船用高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)通風(fēng)冷卻風(fēng)道數(shù)值研究

2015-12-19 08:36:24姚汝林劉建成馮國(guó)增孫少哲

艦船科學(xué)技術(shù) 2015年6期

姚汝林，劉建成，馮國(guó)增，孫少哲

(1．招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇南通226100;2．江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

0 引言

風(fēng)機(jī)電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種損耗，包括鐵芯損耗、繞組損耗、勵(lì)磁損耗和機(jī)械損耗。這些損耗最終會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，使電機(jī)的溫度升高。溫升過(guò)高將直接影響電機(jī)繞組絕緣材料的壽命，降低電機(jī)出力，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電機(jī)。實(shí)踐表明，溫升每高10℃，電機(jī)的使用壽命平均縮短一半［1］。因此有必要準(zhǔn)確地計(jì)算電機(jī)溫度場(chǎng)的分布情況，進(jìn)行電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通風(fēng)冷卻方式廣泛應(yīng)用在各中大型電機(jī)上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)的分析，傳統(tǒng)的方法為等效熱網(wǎng)絡(luò)法［2］，該方法只能大致地得到鐵芯和繞組的總體溫升和平均溫升，而無(wú)法真實(shí)的反映電機(jī)內(nèi)部溫度的分布情況以及過(guò)熱點(diǎn)的位置和數(shù)值。實(shí)驗(yàn)方法能夠獲得電機(jī)溫升、冷卻風(fēng)量等參數(shù)，但由于實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)計(jì)成本的限制，很少在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的大幅提高以及計(jì)算流體力學(xué)的成熟應(yīng)用，有限元方法逐漸成為電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算的主流，已經(jīng)能夠部分代替實(shí)驗(yàn)研究。然而，目前大多數(shù)文獻(xiàn)［3－6］在電機(jī)冷卻方面的研究還集中在流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的單一物理場(chǎng)的計(jì)算分析上，多物理場(chǎng)耦合的研究還很少。

本文以某型船用高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)其通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，并采用計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)手段對(duì)該船用高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)和通風(fēng)冷卻風(fēng)道的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)開(kāi)展耦合數(shù)值模擬，分析電機(jī)外殼、定子和轉(zhuǎn)子的溫度分布情況，以期為保證電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和安全可靠運(yùn)行提供參考。

1 三維物理模型的建立與網(wǎng)格劃分

某型高溫風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，電機(jī)額定功率55 kW。該風(fēng)機(jī)用于船舶通風(fēng)排煙系統(tǒng)，排風(fēng)溫度高于200℃，圖1 中的箭頭為高溫?zé)煔馕敕较?。?duì)于如此高溫度的排風(fēng)，如果不采取合理有效的電機(jī)冷卻手段，電機(jī)將很快燒毀，因此根據(jù)電機(jī)冷卻的設(shè)計(jì)目標(biāo)，須將電機(jī)外殼溫度降低到110℃以下。通風(fēng)冷卻方式如圖2 所示，以一遮熱罩作為冷卻風(fēng)道將電機(jī)與高溫?zé)煔飧艚^，冷卻空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，流經(jīng)電機(jī)外殼表面時(shí)，通過(guò)對(duì)流換熱作用將電機(jī)產(chǎn)生的熱量帶走，后從出風(fēng)口排出。

根據(jù)高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)的實(shí)際尺寸建立三維物理模型，定、轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化為實(shí)心圓柱體，如圖2 所示，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，因此選擇模型的一半作為計(jì)算區(qū)域。如圖3 所示，將計(jì)算區(qū)域分為3 個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分:冷卻風(fēng)道、電機(jī)外殼和定轉(zhuǎn)子。3 個(gè)部分都采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)141 萬(wàn)。然而根據(jù)計(jì)算需要，各部分的網(wǎng)格密度和數(shù)量不同，冷卻風(fēng)道網(wǎng)格數(shù)98 萬(wàn)，電機(jī)外殼網(wǎng)格數(shù)37.1 萬(wàn)，定轉(zhuǎn)子網(wǎng)格數(shù)5.9 萬(wàn)。另外在冷卻空氣進(jìn)風(fēng)口處進(jìn)行了網(wǎng)格加密，如圖4 所示。

圖1 某型船用高溫風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of marine high temperature exhaust blower motor

圖2 高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)三維物理模型Fig.2 Three-dimensional physical model of marine high temperature exhaust blower motor

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of the computational domain

圖4 進(jìn)風(fēng)口處網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of the air inlet

2 控制方程與邊界條件

該問(wèn)題需同時(shí)求解連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。為簡(jiǎn)化控制方程，在此做出以下假設(shè):1)所需計(jì)算的是最終的通風(fēng)冷卻效果，因此忽略控制方程組中的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng);2)空氣流動(dòng)的馬赫數(shù)小于0.3，因此不考慮空氣的可壓縮性;3)考慮重力和浮力的影響，應(yīng)用Boussinesq 假設(shè)來(lái)模擬浮力流動(dòng);4)忽略連續(xù)方程中的質(zhì)量源項(xiàng)。因此得到的控制方程組為:

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

式中Sh為體積熱源的源項(xiàng)，此處應(yīng)等于電機(jī)的發(fā)熱量。電機(jī)工作時(shí)的發(fā)熱量Q 按下式確定:

式中:P 為電機(jī)額定功率，kW;η 為電機(jī)效率，%。計(jì)算得到該電機(jī)的發(fā)熱量為6.1 kW。

另外，冷卻空氣的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，選擇帶旋流修正的k－ε 模型(Realizable k - ε)計(jì)算湍流粘性系數(shù)，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。由于高溫?zé)煔獾呐棚L(fēng)溫度高于200℃，因此不能忽略輻射換熱的影響，采用P－1 輻射模型計(jì)算熱輻射。帶旋流修正的k－ε 模型和P －1 輻射模型的方程可參見(jiàn)Fluent 幫助手冊(cè)。

邊界條件設(shè)置如表1 所示，其中進(jìn)風(fēng)口的入口速度分別設(shè)定為10 m/s、20 m/s、30 m/s 和40 m/s，入口溫度同時(shí)也分別考慮4 種情況，即25℃、30℃、35℃和40℃，共16 組計(jì)算工況。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖5 為入口溫度25℃，入口風(fēng)速20 m/s 情況下冷卻風(fēng)道的流線圖，從圖中可以看到冷卻空氣從冷卻風(fēng)道中間的進(jìn)風(fēng)口流入，與電機(jī)外殼表面充分接觸后，從圖中左上角位置的出風(fēng)口流出。還可以觀察到，氣流在靠近進(jìn)風(fēng)口處出現(xiàn)了旋渦，這是由于電機(jī)的阻擋造成的。雖然旋渦會(huì)造成風(fēng)機(jī)阻力損失的增大，然而實(shí)際上該類(lèi)旋渦對(duì)于增強(qiáng)電機(jī)散熱來(lái)說(shuō)有利。

圖5 冷卻風(fēng)道流線圖(t=25℃，v=20m/s)Fig.5 Streamlines of the cooling air duct (t=25℃，v=20m/s)

圖6 為入口溫度25℃、入口風(fēng)速20 m/s 情況下電機(jī)外殼肋片處的溫度分布情況，從圖中可以看到翅片上的等溫線向右側(cè)傾斜，即右側(cè)比左側(cè)的分布要密，而且右側(cè)的溫度要比左側(cè)的溫度低。

圖6 電機(jī)外殼肋片處的溫度分布(t=25℃，v=20m/s)Fig.6 The temperature distribution of the fins(t=25℃，v=20m/s)

圖7 為入口溫度25℃，入口風(fēng)速分別為10 m/s、20 m/s、30 m/s 和40 m/s 情況下的電機(jī)外殼的溫度分布。從圖中可以看出，當(dāng)入口風(fēng)速為10 m/s 時(shí)，電機(jī)表面的局部溫度達(dá)到391 K (118 ℃)，超過(guò)了所要求的110 ℃。在其他3 個(gè)工況下，電機(jī)表面的溫度都在110 ℃以下。從圖中還可以看出，所有工況下電機(jī)表面上溫度最高的位置都位于電機(jī)外殼上遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的地方。

圖7 四種不同進(jìn)風(fēng)工況下電機(jī)外殼的溫度分布Fig.7 The temperature distribution of the motor shell in four conditions of ventilation

所計(jì)算的16 組不同進(jìn)風(fēng)工況的結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2 所示，表中t25v10 為入口溫度25℃風(fēng)速10 m/s。從表中可看到，入口風(fēng)速為10 m/s 的情況下，無(wú)論對(duì)于何種入口溫度，電機(jī)外殼的局部最高溫度都超過(guò)了所要求的110℃。另外，當(dāng)入口風(fēng)速大于30 m/s 的情況下，只要從外界環(huán)境引入的冷卻空氣溫度小于40℃，都可滿足電機(jī)冷卻設(shè)計(jì)的要求。

表2 不同進(jìn)風(fēng)工況下電機(jī)表面溫度Tab.2 The surface temperature of the motor shell in different conditions of ventilation

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型船用高溫電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬分析，可以得到以下結(jié)論:

1)采用計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)手段對(duì)該船用高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)和通風(fēng)冷卻風(fēng)道的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)開(kāi)展耦合數(shù)值模擬能夠?qū)崿F(xiàn)。計(jì)算得到的冷卻空氣溫升、電機(jī)外殼平均表面溫度和局部最高溫度可以作為電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，達(dá)到縮短研發(fā)周期、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本、提高研發(fā)效率的目的。

2)該船用高溫電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于確定冷卻空氣的進(jìn)風(fēng)溫度和風(fēng)量，這在設(shè)計(jì)前是未知的。本文通過(guò)考慮外界環(huán)境可能的溫度變化范圍，假定進(jìn)風(fēng)口溫度與風(fēng)速，反復(fù)試算得到了盡可能最佳的結(jié)果。

3)理論上冷卻空氣的流速越大，電機(jī)散熱的效果就越好，然而所需的冷卻風(fēng)量就越大，相應(yīng)冷卻風(fēng)扇的體積就越大，采用體積過(guò)大的冷卻風(fēng)扇不合理，因此在能夠達(dá)到電機(jī)冷卻要求的前提下，盡可能采用較小的冷卻風(fēng)量才合理。

［1］閆玉軍，吳亞旗．船用電機(jī)溫升過(guò)高的原因分析及處理方法［J］．船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2011，44(5):21 －23．

［2］溫志偉．基于數(shù)值分析的大型同步電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)的研究［D］．北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院(電工研究所)，2006．

［3］MAYNES B D J，KEE R J，TINDALL C E，et al．Simulation of airflow and heat transfer in small alternators using CFD［J］． IEE Proceedings Electric Power Applications，2003，150(2):146 －152．

［4］DI G A，PERINI R． Analytical evaluation of the stator winding temperature field of water-cooled induction motors for pumping drives:ICEM，Espoo Finland，2000［C］//Helsinki University of Technology．

［5］江熒．自扇冷式電機(jī)冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析及風(fēng)扇設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2014(1):115 －119．