空空冷中高压三相异步电动机内风扇优化研究

2019-12-06

防爆电机 2019年6期

(无锡港大电机有限公司，江苏无锡 214000)

0 引言

对于空空冷中高压三相异步电动机，作用在风路的温度载荷及电机整个温度场的分析比较复杂，但其直接决定电机绕组寿命、电机性能等多项参数。因此风路的设计，直接影响电机温度场分布，进而影响电机的性能及可靠运行，考虑到对整个温度场计算分析的复杂性，节省计算机硬件资源率，以内风路中关键部件即内风扇流域为研究分析对象，对风路进行优化设计，缩短优化工作的时间。

本文在现有YKK 500-4,2500kW电动机内风扇结构尺寸的基础上，利用Ansys cfx软件对内风扇流域进行计算分析，通过对风速、风压计算结果进行对比、研究得到了适合电动机的内风扇方案。

1 电动机风路与内风扇的基本结构

本文例子YKK系列电动机冷却系统由内风路与外风路两部分组成，结构示意图见图1。

图1 YKK系列电动机内、外风路结构示意图

内风扇与定转子间隙、电机两侧端部构成内风路．受电机结构限制，内部风路处在封闭空间，不与外界接触。如果电机运行中所产生的热量与损耗不能及时通过内风扇带走(与外风路进行对流换热从而将热量带走)，导致冷却系统负担加重，电机温升高、影响电机性能与绝缘系统寿命[1]，因此内风扇设计影响电动机运行可靠性以及性能，内风扇风压和风速(风量)是衡量内风扇设计的重要指标。图2为利用pro/e根据实际尺寸建立的电机内风扇模型。

图2 电动机内风扇三维原型

本文例子YKK系列电动机内风扇原型为离心后倾式直线型叶片，通过对内风扇原型进行研究分析，从改善风压和风速分布出发，并兼顾加工成本与制造工艺性，考虑对内风扇原型的叶片数量、叶片型线以及型线出、入口安放角进行改进与调整，进而达到优化目的。如表1，分别增加了12叶片后倾、9叶片径向、12叶片径向3种内风扇结构方案。叶片数量及线型如图3中(a)、(b)、(c)、(d)(去掉内风扇前盘)所示。

表1 内风扇结构优化方案

图3 内风扇叶片优化方案三维图(去掉内风扇前盘)

2 流域建模与入口径向风速确定

运用Ansys Workbech mesh模块，对内风扇流体域和空气外流流域进行网格划分，为保证计算精度对近壁区域，进行膨胀层网格控制，打开pre膨胀层算法[2]，对内风扇流体域剖分成约 140 万网格，空气外流流域共剖分成约 110 万网格，1060 万个结点，划分结果见图4。

图4 网格划分结果

内风扇入口边界条件V1由(1)式[3]确定，QH根据内、外风道对流换热计算得出。

(1)

式中，D1—风扇入口直径单位m；b1—风扇宽度；V1—入口径向风速。

3 流场计算结果与优化研究

图5中(a)、(b)、(c)、(d)分别显示了“出口按放角度51°、进口安放角度17.5°、叶片数8、叶片线型-直线”(原方案)、“出口按放角度51°、进口安放角度17.5°、叶片数12、叶片线型-直线”(优化方案1)、“出口按放角度90°、进口安放角度25.3°、叶片数12、叶片线型-圆弧”(优化方案2)、度90°、进口安放角度25.3°、叶片数9、叶片线型-圆弧”(优化方案3)电动机内风扇速度矢量图，从仿真计算结果看出内风扇原型方案与方案1，内风扇叶片表面速度范围为42～60m/s，方案2与方案3内风扇叶片表面速度范围为52～80m/s。

图6为内风扇旋转流域与外流域速度场矢量图，在内风扇上方外流区域(外风路起点处)，优化方案2优化方案3度场密度较原型方案有明显的提升，优化方案2相比较原型方案变化不明显。

利用在cfx设置流量监控与压力监控，同时应用CCL命名函数定义式，根据上述分析结果，原型方案(9叶片后倾)与优化方案1(12叶片后倾)、优化方案2(12叶片半径向)、有优化方案3(9叶片半径向)，内风扇风量-风压特性曲线，见图7。从曲线可以看成优化方案2与优化方案3工作区间交大，在进口速度流量分别为2.43kg/s与1.99kg/s，出口风压约为843Pa与760Pa，明显高于原型方案的1.8kg/s，通过择优对比2与3，选择优化方案2“出口按放角度90°、进口安放角度25.3°、叶片数12、叶片线型-圆弧”。