70MW超大功率同步感应电机三维流场与温升分析.pdf

70MW 超大功率同步感应电机三维流场与温升分析2023.670MW 超大功率同步感应电机三维流场与温升分析李 刚1,刘 恺2,薛 超3(1.中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所,四川 绵阳 621000;2.中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所,四川 绵阳 621000;3.上海电气集团上海电机厂有限公司,上海 200240)摘 要 本文针对某大科学装置 70MW 超大功率同步感应电机结构型式,基于计算流体力学及数值传热学基本原理,在基本假设的基础上,建立了电机三维流场物理模型。根据电机运行特点,确定了分析计算的进出口冷却空气边界条件,分别对额定转速和最高转速工况下电机的内流场和温升进行了分析计算,并将温度计算结果与实验结果进行对比分析,结果显示电机温升计算与实测结果误差小于 6.8%。关键词 超大功率同步电机;流场;温升;有限体积法中图分类号 TM346 文献标志码 A 文章编号 1000-3983(2023)06-0042-07Analysis of Three-dimensional Fluid Field and Temperature Rise of70MW Super Power Synchronous Induction MotorLI Gang1,LIU Kai2,XUE Chao3(1.Facility Design and Instrumentation Institute,China Aerodynamics Research and DevelopmentCenter,Mianyang 621000,China;2.High Speed Aerodynamics Research Institute,ChinaAerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China;3.Shanghai Electric Group Shanghai Electric Machinery Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China)Abstract:The three-dimensional fluid field physical model is built based on fundamental assumptions,computational fluid dynamics and the numerical heat transfer according to structure of 70MW superpower synchronous induction motor for some large scientific facility in this paper.The boundaryconditions of inlet and outlet cooling air for analysis and calculation is defined.The motors fluid fieldand temperature rise of rated speed condition and maximum speed condition are analyzed.Thencalculation is compared with the measurement of motors temperature rise.The error betweencalculating result and measuring result is less than 6.8%.Key words:super power synchronous induction motor;fluid field;temperature rise;finite volumemethod0 前言70MW 超大功率同步感应电机是某大科学装置动力系统的驱动电机,电机采用变频调速控制,额定功率 70MW,额定电压 11000V,额定转速 411r/min,最高转速 946r/min,额定转矩 1627kNm,电机定子和转子均采用空气冷却,轴承采用润滑油冷却。电机的主要参数见表 1。电机具有功率大、运行工况复杂、启停机频繁、调速范围宽、动态响应速度快、临界转速安全裕度高、瞬时过载能力强、设计难度大等特点。电机体积大,定子外径为 3250mm,内径为 2590mm,内部结构复杂,导致电机的通风和散热困难,因此对于电机的通风散热设计,以及内流场和温升的分析计算就显得尤为重要。目前对于电机通风冷却和内流场分析的主要研究方法包括热路法、等效热网络法和有限体积法。热路法计算温升准确性较低,而且只能估算绕组和铁芯的平均温度1-2。这对于电机特别是大型电机的安全运行是一个重要的限制因素3。等效热网络法网络参数242023.6大 电 机 技 术的设置与计算的合理性和准确度将直接影响整体的计算精度,具有很强的局限性4-6。而有限体积法的边界适应性好,可以减少数值分析中的假设条件和经验公式的使用,不仅能够预测电机的温度分布,还可以计算电机的最高和最低温度7-10。表 1 电机主要参数名称数值额定功率/MW70额定电压/V11000额定转速/(r/min)411最高转速/(r/min)946功率因数1绝缘等级F(温升按 B 级考核)防护等级IP44/IP23额定转矩/(kN m)1627冷却方式IC86W噪音等级Y85dB目前利用有限体积法对异步电动机、汽轮发电机、永磁风力发电机、大型同步发电机的内流场和温升进行分析计算的文章较多11-13。而 70MW 超大功率同步电动机自身应用场景很少,因此针对 70MW 超大功率同步电动机的散热分析文献就更少。而且由于超大功率、超宽调速范围和超大转矩等特点,导致超大功率同步电机结构复杂,因此对超大功率同步电机的研究有助于提高此类电机的设计水平。