孟大偉，馮守智，何金澤

(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

YJKK 系列電機是在原YKK 中型高壓電機基礎上研發(fā)的新產(chǎn)品，其同容量電機中心高平均降低兩個等級，功率密度相應提高。由電機幾何相似定律，功率密度的增加勢必會使內部散熱問題突顯出來，有時導致電機的溫升達到限值。因此必須要改進冷卻系統(tǒng)以保證電機安全可靠運行。

本文以YJKK 2500kW-4p 電動機為例，利用有限體積法，對整個內風路流體域進行建模計算，分析以風扇為主的整個流體域的流體流動、流量隨壓強變化的情況。計算電機正常運行時所需的風量和風壓，同時考慮到實際生產(chǎn)的工藝性問題，確定合理可行的風扇設計方案。

1 半徑向葉片風扇的設計

1.1 風扇基本結構

YKK 電機風扇采用后傾離心式風扇的設計，葉片型線為直線，此外型線還有圓弧和螺旋線。螺旋線比較復雜，工藝難度大，對廠家來說加工很難完成。通過對原9 葉片后傾風扇的詳細分析，對風扇葉片做了改進。將后傾葉片改為半徑向葉片，型線為圓弧形，為保證整體結構不變，對風扇前、后盤不做改動。

1.2 風扇基本尺寸的確定

葉片頂部平均直徑D1和葉片根部平均直徑D2尺寸保持不變。與電機內風路流體域計算相關的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 與電機內風路流體域計算相關的基本參數(shù)

半徑向葉片入口角β1按“無撞擊入口”的原則來設計［1］，計算方法如下

式中，v1—入口徑向風速，m/s;QH—風量，m3/s;D1—風扇入口直徑，m;b1—風扇入口寬度，m;0.9—系數(shù)，考慮葉片厚度影響。

由v1值再按式(2)求出β1

式中，u1=πD1n/60，n—轉速，r/min;μ—計及粘滯力引起的空氣滯后系數(shù)，μ=0.1 ～0.3。得出β1為25°，出口角β2為90°。

1.3 葉片數(shù)的確定

葉片數(shù)是決定風扇工作性能的又一重要參量，依據(jù)式(3)作為參考來確定葉片數(shù)目［2］

將算得的N=14.4 取整，即為參考片數(shù)。根據(jù)工廠的實踐結果，對于轉速較高的電機，應將求得的N 值再減少2 ～4 片為宜，同時為取得較好的平衡效果，葉片數(shù)選取偶數(shù)［3］。因此，將原設計的9 葉片后傾風扇改為12 葉片半徑向風扇。為便于對比再加入12 葉片后傾風扇以及9 葉片半徑向風扇做對比分析計算。四種風扇的部分不同尺寸參數(shù)見表2，三維模型如圖1 所示。

表2 四種風扇的部分尺寸參數(shù)

圖1 四種風扇葉片三維模型

2 內風路流體域模型的建立

2.1 內風路流體物理模型的建立

YJKK 系列緊湊型高壓電動機的通風結構如圖2 所示。電機采用混流通風，整個結構包含內風路和外風路兩部分。從中看出在入風口處低溫氣流進入電機內部，經(jīng)繞組端部、轉軸焊筋板之間的空隙、擋風板，形成高溫氣流，最后進入出風口直至冷卻器中。

圖2 YJKK 混流通風結構

由于內風路流體流動的不對稱性，計算時需整體建模?？紤]到整體建模的復雜性，本文將整機模型分割為內風扇﹑轉子和定子三部分。由于定子繞組端部對流體影響較小，為簡化模型在此不予考慮。所建整個內風路流體模型如圖3 所示。其中內風扇依次采用上述四種風扇分別置入內風路進行分析。

圖3 通風系統(tǒng)模型

2.2 內風路流體數(shù)學模型的建立

根據(jù)流體力學理論，電機通風冷卻系統(tǒng)的流體可看作是不可壓縮流體，其產(chǎn)生的粘性流動為不可壓粘性流動，連續(xù)性方程和Navier-Stokes 方程為［4，5］

式中，v—速度;f—質量力;ρ—流體的密度;P—壓強;μ—流體的運動粘度。內部流體流動是屬于湍流狀態(tài)，需加湍流運動方程［6］，本文采用k-ω 湍流數(shù)學模型分析內部流體場，根據(jù)流體力學理論得出湍流數(shù)學模型如下

式中，φ、V—通用變量;ρ—流體密度;?！獢U散系數(shù);S—源項。

內風路流體計算的基本假設為

本文是在僅考慮電機穩(wěn)態(tài)運行時流體流動與傳熱的情況，故屬定常流動，上述方程中不含時間項，這樣可簡化式(4)和式(5)。

(1)由于各部分流體的Reynolds 數(shù)很大，流動屬湍流，因此采用湍流模型進行求解［7］。

(2)在標準大氣壓下采用空冷的電機中，可忽略浮力和重力的影響［8］。

(3)在區(qū)域內流體流速遠小于聲速，所以馬赫數(shù)很小，即可把電機內的流體作為不可壓縮流體來處理［9］。

(4)電機鐵心兩側端部對流體影響較小，且剖分網(wǎng)格數(shù)量較多，整體建模計算時可不予考慮。

內風扇流體域流動計算的設置條件為:①模型采用壓力入口和壓力出口邊界條件;②電機轉速為1 450r/min;③壓力出口設置出口壓力從0Pa開始計算，以50Pa 為步長，重復計算直到流量趨于零，約1 200Pa。

