YKK中型高壓異步電動機換熱分析與冷卻器優化

溫嘉斌, 鄭軍, 于喜偉

(1.哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院,黑龍江哈爾濱150080;2.南陽防爆電機廠,河南南陽473000)

YKK中型高壓異步電動機換熱分析與冷卻器優化

溫嘉斌1, 鄭軍1, 于喜偉2

(1.哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院,黑龍江哈爾濱150080;2.南陽防爆電機廠,河南南陽473000)

為了提高電機的散熱性能,改善電機的溫升條件,本文采用數值分析的方法對電機冷卻器的冷卻性能加以優化。對于YKK結構的封閉式交流異步電動機,因其結構特點,溫升一直是設計時需要關注的重點問題之一。首先,以YKK450-4、800 kW中型高壓異步電機為例,建立電機冷卻器的三維物理模型和數學模型,給出假設條件和邊界條件,并進行數值分析,得到了冷卻器的流體場和溫度場是分布云圖;其次,通過改變檔風板的個數及位置、增加導風板并改變其位置,找到其最優值;最后,對冷卻器進行重新建模,經過數值分析發現冷卻器的性能有了明顯的改善,為以后冷卻器的優化設計提供理論依據。

中型高壓異步電動機;冷卻器;流體場;溫度場;優化設計

0 引 言

YKK系列中型高壓異步電動機廣泛應用于冶金、電力、化工及水處理等場合。該系列電機具有高效、節能、起動力矩大、過載能力強、噪音低、振動小及運行可靠等特點。電機運行的可靠性是考察電機性能好壞的重要指標,而對電機運行可靠性的評判又主要體現在電機運行過程中的溫升問題。電機內溫升過大,會導致絕緣出現分層、脫殼、老化等現象,從而使絕緣的介電性能下降引起絕緣的損壞,引發電機內部的各種放電、短路故障,最終導致電機燒毀［1］。通過分析電機的實際運行狀態,準確描述電機內各部件溫度場的分布,為電機故障的實時預警和診斷提供可靠的依據;并還可以與一些優化設計理論相結合。在冷卻器的優化設計中可以采用兩種方法。一種是做風洞實驗［2］,其可信度高但是成本較大;另一種方是利用計算機做仿真分析來對冷卻器進行優化設計。本文采用第二種方法,這樣不但可以節約生產成本,還可以減少樣機的制造周期,具有重要的意義。

1 冷卻器物理模型與數學模型

YKK450-4、800 kW電動機通風結構如圖1所示。

圖1 電機通風結構Fig.1 Ventilation system of them otor

圖1 所示電機內風路采用密閉循環結構,內部安裝擋風板對流體流動方向進行約束,在電機左側安裝一個離心式風扇,通過離心式風扇產生足夠大的壓強迫使內風路氣體進行循環流動。內風路氣體依次經過定子端部、軸向通風溝、轉子徑向通風溝、氣隙、定子徑向通風溝、內風扇、冷卻器,最后回到定子端部形成一個封閉的循環系統。圖中虛線箭頭所指方向為內風路氣體的流動方向。為了將內風路氣體冷卻,在電機外部安裝離心式風扇,使溫度較低的大氣進人冷卻管從而達到冷卻內風路氣體的目的。外風路冷卻氣體的流動方向為大氣、外風扇、冷卻器人風筒、冷卻管最后回到大氣。圖中實線箭頭所指方向為外風路氣體流動方向。

1.1 冷卻器區域流體場物理模型

本文電機的冷卻器有713根冷卻管,冷卻管排列示意圖如圖2所示。

圖2 冷卻管排列方式Fig.2 Cooling arrangement

冷卻器由冷卻管、人風筒、擋風板組成。本文中將對冷卻器的擋風板和人風筒進行優化設計,將擋風板的個數由1個增加到3個,在人風筒處增加導風板并且改變斜板的角度,從而減小渦流的產生。冷卻器系統的整體模型如圖3所示。

圖3 冷卻器物理模型Fig.3 Physicalmodel of cooler

1.2 基本假設和邊界條件

1.2.1 基本假設

1)計算區域內的雷諾數很大,流動屬于湍流,即采用湍流模型［7］;

2)常壓下空氣冷卻的電機,忽略流體域內流體的浮力和重力的影響［7］;