此外,此电机噪声指标要求85dB,对通风冷却的要求更加苛刻。因此本文针对某大科学装置 70MW 超大功率同步感应电机,采用有限体积法对电机温度场及流体场进行数值计算,通过与实验数据进行对比分析,验证了计算方法的正确性和计算结果的准确性。1 数学模型电机冷却系统内的冷却介质以流体的形式流动,其流动特性遵循质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。1.1 基本假设为了确定电机计算数学模型,根据电机技术参数和结构特点,对电机的数学模型作以下假设14:(1)根据初步估算,电机冷却介质的雷诺数 Re 2300,因此采用湍流模型来计算电机内部的流体实际流动形态。(2)根据电机转子直径和电机最高转速,计算出电机转子磁极的最高线速度约为 140m/s,因此电机冷却介质在电机转子附近速度最大,且流速接近转子最大线速度,因此可将电机内的冷却流体视为不可压缩流体。(3)电机在稳态运行时,冷却通道内流体的流动属于定常流动,其控制方程中不含时间项。(4)电机冷却器工作于大气压环境下,浮力和重力的影响可以忽略。(5)由于电机属于对称结构,因此对电机的复杂结构进行简化,以减小计算量。1.2 湍流控制方程根据假设,采用包含湍流方程的瞬时 N-S 方程、雷诺方程和时均连续方程建立整体的控制方程组,得到如下的湍流 k-控制方程15:(k)t+(kui)xi=xj+tk()kxj+Gk-()t+(ui)xi=xj+t()xj+C1kGk-C22k(1)式中,k 为流体湍流脉动动能;为能量耗散率;为流体密度;Gk为湍流产生率;i为流体速度;t 为时间;xi和 xj为位置量;C1和 C2为经验常数;为流体动力黏度;k和 分别是湍动能 k 和耗散率 对应的 Prandtl 数;t为湍动黏度,有 t=Cuk2,其中 Cu为经验常数。2 计算模型2.1 电机风路电机为对称风路,冷却后的空气由电机进风口进入电机内部,分成两路,一路通过转子孔进入转子轴内部,经转子径向风道进入气隙,再进入定子径向风道,通过定子铁芯背部流出,进入冷却器,这是主风路;另一路空气直接进入气隙,在气隙中流动并与第一路空气汇合进入定子径向风道,最后流出铁芯,从电机出风口进入冷却器。电机风路如图 1 所示。2.2 电机损耗电机在额定转速负载工况(411r/min)的各部件总损耗为 998.287kW,具体数值见表 2。电机在最高转速(946r/min)工况下的各部件总损耗为 1426.58kW,具体数值见表 3。3470MW 超大功率同步感应电机三维流场与温升分析2023.6图 1 电机风路图表 2 电机额定转速(411r/min)工况各部件损耗损耗类型数值/kW定子铜耗-铁芯部分156.403定子铜耗-端部部分82.567转子铜耗-铁芯部分141.642转子铜耗-端部部分32.043定子齿部损耗115.352定子轭部损耗138.762转子磁极表面损耗25.075附加损耗199.269机械损耗107.174表 3 电机最高转速(946r/min)工况各部件损耗损耗类型数值/kW定子铜耗-铁芯部分158.85定子铜耗-端部部分83.61转子铜耗-铁芯部分81.42转子铜耗-端部部分18.51定子齿部损耗77.31定子轭部损耗56.78转子磁极表面损耗16.53附加损耗365.78机械损耗567.792.3 边界条件模型空气进口边界条件设定为质量流量入口,出口边界条件设定为压力出口,参考压力为 0Pa,进口质量流量通过下式确定:Qm=P (1-)/(c T)(2)式中,Qm为质量流量;P 为电机额定功率;为电机效率(额定效率为 98.84%);c 为空气比热;T 为电机内风路冷却空气设计温升。空气物性参数按照空气进口温度 40,温升30K,物性参数在定性温度 40+30/2=55 下获得,物性参数见表 4。表 4 进口空气物性参数物性参数数值密度/(kg/m3)1.076动力黏度/(kg/(m s)1.98 10-5比热/(J/(kg K)1007.7导热率/(W/(m K)2.82 10-2普朗特数 Pr0.71通过计算,电机通风冷却所需的空气流量见表5。表 5 进口空气物性参数转速/(r/min)流量/(kg/s)4113394676.72.4 网格剖分由于电机内部冷却空气的良好循环是确保电机满足温升考核标准的前提,因此应对冷却空气对应的流体域及电机定转子对应的固体域及其对流体域的热影响进行计算分析;由于该电机结构呈周向均布,所以简化为 1/12 电机模型,得到如图 2 所示的电机分析模型。图 2 电机 1/12 简化模型进行网格剖分时,基于对转子某些微小通风结构的考虑,网格基本尺寸设置为 0.005m,边界层网格层数设置为 5,边界层网格增长率为 1.3,最终生成网格数为 4700 万,生成用时 7h。电机网格剖分情况如图 3 所示。442023.6大 电 机 技 术图 3 电机网格剖分图3 计算结果3.1 额定转速(411r/min)工况3.1.1 内流场计算结果图 4 所示为额定转速 411r/min 工况下电机通风阻力的计算收敛曲线。从图中可以看出,计算迭代至1300 计算步后,电机通风阻力值已趋于不变,风阻为 202.5Pa,计算亦已趋于收敛。电机内流场压力计算结果如图 5 所示。通过计算结果可以看出:电机进风口区域内气流静压近乎相等;靠近转子转轴附近的气流由于旋转作用静压有所增大;电机出风口区域的气流静压明显低于进风口区域,这是因为气流在电机内部流动由于黏性的存在而产生静压损失,气隙内部由于空气流通截面急剧减小,气流静压有所减小;由于气隙内气流存在轴向流动的同时还受到转子旋转气流的径向冲击,因此气隙内气流静压分布十分复杂。图 4 电机内风路性能曲线图图 5 电机内流场静压分布5470MW 超大功率同步感应电机三维流场与温升分析2023.6电机内流场流速计算结果如图 6 所示。图中可以清楚地看到气流从进风口进入电机的流动情况,空气进入气隙后,在气隙中的流速明显增大,且由于转子的高速旋转,使贴近转子表面的气流速度最大。图 6