空空冷中高壓三相異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)扇優(yōu)化研究

(無(wú)錫港大電機(jī)有限公司，江蘇無(wú)錫 214000)

0 引言

對(duì)于空空冷中高壓三相異步電動(dòng)機(jī)，作用在風(fēng)路的溫度載荷及電機(jī)整個(gè)溫度場(chǎng)的分析比較復(fù)雜，但其直接決定電機(jī)繞組壽命、電機(jī)性能等多項(xiàng)參數(shù)。因此風(fēng)路的設(shè)計(jì)，直接影響電機(jī)溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而影響電機(jī)的性能及可靠運(yùn)行，考慮到對(duì)整個(gè)溫度場(chǎng)計(jì)算分析的復(fù)雜性，節(jié)省計(jì)算機(jī)硬件資源率，以內(nèi)風(fēng)路中關(guān)鍵部件即內(nèi)風(fēng)扇流域?yàn)檠芯糠治鰧?duì)象，對(duì)風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短優(yōu)化工作的時(shí)間。

本文在現(xiàn)有YKK 500-4,2500kW電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，利用Ansys cfx軟件對(duì)內(nèi)風(fēng)扇流域進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、研究得到了適合電動(dòng)機(jī)的內(nèi)風(fēng)扇方案。

1 電動(dòng)機(jī)風(fēng)路與內(nèi)風(fēng)扇的基本結(jié)構(gòu)

本文例子YKK系列電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)由內(nèi)風(fēng)路與外風(fēng)路兩部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 YKK系列電動(dòng)機(jī)內(nèi)、外風(fēng)路結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)風(fēng)扇與定轉(zhuǎn)子間隙、電機(jī)兩側(cè)端部構(gòu)成內(nèi)風(fēng)路．受電機(jī)結(jié)構(gòu)限制，內(nèi)部風(fēng)路處在封閉空間，不與外界接觸。如果電機(jī)運(yùn)行中所產(chǎn)生的熱量與損耗不能及時(shí)通過(guò)內(nèi)風(fēng)扇帶走(與外風(fēng)路進(jìn)行對(duì)流換熱從而將熱量帶走)，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加重，電機(jī)溫升高、影響電機(jī)性能與絕緣系統(tǒng)壽命[1]，因此內(nèi)風(fēng)扇設(shè)計(jì)影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)行可靠性以及性能，內(nèi)風(fēng)扇風(fēng)壓和風(fēng)速(風(fēng)量)是衡量?jī)?nèi)風(fēng)扇設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。圖2為利用pro/e根據(jù)實(shí)際尺寸建立的電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇模型。

圖2 電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)扇三維原型

本文例子YKK系列電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)扇原型為離心后傾式直線型葉片，通過(guò)對(duì)內(nèi)風(fēng)扇原型進(jìn)行研究分析，從改善風(fēng)壓和風(fēng)速分布出發(fā)，并兼顧加工成本與制造工藝性，考慮對(duì)內(nèi)風(fēng)扇原型的葉片數(shù)量、葉片型線以及型線出、入口安放角進(jìn)行改進(jìn)與調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化目的。如表1，分別增加了12葉片后傾、9葉片徑向、12葉片徑向3種內(nèi)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)方案。葉片數(shù)量及線型如圖3中(a)、(b)、(c)、(d)(去掉內(nèi)風(fēng)扇前盤)所示。

表1 內(nèi)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

圖3 內(nèi)風(fēng)扇葉片優(yōu)化方案三維圖(去掉內(nèi)風(fēng)扇前盤)

2 流域建模與入口徑向風(fēng)速確定

運(yùn)用Ansys Workbech mesh模塊，對(duì)內(nèi)風(fēng)扇流體域和空氣外流流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證計(jì)算精度對(duì)近壁區(qū)域，進(jìn)行膨脹層網(wǎng)格控制，打開(kāi)pre膨脹層算法[2]，對(duì)內(nèi)風(fēng)扇流體域剖分成約 140 萬(wàn)網(wǎng)格，空氣外流流域共剖分成約 110 萬(wàn)網(wǎng)格，1060 萬(wàn)個(gè)結(jié)點(diǎn)，劃分結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