3)流體流速遠小于聲速,即把電機內流體作為不可壓縮流體處理［7］;

4)僅研究冷卻器內流體場與溫度場的穩定狀態,即定常流動,因而方程中不含有時間項［8］。

1.2.2 邊界條件

1)外風路人口速度為4.7 m/s(人口處5個點速度的平均值),人口溫度為22.0℃(室溫),采用速度人口;外風路出口采用壓力出口;

2)內風路人口速度為6.0 m/s(人口處測出3個點速度的平均值),人口溫度為80.0℃(人口處測量8個點溫度的平均值),采用速度人口;內風路可以計算出電機外殼表面的對流換熱系數為30W/(m2·k)。

1.3 冷卻器區域流體場數學模型

流體流動所遵循的物理定律是建立流體運動基本方程組的依據。這些定律包括質量守恒、能量守恒和動量守恒［3］三大定律。

質量守恒方程為出口采用壓力出口;

3)所有流體和固體的交界面設置為藕合壁面,冷卻器外殼和外界空氣對流換熱,根據電機外殼內壁的風速v(m/s)和電機外殼表面的溫度θ(K),即

動量守恒方程為

式中:p為流體微元體上的壓力;τxx、τxy和τxz為粘性應力τ沿x、y和z方向的分量;Fx、Fy和Fz為微元體上的體積力。

因為本文設計到溫度場計算,還需要能量守恒方程和牛頓冷卻定律及表面傳熱系數。

能量守恒方程為

式中:keff=kt+k為有效導熱系數;Jj'為組分j'的擴散系數動能耗散率;方程右邊為導熱項、組分擴散項和粘性耗散項;Sh是化學反應熱和其它體積熱源。

牛頓冷卻定律表達式［4,10］為

式中:Φ為單位時間通過面積A對流熱流量;Tw為固體表面絕對溫度;T為流體平均溫度;A為傳熱表面積;q為對流換熱熱流面積;α為對流傳熱系數［W/(m2·K)］。

在Fluent中進行數值分析時,采用標準模型,其湍流方程［5］為式中:k為湍動能;ε為湍動能耗散率;μi為i方向速度;μ為動力粘度;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項,Gb是由于浮力引起的湍動能k的產生項,YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻,Sk和Sε為自定義的源項;μt為湍動粘度［6］,可以表示成k和ε的函數,即μt=ρCμ在Fluent中取經驗值C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09;湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數分別為σk=1.0,σε=1.3。

2 冷卻器區域流體場溫度場耦合計算

2.1 原冷卻器區域流體場與溫度場計算

由于冷卻器有713根冷卻鋁管且整體尺寸較大,在進行網格剖分和數值計算時對計算機的內存和運算有很大的要求,因為冷卻器的結構是對稱的,所以本文選取1/9的冷卻器進行建模計算分析。整個計算區域剖分約290萬個單元,370萬個節點。因為本文要對冷卻管的表面散熱情況進行分析,所以對其采用結構化網格剖分,剖分后的模型如圖4所示。

圖4 計算區域網格剖分Fig.4 Computational domain mesh dissection

剖分、定義邊界條件后,數值計算后得到冷卻器的溫度云圖如圖5所示、速度矢量圖如圖6所示、流體跡線圖如圖7所示和外管壁對流傳熱系數如圖8所示。

圖5 截面的溫度圖Fig.5 The temperature distribution of a section

圖6 截面的速度矢量圖Fig.6 The vector velocity of a section

圖7 截面的流體跡線圖Fig.7 Computational domain mesh dissection

圖8 鋁管內表面對流傳熱系數圖Fig.8 A lum inum inner surface convective heat transfer coefficient

從圖5中可以看出內風路人口溫度最高達到80.0℃,經過與冷卻管接觸,在內風路出口的溫度降低到52.5℃,外風路的低溫氣體經過冷卻器后由22.0℃升高到51.0℃。但是從冷卻管溫度分布圖可以看出其溫度升高的不是很多,說明冷卻空氣沒有得到充分的利用。從圖6中看出人風筒區域的流體進人冷卻管后流速增大,這是由于流體流動的截面積突然變小造成的,流量不變,流速增大。從圖7中看出A處有明顯的渦流出現,這將會導致能量損失加大并且產生很大的噪音［9］,但是擋風板處回流的存在有助于熱空氣與冷卻管的接觸,使內風路溫度降低。從圖8中可以看出在內、外風路人口處的對流傳熱系數比較大,這是因為空氣剛進人冷卻管,流速突然增大,流速增加又會使流體內部相對運動加強,從而使對流作用加強,也就使對流換熱加強,對流換熱系數增大［10］。

