高壓濕式潛水電機水摩擦損耗分析*

鮑曉華， 盛海軍， 單 麗

(1.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥 230009;2.合肥恒大江海泵業有限公司，安徽合肥 231131)

0 引言

潛水電機作為水下驅動的動力源，常與潛水電泵及各種水下機械配套組合使用。高壓濕式潛水電機是潛水電機的一種，常放在礦井中立式運行，一般采用細長結構，電機內部充滿冷卻用的冷卻水，轉子采用籠型結構［1］。隨著現在對海洋及礦井開發的深入，高壓濕式潛水電機將成為科技研究者主要研究的方向。由于電機內腔充滿冷卻水，轉子在水中高速旋轉，水的黏度特性比空氣大得多，使得電機產生的機械損耗比普通電機大很多，在電機總損耗中占有較大的比重。但是，由于濕式潛水電機結構的特殊性，準確計算出摩擦損耗一直是濕式潛水電機設計中的一個重要問題。準確計算轉子水摩擦損耗，可以為轉子結構及散熱設計提供依據。文獻［2］針對潛油電機的結構特點，利用流體力學理論分析并計算了潛油電機機械損耗。文獻［3］利用三維流體場分析了高速永磁電機轉子空氣摩擦損耗。文獻［4］分析了轉子結構對高速無刷電機轉子渦流損耗的影響。目前，利用場的方法分析計算高壓濕式潛水電機水摩擦損耗的文章還很罕見。

基于流體力學及摩擦學原理，將流體與固體接觸面設為耦合邊界條件，比傳統的公式法更能準確地分析轉子水摩擦損耗。利用流體場模型，對高壓濕式潛水電機轉子的水摩擦損耗與轉子轉速、表面粗糙度及軸向冷卻水流速的關系進行分析，并以6 kV－3 150 kW－4P電機為例進行轉子水摩擦損耗的分析。

1 高壓濕式潛水電機轉子水摩擦損耗分析

1.1 濕式潛水電機結構

由于工作環境的特殊性，潛水電機的結構較一般常用電機結構有所不同，本文介紹的電機結構如圖1所示。電機采用內外雙水冷結構，電機內部充滿冷卻水，內部冷卻系統如下:電機工作時帶動止推軸承下面的泵輪轉動，泵輪從冷凝器中抽取的冷卻水經止推軸承流過下導軸承，再由轉子鐵心部分水道、電機氣隙及定子鐵心槽空隙部分流到電機鐵心上端部，再由機殼部分水道流至冷凝器中(如圖1箭頭所示)，如此反復循環。

圖1 高壓濕式潛水電機結構

1.2 水摩擦損耗的傳統公式法計算

潛水電機內腔充滿冷卻用冷卻水，轉子在冷卻水中高速旋轉，其摩擦損耗主要由三部分組成:轉子與冷卻水的摩擦損耗、推力軸承的摩擦損耗及導軸承的摩擦損耗，其中主要作用是轉子與冷卻水的摩擦損耗。

1.2.1 轉子與冷卻水的摩擦損耗

濕式潛水電機轉子在水中旋轉產生的水摩擦損耗為［5］

式中:D2——轉子外圓直徑;

l——轉子鐵心長;

n——轉子的轉速;

v——轉子外圓的圓周速度;

γ——水的重度;

k——與轉子運動狀態有關的系數。

1.2.2 導軸承損耗

當氣隙均勻時，理論上不存在單邊磁拉力，導軸承產生的摩擦損耗僅為軸與軸瓦間隙縫中流體的摩擦損耗。但是，由于在加工裝配過程中不可避免的使定、轉子間氣隙不均勻，產生單邊磁拉力，使導軸承損耗加大。一般導軸承的損耗可以由式(2)近似求出［6］:

式中:f——單邊磁拉力;

b——摩擦系數;

D——轉子外徑;

ω——轉子角速度。

1.2.3 推力軸承摩擦損耗

潛水電機中，推力軸承用水做潤滑劑，由于水的黏度較小，受溫度的影響卻較大，使得摩擦損耗較難準確計算，目前常用的估算公式為［6］

式中:G——電機自重給推力軸承的負荷;

u——摩擦系數;

r——推力軸承的平均半徑;

ω——轉子角速度。

1.3 轉子水摩擦損耗的流體場分析

1.3.1 方程與求解模型

電機采用水作為冷卻介質，電機中水的雷諾數遠大于2 300，顯然處于紊流狀態，當不計重力場時，根據黏性流體力學理論，對不可壓縮流體紊流流動方程，利用時均法，在直角坐標系中進行如下描述［7-11］:

u'i——脈動流速;

Fi——質量力;

i=x，y，j=x，y，且i≠j;

u——流體黏性系數;

