基于類比設(shè)計法的國產(chǎn)國產(chǎn)1000mw發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計

0閉路冷卻電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)代主要設(shè)備采用更高的電機(jī)負(fù)荷，以提高材料的利用率。因此，有必要研究電機(jī)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上計算通風(fēng)和電機(jī)加熱，以確保電機(jī)質(zhì)量的可靠性。閉路冷卻電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示,其初級冷卻介質(zhì)空氣通過電機(jī)沿著閉合線路進(jìn)行循環(huán);初級冷卻介質(zhì)中的熱量經(jīng)循環(huán)空氣—水冷卻器傳遞給初級冷卻介質(zhì)海水,并經(jīng)海水將熱量帶入大海。電機(jī)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的氣體動力和傳熱系統(tǒng),其設(shè)計計算方法可分為三類:一為相似模型法,二是有限元數(shù)值計算法,三為經(jīng)驗類比法。三種方法都必須經(jīng)過模型或真機(jī)實測才能分析證實通風(fēng)計算的正確性和合理性。這里我們選用類比設(shè)計計算法并以一臺1000kW發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行設(shè)計計算。1建筑風(fēng)機(jī)塔壓的計算工作為三步:第一步,采用類比設(shè)計法設(shè)計出整個通風(fēng)系統(tǒng),通過假設(shè)簡化繪制出等值風(fēng)路圖,計算等值風(fēng)阻;第二步,根據(jù)風(fēng)扇外特性曲線圖譜,結(jié)合電機(jī)通風(fēng)冷卻計算所需的總通風(fēng)量及等值風(fēng)阻計算值,確定風(fēng)扇規(guī)格并計算電機(jī)各主要部位風(fēng)速、風(fēng)量及表面散熱系數(shù);第三步,進(jìn)行電機(jī)溫升計算。2通風(fēng)系統(tǒng)等效風(fēng)路圖及等效風(fēng)阻計算2.1轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道空氣源至清源方向⑴由于非風(fēng)扇側(cè)端部空間截面較大、流速較低,近似認(rèn)為端部壓力主要表現(xiàn)為靜壓力并各處相等。⑵根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)實驗分析,繞組端部風(fēng)阻很小略去不計。⑶空氣從端部進(jìn)入通風(fēng)窗、氣隙、定子鐵心背部,這些都視作入口。⑷由于氣隙截面積相對很小,假定轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道氣流經(jīng)氣隙全部進(jìn)入定子徑向風(fēng)道;同時假定氣隙內(nèi)氣流從入口開始沒有分流全部進(jìn)入風(fēng)扇一側(cè)端部。⑸在確定從轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道經(jīng)氣隙進(jìn)入定子徑向風(fēng)道,以及從定子徑向風(fēng)道進(jìn)入定子鐵心背部時,都認(rèn)為氣流是從中間的等值通風(fēng)道流出。⑹不考慮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對風(fēng)阻的影響。經(jīng)過以上假定,由圖1電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)而繪制出圖2等值風(fēng)路圖。2.2心式小重風(fēng)壓頭計算冷卻系統(tǒng)設(shè)計中在主機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心中設(shè)置數(shù)段長10mm徑向通風(fēng)道,徑向通風(fēng)道由導(dǎo)風(fēng)片支撐組成。轉(zhuǎn)子導(dǎo)風(fēng)片從效果上來講構(gòu)成等效離心式小風(fēng)扇,由于此等效小風(fēng)扇外徑比主風(fēng)扇小許多,經(jīng)計算對電機(jī)整體風(fēng)路計算中總壓頭的產(chǎn)生不起主導(dǎo)作用,因此,在整體風(fēng)路計算中不考慮其作用,這樣計算結(jié)果偏安全。但此等效小風(fēng)扇對局部風(fēng)路中氣流分布有重要影響作用,它產(chǎn)生的壓頭足以將經(jīng)過轉(zhuǎn)子鐵心通風(fēng)窗氣流輸送入轉(zhuǎn)子、定子徑向通風(fēng)道內(nèi)并產(chǎn)生足夠流速,對鐵心中段散熱具有重要意義。我們分析這也是本文計算結(jié)果溫升值比實側(cè)值略高的原因之一。