為驗證數值分析合理性,對YKK450-4、800 kW電機進行試驗對比,使電機工作在額定功率下,達到穩定運行時,測得多組數據來進行求取平均值作為實驗數據。其中外風路出口處的風速共測15個點。表1中給出的試驗數據與數值計算結果的對比圖。

表1 實驗與數值分析對比Table 1 The contrast of experience and numerical analysis

2.2 對冷卻器優化設計計算

從原冷卻器模型中可以看到冷卻管的冷卻空氣沒有被充分的利用;經過分析后,增加導風板來均衡分配每層管的流量;減少人風筒直角的使用可以明顯減少渦流的產生。基于此本文對冷卻器進行優化設計。改變結構后的冷卻器物理模型如圖9所示。將擋風板的個數由1塊變為3塊,即增加擋板1和3,將原擋板上移變為擋板2,對各個部分的優化設計進行分別做如下闡述。

圖9 優化后的模型Fig.9 Themodel of optim ization

2.2.1 對導風板的優化

增添一個導風板,并將導風板在原有的基礎上分別上移20、40、60和80 mm。分別建模進行數值分析計算,得出上移40mm時各層流量分配比較均勻。各層流量分配對比圖如圖10所示,內風路出口溫度對比如圖11所示。從圖10中可以看出改進后冷卻管人口的流量分配更加均勻,這樣會使得管壁散熱效果更好。在圖11中能夠看出導風板上移40mm時內風路出口有所降低,溫度為51.5℃。

圖10 各層流量分配對比Fig.10 Contrast flow distribution layers

圖11 內風路出口溫度對比Fig.11 Contrast of the inner air duct outlet temperature

再將導風板在原有的基礎上分別外移10、20、30和40 mm。重新建模進行對比分析得出將導風板外移30mm時溫度下降教明顯,原因是改變導風板的位置后,從流體跡線圖進行對比分析得出將導風板外移30 mm時使渦流明顯減少,能量損失減少,進而溫度下降,其值為50.8℃。內風路出對溫度對比圖如圖12所示。

圖12 導風板右移溫度對比圖Fig.12 Contrast of temperature of the wind deflector right

2.2.2 對擋板的優化

優化前的冷卻器模型只有一塊擋風板,內風路出來的風沒有得到充分的冷卻,所以將擋風板改成3塊,如圖9所示。改變模型后進行數值計算分析,內風路的出口溫度有明顯的降低,改進前后溫度對比圖如圖13所示。從圖中可以看到溫度降到50.2℃。但是通過數值分析后發現內風路人口所需要的靜壓會提高,所以要想辦法將內風路人口所需靜壓強減小。在圖9中將3塊擋板標號以便區分,首先擋板3的位置保持不變,改變擋板1的位置,并且使擋板2始終處于擋板1和3的中間位置。將擋板1從內人口的右端點依次右移70、140和210mm。計算后發現改變擋板的位置對內風路出口溫度幾乎沒有影響,只對內風路人口所需要的靜壓有很大的影響。對比圖如圖14所示。從圖中看出將擋板1右移210mm時所需要的靜壓強最小為2 776.8 Pa。

圖13 增加擋板個數溫度對比圖Fig.13 Contrast of tem perature at increased the number of baffles

圖14 減靜壓對比圖Fig.14 Contrast of the less static pressure

2.2.3 對冷卻器直角形狀的優化

流體在流動過程中,除了與管壁之間的摩擦阻力以外,由于管道形狀、尺寸變化或發生某些障礙時,流體質點之間的相對速度、方向將發生變化,碰撞將加劇,便產生一定的能量損失［10］。

以壓力降的形式表示為

式中:ζ表示局部阻力系數;ζ'表示風阻系數;Z表示風阻。

電機冷卻系統內,局部損失占很大比重,因此局部阻力系數ζ對電機通風是必不可少的。本文將圖中畫圈的M處的斜板用M'處的圓弧板來代替,這樣可以使ζ降低,從改進后的流體跡線圖中能夠看到M'處的渦流有明顯的減少。斜板改變前后的對比圖如圖15所示。

