淺析高功率密度輕量化應(yīng)急搶險(xiǎn)排水泵設(shè)計(jì)

周應(yīng)來(lái)，陳興，代莉 ，唐欣怡，李志鵬

（1.湖南省應(yīng)急排水搶險(xiǎn)設(shè)備工程技術(shù)研究中心；2.長(zhǎng)沙迪沃機(jī)械科技有限公司；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

由于應(yīng)急排水環(huán)境限制，移動(dòng)應(yīng)急搶險(xiǎn)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(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了電泵一體化設(shè)計(jì)的方案，開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

1 要求與設(shè)計(jì)

1.1 性能設(shè)計(jì)要求

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研提出設(shè)計(jì)要求：泵額定點(diǎn)流量700m3/h，泵額定點(diǎn)揚(yáng)程10m，泵參考點(diǎn)流量800m3/h，泵參考點(diǎn)揚(yáng)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(shè)計(jì)

為適于應(yīng)急環(huán)境，產(chǎn)品設(shè)計(jì)要保證外形尺寸小、重量輕、功率密度大，采用電泵一體化設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

采用高速低汽蝕優(yōu)秀水力模型，利用CFD模擬計(jì)算模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)加大水泵葉輪進(jìn)口沖角和減少水泵進(jìn)口阻力方式，達(dá)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(jī)繞線封裝導(dǎo)熱設(shè)計(jì)

為解決電機(jī)繞組通過(guò)空氣熱傳導(dǎo)慢的問(wèn)題，采用一種繞線封裝導(dǎo)熱的創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)高導(dǎo)熱材料把電機(jī)繞組與機(jī)殼連接，使繞組產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至高導(dǎo)熱材料再通過(guò)機(jī)殼擴(kuò)散到外界冷卻介質(zhì)，可大大的提高電機(jī)散熱能力，減小電機(jī)尺寸，節(jié)材減重。

1.5 強(qiáng)制引流冷卻設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步改良電機(jī)散熱能力，降低電機(jī)溫升，電機(jī)機(jī)殼采用流線型強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)形式，使電機(jī)機(jī)殼外表面冷卻介質(zhì)流動(dòng)的更快，提升電機(jī)冷卻性能，減小電機(jī)尺寸，節(jié)材減重。

2 設(shè)計(jì)CFD分析

2.1 泵數(shù)值模擬計(jì)算：

轉(zhuǎn)速n=3100r/min，葉輪外徑D2=192mm，控制工況點(diǎn)一：流量：700m3/h，揚(yáng)程：10m，控制工況點(diǎn)二：流量：800m3/h，揚(yáng)程：8m，電機(jī)額定功率30kW。

對(duì)該泵用mesh進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，用CFX進(jìn)行模擬計(jì)算，采用壓強(qiáng)進(jìn)口、流量出口邊界條件，采用SST湍流模型，收斂精度為10-5。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

從表1可看出，額定流量點(diǎn)為流量700m3/s，此時(shí)效率為62.01%，軸功率為30.52kW，超過(guò)了電機(jī)額定功率。結(jié)合全揚(yáng)程性能來(lái)看，控制工況點(diǎn)一700m3/h的揚(yáng)程略低于揚(yáng)程10m要求，控制工況點(diǎn)二800m3/h的揚(yáng)程略低于揚(yáng)程8m的要求。

對(duì)泵額定流量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算得圖2、圖3云圖。由圖2葉片與導(dǎo)葉展開(kāi)圖的速度流線圖導(dǎo)葉處有漩渦現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其泵效率較低，故進(jìn)行了導(dǎo)葉改進(jìn)設(shè)計(jì)，消除了旋渦，有效提高了效率。

圖2 葉片與導(dǎo)葉展開(kāi)圖的速度流線圖

圖3 葉片與導(dǎo)葉展開(kāi)圖的壓力云圖

2.2 電機(jī)熱傳遞分析

電機(jī)作為水泵驅(qū)動(dòng)核心，直接影響水泵的性能。應(yīng)急搶險(xiǎn)排水泵由于其使用工況的特點(diǎn)，一般都采用體積更小、功率密度更高的永磁同步電機(jī)，由此帶來(lái)的溫升較高問(wèn)題是目前應(yīng)急搶險(xiǎn)排水泵用電機(jī)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)之一。為此，在電機(jī)的設(shè)計(jì)初期，就應(yīng)將電機(jī)的溫升設(shè)計(jì)在合理的溫升范圍內(nèi)。

應(yīng)急搶險(xiǎn)排水泵用電機(jī)潛水使用，主要通過(guò)介質(zhì)來(lái)進(jìn)行冷卻，相比一般的電機(jī)工況冷卻條件較好。但應(yīng)急搶險(xiǎn)排水泵有時(shí)會(huì)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(huì)使電機(jī)的溫升增加。所以采用常規(guī)潛水電機(jī)的熱負(fù)荷經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，已經(jīng)不能滿足對(duì)電機(jī)體積更小、重量更輕的設(shè)計(jì)要求。

永磁同步電機(jī)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(fēng)摩損耗等其它雜散損耗，表2為應(yīng)急搶險(xiǎn)排水泵用永磁電機(jī)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(jī)內(nèi)部的主要熱源來(lái)自定子，其熱傳遞如圖4所示。

表2 應(yīng)急搶險(xiǎn)排水泵用永磁電機(jī)損耗

定子的熱量通過(guò)外殼流過(guò)的介質(zhì)帶走，從而保證電機(jī)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(jī)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(jī)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(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膠傳遞給機(jī)殼，相比傳統(tǒng)的端部熱量通過(guò)空氣傳遞給機(jī)殼，其熱阻大大降低。繞組灌膠對(duì)電機(jī)溫升的影響，繞組灌膠后熱傳遞圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)繞組端部灌膠熱傳遞圖

為了對(duì)比驗(yàn)證繞組灌膠與不灌膠對(duì)電機(jī)溫升的影響，采用Fluent對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。機(jī)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(duì)其設(shè)置熱源，對(duì)額定點(diǎn)進(jìn)行熱仿真分析，灌膠的額定點(diǎn)穩(wěn)態(tài)熱分析圖5所示。從圖中可以看出灌膠對(duì)繞組溫升改善很明顯，繞組端部最高溫度可以降低36℃。因?yàn)閷?dǎo)熱膠的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的將近100倍，熱量直接由導(dǎo)熱膠傳遞給機(jī)殼，進(jìn)而由介質(zhì)帶走。

圖5 電機(jī)徑向切面（灌膠）

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

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)城鎮(zhèn)、工礦、建筑工地惡劣復(fù)雜環(huán)境排水問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的高功率密度輕量化應(yīng)急搶險(xiǎn)排水泵，便于移動(dòng)作業(yè)，方便靈活高效，是一種能滿足各種移動(dòng)搶險(xiǎn)排水的新設(shè)備，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。