2.3局部風(fēng)阻值計算根據(jù)流體力學(xué)知識,管道中風(fēng)壓降式中,g—重力加速度;r—空氣重度;S—小截面處面積;Q—風(fēng)量;ζ—磨擦損耗系數(shù)。實際管道中有管道截面突然擴(kuò)大、縮小、出口、入口、折彎等各種局部損耗,可分別將實際通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)按流體力學(xué)局部損耗系數(shù)計算要求進(jìn)行換算后,查專業(yè)圖表或經(jīng)驗公式計算出各局部損耗系數(shù),進(jìn)而代入式(2)計算出各局部風(fēng)阻值,見表1。風(fēng)阻串聯(lián)合成風(fēng)阻風(fēng)阻并聯(lián)合成風(fēng)阻根據(jù)圖2等值風(fēng)路圖各風(fēng)阻串并聯(lián)情況,分別將表1中各數(shù)值代入式(3)、(4)中計算:3計算各主要部件的風(fēng)速、流量和表面活性劑的因素3.1u3000酸、堿分別溫升k其中,Q總—電機(jī)通風(fēng)冷卻所需總空氣流量(m3/s);∑Ph—需由冷卻介質(zhì)帶走的損耗(kW);Ca—冷卻介質(zhì)比熱,對于空氣按一般情況可取為1.1(kJ/m3·℃);Qa—冷卻介質(zhì)通過電機(jī)后溫升(K)。根據(jù)多年來引進(jìn)生產(chǎn)西門子船用發(fā)電機(jī)經(jīng)驗,Qa一般在32～40K之間,此處我們設(shè)定為Qa=37.0K;∑Ph經(jīng)電機(jī)電磁設(shè)計計算其值為60kW。將這些數(shù)值代入式(5)計算Q總=1.5(m3/s)3.2風(fēng)扇設(shè)計根據(jù)總風(fēng)阻Zd總、總風(fēng)量Q總、電機(jī)轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)扇外特性曲線圖譜,可確定風(fēng)扇規(guī)格。3.3p總壓降p氣隙水系統(tǒng)ΔP=ZQ2(6)式中,ΔP—風(fēng)壓降;Z—風(fēng)阻;Q—流量。利用式(6)及計算出的各風(fēng)阻值和總流量,可分別計算出如下各參數(shù):(1)通風(fēng)系統(tǒng)總壓降ΔP總=Zd總×Q總2=907(Pa)(2)主機(jī)轉(zhuǎn)子端部兩側(cè)風(fēng)壓降ΔP主轉(zhuǎn)兩端=543(Pa)ΔP氣隙=ΔP主轉(zhuǎn)兩端=543(Pa)(3)氣隙中空氣流量及空氣流速(4)定子鐵心背部流量及流速Q(mào)鐵背和=Q總-Q氣隙=1.5(m3/s)(5)定子B端流量及流速,定子A、B兩端部壓降,定子A端部流速(6)轉(zhuǎn)子上各處流速4合成熱阻rcu計算時假設(shè)繞組銅和鐵心的導(dǎo)熱系數(shù)為無窮大,即“銅”和“鐵”均為等溫體;空氣外冷式電機(jī)溫度降集中在繞組絕緣和有關(guān)散熱表面冷卻介質(zhì)流體層中。由于氣隙中有軸向氣流熱阻很大,定轉(zhuǎn)子間的熱交換可略去不計。在此情況下,定子和轉(zhuǎn)子可以各自組成獨立的二熱源熱路。定子二熱源熱路如圖3所示并假定銅鐵四周冷卻空氣溫度相同。定子銅耗熱量從三條途徑散出:(1)從繞組端部表面散出傳給空氣,其熱阻為Rc1;(2)從通風(fēng)道中繞組表面?zhèn)鹘o空氣Rc2;(3)先傳給鐵心,再由鐵心傳給空氣,銅鐵間熱阻RCF。定子鐵心損耗產(chǎn)生熱量從四條途徑散出:(1)從通風(fēng)道表面RF1;(2)從鐵心內(nèi)圓表面RF2;(3)從鐵心外圓表面RF3;(4)先傳給銅,銅再傳給空氣RCF。由圖可列下列方程合成熱阻RCu合成熱阻RFe解式(7)和式(8)有上面各個熱阻詳細(xì)分析計算過程省略,計算結(jié)果如下:RCF=96×10-6(℃/W);RC1=4864.4×10-6(℃/W)RC2=38180×10-6(℃/W);RF1=10427×10-6(℃/W)RF2=14546×10-6(℃/W);RF3=31634×10-6(℃/W)RCu=4314×10-6(℃/W);RFe=5095×10-6(℃/W)最后再將電機(jī)電磁計算等效銅、鐵發(fā)熱量結(jié)果PFe=9310(W),PCu=22119(W)及前述RCu、RFe一并代入式(11)、(12)計算可得:θCu=73(K),θFe=72(K)按照上述通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)電機(jī),我廠已經(jīng)生產(chǎn)十多臺,供遠(yuǎn)洋船舶成功配套使用。經(jīng)多臺電機(jī)實物試驗,溫升試驗平均結(jié)果如下:定子繞組平均溫升值(電阻法)△t銅=69.5K電機(jī)冷卻介質(zhì)空氣平均溫升△t空氣=31.1K5基于升計算的設(shè)計方案經(jīng)過大量的理論分析計算和實物電機(jī)試驗測量驗證,表明電機(jī)平均溫升計算值與實測試驗值相對偏差為5%;冷卻介質(zhì)空氣平均溫升計算值與實測值相對偏差為2%。通過這些數(shù)據(jù)表明,此型船用電機(jī)通風(fēng)冷