圖15 改變斜板形狀對比圖Fig.15 Contrast of changed the inclined p late shape

2.3 對冷卻器綜合優化設計結果分析

經過上文對冷卻器結構的改變,按照各個部分的最優值方法設計出冷卻器的物理模型,如表2所示。在Fluent數值迭代后,得到溫度云圖如圖16所示、速度矢量圖如圖17所示、流體跡線圖如圖18所示和內管壁傳熱系數如圖19所示。

表2 整體優化前后對比Table 2 The contrast result of holistic optim ization

圖16 改進后截面溫度圖Fig.16 Improved of tem perature distribution of a section

圖17 改進后速度矢量圖Fig.17 Improved of vector velocity of a section

圖18 改進后的流體跡線圖Fig.18 Improved of fluid traces of a section

圖19 改進后的內管壁傳熱系數Fig.19 Improved of alum inum inner surface convective heat transfer coefficient

改進后冷卻器內風路出口溫度為49.2℃,外風路出口溫度升高到54.9℃,內風路人口所需要的靜壓為2 776.8 Pa。內風路出口的溫度較改變前降低了3.3℃,外風路出口的溫度升高了3.9℃,較原結構有明顯的改善。從速度矢量圖中可以看到改進后冷卻管中的流速大于改進前的,這是因為將人風筒中的渦流減少,從而使能量損失降低,速度增大,流速的增大會使得冷空氣快速流動帶走更多的熱量。從流體跡線圖中可以看到A'上下處的渦流明顯減少,這有助于減少噪音和能量的損失。通過管壁傳熱系數分布圖中我們可以看到增加擋板的個數使得熱空氣與冷卻管進行對流換熱的次數增加,熱空氣和冷卻管能夠更加充分接觸,平均的對流傳熱系數較改變模型前有很大的提高,從而將內風路出口溫度降的更低。

3 結 論

1)通過數值分析計算得到冷卻器內外風路的流體場和溫度場分布,從中可以看出人風筒渦流較大,能量損失大、噪音大。經改進后渦流減少,能量損失減少,冷卻管中流速提高,使冷卻管能夠帶走更多的熱量,從而提高冷卻器的散熱性能;

2)改變擋風板的個數能夠明顯的改善內風路出口的溫度,并且通過改變擋板的位置能夠減少內風路人口所需要的靜壓;

3)通過本文分析得出,在以后設計模型時要避免直角和尖角的出現盡量用平滑的圓弧來代替,這樣可以減少渦流的產生。

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(編輯:劉琳琳)

Heat transfer analysis and cooler optim ization of YKK medium size high voltage asynchronousmotor

WEN Jia-bin1, ZHENG Jun1, YU Xi-wei2
(1.College of Electrical&Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China; 2.Nanyang Explosion Protection Group Co.,LTD,Nanyang 473000,China)

In order to improve the thermal dissipating performance of themotor and to improve the conditions of themotor temperature rise,a numerical analysismethod was applied to optimize the cooling performance of the motor cooler.For AC induction motor YKK closed structure,because of its structural characteristics,the temperature rise is one of key points of the design that is concerned.Firstly,taking a YKK450-4,800kW medium size high voltage asynchronousmotor was taken as an example.By creating its3D physical andmathematicalmodel of cooler of themotor and giving its basic assumptions and boundary conditions according to CFD theories,the fluid field and temperature field were calculated and analyzed,and their contours of cooler were shown.Secondly,by changing the numbers and the positions of the windshields,increasing the deflector and change its position,its optimal valueswere got.Finally,the cooler was remodeled.Numerical analysis shows that the performance of cooler is significantly improved,which provides theoretical basis for optimizing future design of cooler.

medium size high voltage asynchronousmotors;cooler;flow field;temperature field;optimal design

10.15938/j.emc.2015.09.005

TM 301.4

A

1007-449X(2015)09-0033-07

2014-05-21

國家自然科學基金(51275137)

溫嘉斌(1961—),男,博士,教授,研究方向為電機冷卻技術、電機及電機控制;鄭 軍(1989—),男,碩士研究生,研究方向為電機多物理場藕合分析計算;于喜偉(1986—),男,博士,工程師,研究方向為高壓異步電機設計。

溫嘉斌