ρ——流體密度。

電機在運行過程中，受到轉子轉動的影響，轉子表面的流體既有軸向流動又有沿著轉子旋轉方向的切向運動，在完全紊流的流場條件下，可推導出如下的標準紊流求解模型［12-16］:

Gk——平均速度梯度引起的湍動能;

σk和σε——分別為湍動能k和耗散率 ε的有效湍流普朗特數的倒數;

ut——湍流黏性系數，ut=ρCuk2/ε ;

C

2ε、Cu——常量。

C1ε與流動情況有關，求解模型如下:

Si，j——流體的時均應變率;

η0、β——常量。

1.3.2 基本假設

文章以6 kV-3 150 kW-4P潛水電機為例，對轉子表面的水摩擦損耗進行流場分析。3-D流體場模型如圖2所示。

圖2 高壓潛水電機3-D流體場模型

在進行流體場分析之前，做出以下假設:

(1)冷卻水沿冷卻水流道水平進入;

(2)電機損耗產生的部分熱量在冷卻水道出口處由流體帶走;

(3)指定流體入口為速度入口，出口為壓力出口，設為大氣壓;

(4)認為氣隙交界面為運動邊界，在交界面上指定粗糙度和旋轉速度;

(5)固體和流體交界面為耦合邊界。

根據以上假設，高壓濕式潛水電機的轉子水摩擦損耗可通過計算電機的總損耗求出，電機總的損耗為

式中:hf——流體的熱傳導系數;

Ts—— 壁面溫度;

Tf—— 流體溫度;

qr——輻射熱通量。

2 基于流體理論的水摩擦損耗計算

2.1 轉子水摩擦損耗計算

圖2所示的轉子水摩擦損耗為

式中:P1——潛水電機轉子表面的水摩擦損耗;

P2——導軸承表面的水摩擦損耗;

P3——推力軸承表面水摩擦損耗。

利用上述建立的流體場模型，可計算出不同轉速下水摩擦損耗，如圖3所示。

由圖3可以看出電機轉速對轉子水摩擦損耗影響很大，近乎呈現出指數關系。

圖3 水摩擦損耗與轉速的關系

圖5 軸向水流速對濕式潛水電機水摩擦損耗的影響

2.2 水摩擦損耗影響因素分析

高壓濕式潛水電機轉子的水摩擦損耗不僅與電機轉速有關，還與轉子表面的粗糙度及冷卻水的流速有關。依據流體場分析，可以得到轉子表面粗糙度和軸向冷卻水流速與轉子水摩擦損耗的關系，分別如圖4、圖5所示。

圖4 轉子表面粗糙度對濕式潛水電機水摩擦損耗的影響

2.3 與試驗結果比較分析

按照三相異步電機試驗方法(GB1032－85)中要求，對本文所選用潛水電機做空載試驗，得到不同轉速下的電機空載損耗數據，并且利用損耗分離的方法，分離出不同轉速水摩擦損耗，并將試驗結果與計算結果進行了比較，如圖6所示。

圖6 不同轉速水摩擦損耗計算值與試驗結果對比

由圖4可看出，水摩擦損耗隨著轉子表面粗糙度的增大而逐漸增大，通過提高制造工藝可以降低轉子表面粗糙度，即采用光滑的轉子表面，從而降低水摩擦損耗。

電機轉子部分水道是為了冷卻轉子用的，也會增加水摩擦損耗。圖5顯示了在額定轉速(1 480 r/min)下水摩擦損耗與冷卻水流速的關系:增加水流速直接使得轉子水摩擦損耗的增加;電機轉子水摩擦損耗和軸向冷卻水流速基本呈現線性關系。為了降低水摩擦損耗，可以在保證總的水流量不變的情況下，通過增大水道截面積來減小軸向水流速，從而既保證轉子的冷卻，又降低了轉子水摩擦損耗。

由圖6可看出，在轉速較低情況下采用流體場模型計算得到的水摩擦損耗與試驗結果基本一致，隨著轉速的增大，計算結果比試驗結果要偏低一些。

3 結語

本文以6 kV-3 150 kW-4P潛水電機為例，利用流體黏度特性，計算并分析了高壓濕式潛水電機轉子水摩擦損耗，以及影響水摩擦損耗的因素，計算結果與空載試驗結果一致，說明了該方法的正確性。可以得出以下結論:

(1)利用流體理論，可以對高壓濕式潛水電機的轉子水摩擦損耗進行流體場分析計算，試驗結果證明了該方法的準確性;

(2)電機轉速、冷卻水流速、轉子表面粗糙度都是影響轉子水摩擦損耗的主要因素，其中電機轉速的影響最大，呈現出指數關系;

(3)電機的水摩擦損耗可通過對電機做空載試驗，得到不同轉速下電機的總損耗，利用分離系數的方法得到水摩擦損耗，其精度與空載試驗時損耗的測量精度有關。

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