3 內風路與風扇流體域計算與結果分析

對整個計算流體域進行剖分，共獲450 萬個單元，其中風扇部分170 萬個單元，其余部分280萬個單元。

本文利用計算流體力理論和有限體積法對電動機內風路流體域進行了仿真計算，得到內風路流體域的流體分布。整個內風路流體域流體跡線圖如圖4 所示。從圖中可以看出，右側流體為從冷卻器中流入內風路的流體，經(jīng)定轉子到達左側內風扇位置，進而經(jīng)內風扇壓力作用流入冷卻器中，完成一個循環(huán)。

圖4 整個流體域流體跡線圖

對于9 葉片后傾風扇實驗測得流量為1.87kg/s，建模計算仿真所得計算流量為1.953kg/s，計算誤差為4.44%。由于電機實際運行中環(huán)境因素及仿真建模時未考慮端部繞組對流體阻力，因此計算流量略大于實際測得流量，證明采用的流體場所建模型合理。

圖5 給出了沿軸向方向上經(jīng)過風扇葉片中部做截面的速度矢量對比圖。在同一坐標顯示范圍內，根據(jù)箭頭疏密和顏色深淺可見，如圖(a)和圖(d)所示，12 葉片半徑向風扇的出風速度大于9 葉片后傾風扇。

圖5 風扇流體域速度矢量圖

為了更加清楚地看到風扇葉片部分的速度情況，在圖6 中給出了風扇的速度矢量詳細圖。根據(jù)箭頭疏密和顏色深淺可見，12 葉片半徑向風扇的葉片外緣處風速大于9 葉片后傾風扇的葉片外緣處風速。

圖6 風扇速度矢量對比圖

圖7 顯示了原9 葉片后傾風扇、改進后的12 葉片半徑向風扇以及12 葉片后傾風扇和9 葉片半徑向風扇的壓力和流量之間的變化曲線，即PQ曲線。

圖7 四種風扇的PQ 曲線

從圖7 曲線可以看出風扇的流量是隨著出口靜壓的增大而減小的，風扇的PQ 曲線能清晰直觀地顯示出風扇的性能。在電機內部風阻曲線確定的情況下，風阻曲線與PQ 曲線的交點即為風扇的工作點?？梢钥闯?2 葉片后傾風扇和9 葉片半徑向風扇的流量很小，遠不滿足工作要求。9 葉片后傾風扇和12 葉片半徑向風扇在額定工作點時，對應的出口靜壓分別為766.61Pa和842.12Pa。在所對應的出口靜壓條件下，這兩個風扇的對應流量分別為2.053kg/s 和2.468kg/s，即采用12 葉片半徑向風扇內風路流體域的流體速度將大于原9 葉片后傾風扇，因此改進設計風扇的冷卻效果要好于現(xiàn)行的風扇。

4 結語

通過對一臺YJKK 緊湊型箱式電動機額定運行時流體場計算及風扇運行性能分析，得到如下結論。

(1)電機內三維流體場全域分析計算結果與實測值比較吻合，表明采用的計算模型可行，基本假設與邊界條件合理。

(2)計算得出了內風扇壓力隨流量變化的性能曲線，同時為后續(xù)溫度場計算提供理論依據(jù)。

(3)通過四種風扇對比計算分析，表明了新設計的半徑向葉片風扇的合理性與可行性。

［1］ 魏書慈，李士菊.淺談中小型電機風扇的設計［J］.電機技術，1996，02:29-31.

［2］ 楊萬青.實用異步電動機設計、安裝與維修［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.

［3］ 方日杰.電機制造工藝學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995.

［4］ 普朗特L(德)，奧斯瓦提奇，維格哈特.流體力學概論［M］.郭永懷，陸士嘉譯.北京:科學出版社，1987.

［5］ 章本照，印建安，張宏基.流體力學數(shù)值方法［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［6］ 陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001:347-353.

［7］ FUJITA M，KABATA Y，TOKUMASU T，etc.Aircooled large turbine generator with multiple-pitched ventilation ducts［C］.2005 IEEE International Conference on Electric Machines and Drives，San Antonio USA，May 2005:910-917.

［8］ 霍菲陽，李勇，李偉力，等.大型空冷汽輪發(fā)電機定子通風結構優(yōu)化方案的計算與分析［J］.中國電機工程學報，2010，30(6):69-74.

［9］ 李偉力，楊雪峰，顧德寶，等.多風路空冷汽輪發(fā)電機定子內流體流動與傳熱耦合計算與分析［J］.電工技術學報，2009，24(12):24-31.