箱式YXKK電機鑄鐵機座替換鋼板機座的研究

朱恩旭,蔡合超,陳偉偉,安海峰,王一品

(1． 信陽職業技術學院,信陽 464000; 2． 臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司,南陽 473008)

0 引言

YXKK箱式空空冷系列電機具有低中心高、高功率密度、低溫低噪、高能效等優點,且在產品運行和使用過程中具備安全、維修互換便利等優勢,同時又滿足國家各項能效檢測標準和環保指標。箱式系列電機應用覆蓋面廣泛、涉及行業多種多樣,主要在石油石化、礦山機械、電力化工、煤炭鋼鐵等工況中作為動力驅動設備應用。因此,縮短該系列電機的生產周期,達到大規模批量化生產尤為重要。

當前YXKK系列電機機座的主打結構為鋼板焊接件,也就是將不同外形尺寸的鋼板件依照相應的裝配尺寸和工藝路線焊接組裝成一個穩固牢靠的整體;其優勢主要體現在對于同一通風冷卻結構的中心高電機,鋼板機座適用于該中心高下不同功率檔、不同轉速下的所有電機。鋼板機座雖然能夠提前進行生產、預存備件,但是焊接工序較多、生產周期較長且材料成本和整機重量均是升高的。因此針對YXKK量大面廣的中心高產品提出鑄鐵機座配置方案,實現箱式鑄鐵機座設計,使該中心高下所有類型規格的電機所用機座相同。在一定程度上減少了生產加工時間的同時,也綜合降低了電機成本,提升了YXKK產品的市場競爭力。

目前,已有文獻[1]論述了緊湊型YB系列電機鋼板機座改為鑄鐵機座對電機溫升的影響;文獻[2]對鑄鐵機座電機節能方面進行了分析講解;文獻[3]通過對高壓緊湊型電機薄壁球墨鑄鐵機座制造過程中遇到的關鍵問題進行分析,制定了相關工藝改進措施。本文以YXKK355-4 355 kW 10 kV單側風路冷卻結構電機為研究對象,對該型號電機在鋼板機座與鑄鐵機座兩種情況下的材料及應用方面進行對比,并對這兩種機座結構采用FLUENT軟件進行了溫度場模擬分析計算,同時對該電機的鑄鐵機座進行了固有頻率和強度方面的模擬分析計算。

1 鋼板機座與鑄鐵機座材料及應用方面對比

1．1 材料方面對比

鋼板機座所用材料多為低碳鋼(1%C,即含碳量1%),導熱系數43.2 W/(m·k);鑄鐵機座所用材料多為HT250灰鑄鐵(3%C,即含碳量3%),導熱系數39.2 W/(m·k)。較之于低碳鋼,鑄鐵的塑性、焊接性和基體組織的均勻性雖然都較差,但其含碳量要遠高于低碳鋼,鑄鐵的抗拉強度、韌性和塑性要比同樣基體的低碳鋼要低得多。雖然鑄鐵的機械性能不如鋼,但鑄鐵中的石墨因素大大提升了其基體組織和性能。鑄鐵熔點在1 148～1 400 ℃之間,鐵水流動性好,且石墨在結晶過程中會促使其體積膨脹,大大降低了收縮性,所以鑄鐵多用于鑄件。

1．2 應用方面對比

鋼板機座焊接量大,生產效率低;而鑄鐵機座所用鑄造模具可反復使用,容易制作、成本低、生產周期短、生產效率高。鑄鐵的價格比低碳鋼價格低,在大規模批量生產的前提下,采用鑄鐵件的成本比鋼板焊接加工零件的成本要低的多。

2 電機溫度場仿真模擬及結果分析

2．1 電機通風結構

YXKK系列電機的通風系統是由封閉式內風路和開放式外風路組成的,內風路屬于軸徑向多段分流式通風循環結構,通過軸伸端離心風扇旋轉增壓所提供的壓力,驅使內部流體流動,構成循環風路。外風路同樣在離心外風扇的旋轉驅動作用下,迫使外部低溫氣體進入冷卻管內部,通過冷卻管管壁與電機內部的高溫氣體進行強迫對流換熱,從而達到降低內部空氣溫度和繞組溫升的目的。電機通風結構如圖1所示。

