fēng)路分析

優(yōu)化后的外風(fēng)扇放入外風(fēng)路中，分析外風(fēng)路的所產(chǎn)生的風(fēng)量和風(fēng)壓，外風(fēng)路的風(fēng)速分布軌跡如圖8所示；具體優(yōu)化參數(shù)見表1外風(fēng)扇優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比。

圖8 外風(fēng)路風(fēng)速分布軌跡

在外風(fēng)路中，外風(fēng)路風(fēng)量和外風(fēng)扇輸入功率是風(fēng)扇優(yōu)化的重點(diǎn)，根據(jù)分析表明，優(yōu)化前的外風(fēng)路風(fēng)量略大于優(yōu)化后風(fēng)量；外風(fēng)扇的輸入功率，就是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩與風(fēng)扇的角速度乘積。由于風(fēng)扇的角速度是不變的，因此對(duì)比風(fēng)扇輸入功率，相當(dāng)于對(duì)比風(fēng)扇的輸入轉(zhuǎn)矩，顯然優(yōu)化后轉(zhuǎn)矩較小，外風(fēng)扇的能耗減小。

從這次優(yōu)化的結(jié)果來看，外風(fēng)扇并沒有達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)原因有兩方面：(1)為了提高外風(fēng)扇風(fēng)量，增加扇葉寬度，這時(shí)風(fēng)扇罩的寬度要大于葉片寬度，因此外風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)受外風(fēng)扇罩限制；(2)優(yōu)化前的工作點(diǎn)是優(yōu)化后外風(fēng)扇的最優(yōu)工作點(diǎn)，但是在外風(fēng)扇改變的條件下，外風(fēng)路的風(fēng)阻也是變化的，因此外風(fēng)路中優(yōu)化后外風(fēng)扇的工作點(diǎn)不在效率最佳點(diǎn)上。

4 結(jié)語

高壓異步電動(dòng)機(jī)的外風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)，將外風(fēng)扇的理論計(jì)算和有限元分析相結(jié)合，在假設(shè)外風(fēng)路的工作風(fēng)壓和風(fēng)量不變的條件下，使外風(fēng)扇的短路風(fēng)量為工作風(fēng)量的2倍，這樣外風(fēng)扇的工作效率得到提高；這對(duì)提高電機(jī)的整體效率，改善電機(jī)散熱能力，開發(fā)大中型高效電機(jī)具有重要意義。