淺析高功率密度輕量化應急搶險排水泵設計

周應來，陳興，代莉 ，唐欣怡，李志鵬

（1.湖南省應急排水搶險設備工程技術(shù)研究中心；2.長沙迪沃機械科技有限公司；3.長沙理工大學，湖南 長沙 410000）

由于應急排水環(huán)境限制，移動應急搶險排水泵產(chǎn)品要求外形尺寸小、重量輕、功率密度大，為此在吸收優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品特點，結(jié)合現(xiàn)代設計技術(shù)，提出了電泵一體化設計的方案，開發(fā)具有競爭力的產(chǎn)品。

1 要求與設計

1.1 性能設計要求

根據(jù)市場調(diào)研提出設計要求：泵額定點流量700m3/h，泵額定點揚程10m，泵參考點流量800m3/h，泵參考點揚程8m,轉(zhuǎn)速3100r/min，功率30kW,電壓380V,口徑250mm.外形尺寸Φ270mm×600mm,重量≤34kg。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設計

為適于應急環(huán)境，產(chǎn)品設計要保證外形尺寸小、重量輕、功率密度大，采用電泵一體化設計，所設計產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.3 泵設計

采用高速低汽蝕優(yōu)秀水力模型，利用CFD模擬計算模型優(yōu)化設計的方法，通過加大水泵葉輪進口沖角和減少水泵進口阻力方式，達到增加水泵流量，提高水泵效率，減小水泵汽蝕的目的。

1.4 干式電機繞線封裝導熱設計

為解決電機繞組通過空氣熱傳導慢的問題，采用一種繞線封裝導熱的創(chuàng)新應用技術(shù)，通過高導熱材料把電機繞組與機殼連接，使繞組產(chǎn)生的熱量傳導至高導熱材料再通過機殼擴散到外界冷卻介質(zhì)，可大大的提高電機散熱能力，減小電機尺寸，節(jié)材減重。

1.5 強制引流冷卻設計

為進一步改良電機散熱能力，降低電機溫升，電機機殼采用流線型強制引流結(jié)構(gòu)形式，使電機機殼外表面冷卻介質(zhì)流動的更快，提升電機冷卻性能，減小電機尺寸，節(jié)材減重。

2 設計CFD分析

2.1 泵數(shù)值模擬計算：

轉(zhuǎn)速n=3100r/min，葉輪外徑D2=192mm，控制工況點一：流量：700m3/h，揚程：10m，控制工況點二：流量：800m3/h，揚程：8m，電機額定功率30kW。

對該泵用mesh進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，用CFX進行模擬計算，采用壓強進口、流量出口邊界條件，采用SST湍流模型，收斂精度為10-5。計算結(jié)果見表1。

表1 數(shù)值模擬計算結(jié)果

從表1可看出，額定流量點為流量700m3/s，此時效率為62.01%，軸功率為30.52kW，超過了電機額定功率。結(jié)合全揚程性能來看，控制工況點一700m3/h的揚程略低于揚程10m要求，控制工況點二800m3/h的揚程略低于揚程8m的要求。

對泵額定流量點進行數(shù)值模擬計算得圖2、圖3云圖。由圖2葉片與導葉展開圖的速度流線圖導葉處有漩渦現(xiàn)象，從而導致其泵效率較低，故進行了導葉改進設計，消除了旋渦，有效提高了效率。

圖2 葉片與導葉展開圖的速度流線圖

圖3 葉片與導葉展開圖的壓力云圖

2.2 電機熱傳遞分析

電機作為水泵驅(qū)動核心，直接影響水泵的性能。應急搶險排水泵由于其使用工況的特點，一般都采用體積更小、功率密度更高的永磁同步電機，由此帶來的溫升較高問題是目前應急搶險排水泵用電機設計面臨的挑戰(zhàn)之一。為此，在電機的設計初期，就應將電機的溫升設計在合理的溫升范圍內(nèi)。

應急搶險排水泵用電機潛水使用，主要通過介質(zhì)來進行冷卻，相比一般的電機工況冷卻條件較好。但應急搶險排水泵有時會面臨介質(zhì)溫度本身就很高，這種極端工況的介質(zhì)反而會使電機的溫升增加。所以采用常規(guī)潛水電機的熱負荷經(jīng)驗系數(shù)，已經(jīng)不能滿足對電機體積更小、重量更輕的設計要求。

永磁同步電機損耗包括繞組銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗、轉(zhuǎn)子磁鋼渦流損耗、風摩損耗等其它雜散損耗，表2為應急搶險排水泵用永磁電機的主要損耗值，其中最主要的是繞組銅耗和定子鐵耗，占總損耗的80%以上，因此電機內(nèi)部的主要熱源來自定子，其熱傳遞如圖4所示。

表2 應急搶險排水泵用永磁電機損耗

定子的熱量通過外殼流過的介質(zhì)帶走，從而保證電機的溫升穩(wěn)定。因此解決好定子繞組到冷卻介質(zhì)的傳遞，就成為了解決電機溫升的關(guān)鍵。常用的解決方法：

（1）定子浸漆后，再加工定子外圓，去掉附著的絕緣漆和增加外圓表面光潔度，減小定子鐵芯與機殼之間的熱阻。

（2）繞組及端部采用整體灌膠，繞組端部的熱量直接經(jīng)高導熱系數(shù)的導熱膠傳遞給機殼，相比傳統(tǒng)的端部熱量通過空氣傳遞給機殼，其熱阻大大降低。繞組灌膠對電機溫升的影響，繞組灌膠后熱傳遞圖如圖4所示。

圖4 電機繞組端部灌膠熱傳遞圖

為了對比驗證繞組灌膠與不灌膠對電機溫升的影響，采用Fluent對電機定子進行溫度場分析。機殼外部介質(zhì)給定入口速度0.1m/s，介質(zhì)及環(huán)境溫度為55℃，根據(jù)繞組銅耗和定子鐵耗分別對其設置熱源，對額定點進行熱仿真分析，灌膠的額定點穩(wěn)態(tài)熱分析圖5所示。從圖中可以看出灌膠對繞組溫升改善很明顯，繞組端部最高溫度可以降低36℃。因為導熱膠的導熱系數(shù)是空氣的將近100倍，熱量直接由導熱膠傳遞給機殼，進而由介質(zhì)帶走。

圖5 電機徑向切面（灌膠）

通過以上分析可知，應急搶險排水泵用電機繞組及端部采用灌膠的形式，可以大大降低電機的溫升，如果同功率采用相同溫升的設計，灌膠可以使電機的體積更小，重量更輕，更適合應急搶險排水泵使用工況的要求。

3 結(jié)語

針對城鎮(zhèn)、工礦、建筑工地惡劣復雜環(huán)境排水問題，所設計的高功率密度輕量化應急搶險排水泵，便于移動作業(yè)，方便靈活高效，是一種能滿足各種移動搶險排水的新設備，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。