圖1 電機通風結構示意圖

2．2 基本假設

根據電機特征以及機座的換熱特性,對該電機的分析模型進行下列假定,并采用Fluent分析軟件進行模擬計算[4-6]。

(1) 流體域流體的雷諾數很大(Re>2300),流體此時處于湍流流動狀態,故采用湍流模型對電機機座內部流場進行仿真模擬;

(2) 假定電機內冷卻介質的浮力和重力不存在;

(3) 研究電機流體域流體流速的穩定狀態,即定常流動,控制方程中不含時間項;

(4) 將電機定子鐵心疊壓硅鋼片看成一個整體進行建模;

(5) 定子槽內多匝繞組作為一個整體建模,并忽略繞組的集膚效應;

(6) 假定槽楔近似與槽同寬;

(7) 假定電機內各部件緊密接觸,無接觸熱阻;

(8) 忽略電機槽內由于制造工藝所帶來的誤差。

2．3 電機溫度場計算求解模型

根據YXKK355-4 355 kW 10 kV單側風路冷卻結構電機結構的特點,采用三維繪圖軟件Solid Works2016進行模型建立,忽略不影響電機熱流耦合計算的螺栓結構連接件、密封裝置等部件,簡化建立仿真分析用兩種機座通風冷卻系統下的電機溫度場計算物理模型。該物理模型涵蓋了機座、定子線圈、定子鐵心、轉子導條、轉子鐵心、內風扇、兩端端蓋等零部件,建立溫度場仿真分析用求解模型如圖2所示。

圖2 溫度場求解模型

其中除了機座不同外,內部定轉子等結構都是相同的,且兩端端蓋和機座均采用實際建模方法,將端蓋散熱筋和機座筋按照與實際電機1∶1的比例進行求解模型的建立。根據所見三維模型計算可得:鋼板機座電機整體外表面換熱面積為6.18 m2,鑄鐵機座電機整體外表面換熱面積為8.05 m2;鑄鐵機座電機整體外表面換熱面積是鋼板機座的1.3倍。

2．4 邊界條件

采用多面體網格劃分軟件Fluent meshing19．2對所建立的溫度場3D求解模型進行網格劃分,保證網格質量至少達到0.25。該電機是根據實物所構成的熱流耦合空間來進行溫度場數值仿真計算的,因此需要對進口邊界和內部旋轉區域設置邊界條件。

(1) 環境溫度20 ℃,進口邊界采用整機流場得到的流量,鋼板機座內風路進口流量為0.439 m3/s,鑄鐵機座內風路進口流量為0.444 m3/s;根據外風路得到的冷卻風量和能量守恒關系計算得到進口溫度為30 ℃,出風口為壓力出口設置為0 Pa;機殼外表面為自然對流換熱,對流換熱系數為9.73 W/(m2·K)。

(2) 電機流體旋轉模擬時采用MRF參考系數,轉速1 500 r/min。

(3) 采用k-epsilon Realizable Enhanced湍流模型進行溫度場模擬計算[6]。

2．5 數學模型

在工程實際應用中,電機流體的速度要遠小于聲速,且空氣的密度幾乎保持不變,故在該文中將空氣定性為不可壓縮氣體。電機流體的流動滿足質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程,其相應的控制方程如下[7-10]。

(1) 質量守恒方程

質量守恒方程即連續性方程,是任何流動問題都必須滿足的控制方程。質量守恒方程可表述為:

式中:u、v、w分別為x、y和z方向的速度分量。

(2) 動量守恒方程

動量守恒方程也稱作運動方程即N-S方程,x、y、z三個方向的動量守恒方程為:

式中:ρ為密度;p為壓力;τxx、τyx和τzx等為黏性應力τ的分量。解決任何流動系統問題也必須滿足動量守恒方程這一基本方程。

(3) 能量守恒方程

式中:cP為比熱容;T為溫度;k為流體的傳熱系數;ST為流體的內熱源及由于黏性作用流體機械能轉換為熱能的部分,有時簡稱ST為黏性耗散項。

2．6 溫度場特性分析

圖3為通過云圖可視化展現了鋼板機座和鑄鐵機座的軸截面溫度分布境況?？梢园l現這兩張溫度云圖的溫度范圍是一致的。

圖3 機座軸截面溫度云圖

對比可知:兩種方案轉子導條和轉子鐵心溫度變化不大,這是由于進風口溫度一樣且進口流量變化很小,且由于氣隙的存在導致定轉子部位換熱較差。雖然鋼板的導熱系數43.2 W/(m·k)略大于鑄鐵的導熱系數39.2 W/(m·k),但是鋼板機座方案的定子鐵心和定子線圈溫度要高于鑄鐵機座方案。一方面是因為鑄鐵機座定子鐵心背部到機座壁空腔距離小,因此背部對流與機座表面換熱更為充分;另一方面定子鐵心背部與機座表面的換熱還是對流為主,一般考慮的還是對流換熱系數,空氣無對流的導熱熱阻非常大。兩種方案各部位的平均溫度對比如圖4所示。

圖4 兩種方案各部位平均溫度對比

兩種方案轉子部位平均溫度一樣,鑄鐵機座較之鋼板機座定子鐵心平均溫度低了5 K,定子線圈平均溫度低了6 K。證明了在通風散熱方面鑄鐵機座結構要優于鋼板機座結構。

3 鑄鐵機座剛度和強度分析

以箱式YXKK355-4 355 kW 10 kV電機機座為研究對象,該機座采用HT250灰鑄鐵鑄造,利用SolidWorks繪制其三維模型,Ansys計算其固有頻率和強度。

通過模態分析對電機定子結構設計進行校核,降低電機在后續生產試驗和使用中的振動風險,確保結構的固有頻率避開激勵頻率且有足夠的隔離裕度。該電機的一階模態為73.784 Hz,與工作轉速50 Hz的隔離裕度為47.57%,滿足15%的隔離裕度要求,如圖5所示。

圖5 箱式355電機一階模態振型

通過強度分析對電機機座結構設計進行校核,確保電機機座結構的最大應力滿足材料許用應力的要求。電機機座強度的主要校核對象為電機的吊環結構,在電機吊裝過程中,電機吊環往往承受相當于數倍其自身重力的拉力。參考GE電機公司對鑄鐵機座電機吊環強度的相關規定,且針對大中型電機在起吊過程中可能存在起吊速度不均勻、搖擺等危險情況,為保證電機在生產、運輸過程中的安全性,采用5倍電機總重力作為本次分析電機吊環的受力條件,吊裝角度為30°,運用仿真技術模擬吊環的受力情況。在電機5倍總重力下的單個吊環強度為66.178 MPa,安全系數為3.78,滿足強度要求。機座強度起吊考慮5倍重力過于保守;且兩相短路等極端工況未分析考核,如圖6所示。

圖6 箱式355機座吊環強度

該電機的額定功率為355kW,額定轉矩為1 130 N·m,按6倍額定轉矩模擬電機兩相短路的極端工況,對電機機座進行強度有限元仿真計算。在6倍額定轉矩作用下,機座最大應力為6.689 MPa,安全系數37.37,滿足強度要求,如圖7所示。

圖7 兩相短路下箱式355機座強度

4 結論

通過對鋼板機座與鑄鐵機座材料及應用方面進行對比分析可知,在生產成本、生產周期、生產效率等方面,鑄鐵機座均要優于鋼板機座。

相比于鋼板機座結構,鑄鐵機座結構線圈繞組平均溫升比鋼板機座低了6 K,證明了在通風散熱方面鑄鐵機座結構同樣優于鋼板機座結構。

鑄鐵機座完全能夠滿足電機正常工作的各種條件,且與鋼板機座相比,大批量生產的情況下成本更低。