內(nèi)風(fēng)扇入口邊界條件V1由(1)式[3]確定，QH根據(jù)內(nèi)、外風(fēng)道對(duì)流換熱計(jì)算得出。

(1)

式中，D1—風(fēng)扇入口直徑單位m；b1—風(fēng)扇寬度；V1—入口徑向風(fēng)速。

3 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化研究

圖5中(a)、(b)、(c)、(d)分別顯示了“出口按放角度51°、進(jìn)口安放角度17.5°、葉片數(shù)8、葉片線型-直線”(原方案)、“出口按放角度51°、進(jìn)口安放角度17.5°、葉片數(shù)12、葉片線型-直線”(優(yōu)化方案1)、“出口按放角度90°、進(jìn)口安放角度25.3°、葉片數(shù)12、葉片線型-圓弧”(優(yōu)化方案2)、度90°、進(jìn)口安放角度25.3°、葉片數(shù)9、葉片線型-圓弧”(優(yōu)化方案3)電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)扇速度矢量圖，從仿真計(jì)算結(jié)果看出內(nèi)風(fēng)扇原型方案與方案1，內(nèi)風(fēng)扇葉片表面速度范圍為42～60m/s，方案2與方案3內(nèi)風(fēng)扇葉片表面速度范圍為52～80m/s。

圖6為內(nèi)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)流域與外流域速度場(chǎng)矢量圖，在內(nèi)風(fēng)扇上方外流區(qū)域(外風(fēng)路起點(diǎn)處)，優(yōu)化方案2優(yōu)化方案3度場(chǎng)密度較原型方案有明顯的提升，優(yōu)化方案2相比較原型方案變化不明顯。

利用在cfx設(shè)置流量監(jiān)控與壓力監(jiān)控，同時(shí)應(yīng)用CCL命名函數(shù)定義式，根據(jù)上述分析結(jié)果，原型方案(9葉片后傾)與優(yōu)化方案1(12葉片后傾)、優(yōu)化方案2(12葉片半徑向)、有優(yōu)化方案3(9葉片半徑向)，內(nèi)風(fēng)扇風(fēng)量-風(fēng)壓特性曲線，見(jiàn)圖7。從曲線可以看成優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案3工作區(qū)間交大，在進(jìn)口速度流量分別為2.43kg/s與1.99kg/s，出口風(fēng)壓約為843Pa與760Pa，明顯高于原型方案的1.8kg/s，通過(guò)擇優(yōu)對(duì)比2與3，選擇優(yōu)化方案2“出口按放角度90°、進(jìn)口安放角度25.3°、葉片數(shù)12、葉片線型-圓弧”。

圖5 優(yōu)化方案與原型方案內(nèi)風(fēng)扇速度矢量圖

圖6 不同方案內(nèi)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)流域與外流域速度場(chǎng)矢量圖

圖7 內(nèi)風(fēng)扇風(fēng)壓-風(fēng)量特性曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文以一臺(tái)YKK 500-4，2500kW空空冷中高壓三相異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)扇為例,對(duì)內(nèi)風(fēng)扇及空氣外流流域進(jìn)行了速度場(chǎng)計(jì)算，得到不同內(nèi)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)方案的流域速度場(chǎng)矢量圖，結(jié)合內(nèi)風(fēng)扇風(fēng)壓-風(fēng)量特性曲線，對(duì)原型方案與優(yōu)化方案進(jìn)行了對(duì)比研究，總結(jié)如下。

(1)相比較內(nèi)風(fēng)扇其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，葉片型線對(duì)流域的速度場(chǎng)的影響相對(duì)較大，在內(nèi)風(fēng)扇優(yōu)化時(shí)可結(jié)合產(chǎn)品制造成本與加工工藝性，選擇合適的葉片型線；

(2)經(jīng)優(yōu)化方案對(duì)比研究。優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案3工作區(qū)間較大，在進(jìn)口速度流量分別為2.43kg/s與1.99kg/s，出口風(fēng)壓約為843Pa與760Pa，明顯高于原型方案的1.8kg/s，故優(yōu)化方案2達(dá)到對(duì)YKK空空冷中高壓三相異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)扇原型優(yōu)化效果最為明顯。