自扇冷式牽引電機(jī)風(fēng)扇性能優(yōu)化

鄭國麗,申 政,崔 可,何維林

(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

自扇冷式牽引電機(jī)不需要額外的動(dòng)力裝置，將定子、轉(zhuǎn)子所處的內(nèi)部空間作為封閉結(jié)構(gòu)，使用電機(jī)直驅(qū)的外部風(fēng)扇提供冷卻介質(zhì)對電機(jī)進(jìn)行冷卻。電機(jī)內(nèi)部全封閉可避免外界環(huán)境(包括灰塵、空氣中的污染物以及雨水等)的影響，降低電機(jī)維護(hù)頻率和維護(hù)成本。該冷卻方式常用于對防護(hù)等級要求較高的永磁電機(jī)[1-3]。全封閉自扇冷式牽引電機(jī)風(fēng)扇性能直接影響電機(jī)的冷卻效果、噪聲以及效率等技術(shù)指標(biāo)。因此，風(fēng)扇性能優(yōu)化設(shè)計(jì)對提升此類電機(jī)的性能尤為關(guān)鍵。

國內(nèi)外很多學(xué)者對風(fēng)扇的流動(dòng)特性和氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了較為全面和深入的研究。Ramakrishna等[4]采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)方法分別研究了前向、徑向與后向葉輪的性能與噪聲。湯黎明[5]對工程機(jī)械冷卻風(fēng)扇的流動(dòng)特性與氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了研究，結(jié)果表明針對風(fēng)扇裝置整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改動(dòng)有較好的降噪效果。Sorguven等[6]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，以在滿足額定壓升的條件下風(fēng)扇噪聲最小為目標(biāo)，對風(fēng)扇葉片進(jìn)行了優(yōu)化，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化的有效性。周洪發(fā)[7]通過對系列電機(jī)風(fēng)扇特性的分析，設(shè)計(jì)了超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)專用風(fēng)扇。朱傳敏等[8]基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，對風(fēng)扇進(jìn)行了流場分析，研究了風(fēng)扇結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇性能的影響。綜觀上述研究可知，風(fēng)扇優(yōu)化可提高電機(jī)效率、降低電機(jī)噪聲。

本文以某自扇冷式牽引電機(jī)風(fēng)扇為例，對風(fēng)扇的風(fēng)量、效率以及氣動(dòng)噪聲等性能參數(shù)進(jìn)行分析，通過改進(jìn)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)提高風(fēng)扇性能，為風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 優(yōu)化前風(fēng)扇參數(shù)

全封閉自扇冷式牽引電機(jī)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)需求包括：提供電機(jī)冷卻所需的風(fēng)量；通風(fēng)損耗小，效率高；氣動(dòng)噪聲低；成本低，工藝性好。

在電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員傾向于補(bǔ)償設(shè)計(jì)中的不確定性，實(shí)現(xiàn)方式是增加風(fēng)扇的容量。為了滿足大風(fēng)量，往往風(fēng)扇尺寸設(shè)計(jì)偏大，忽略了通風(fēng)系統(tǒng)與風(fēng)扇的優(yōu)化，風(fēng)扇不在最佳效率點(diǎn)運(yùn)行，容易導(dǎo)致風(fēng)扇噪聲大、成本高等。為此，本文以某自扇冷式牽引電機(jī)為例，對電機(jī)的外流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析電機(jī)外風(fēng)扇的冷卻風(fēng)量、通風(fēng)損耗、氣動(dòng)噪聲等參數(shù)。

電機(jī)外風(fēng)路結(jié)構(gòu)如圖1所示。冷卻介質(zhì)在外風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)下，流經(jīng)電機(jī)冷卻風(fēng)道對電機(jī)進(jìn)行冷卻。

圖1 外風(fēng)路結(jié)構(gòu)示意圖

表1列出了優(yōu)化前風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)。風(fēng)扇需要滿足雙向旋轉(zhuǎn)的要求，因此采用徑向離心風(fēng)扇。表2列出了不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)優(yōu)化前風(fēng)扇產(chǎn)生的流量、機(jī)械損耗與氣動(dòng)噪聲的試驗(yàn)值。由表2數(shù)據(jù)可以得出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，流量與轉(zhuǎn)速成正比增加，損耗與轉(zhuǎn)速的立方成正比增加，轉(zhuǎn)速越高，噪聲值越大。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min時(shí)，機(jī)械損耗4 637 W，A計(jì)權(quán)聲功率級109.3 dB。高轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇的性能直接影響了電機(jī)的效率和噪聲水平。因此，本文將通過改進(jìn)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)來提升高轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇效率，降低風(fēng)扇產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。

表1 優(yōu)化前風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 優(yōu)化前風(fēng)扇性能參數(shù)

2 優(yōu)化前風(fēng)扇流場分析

風(fēng)扇選型要兼顧流量、氣流速度、壓力、氣流特性和系統(tǒng)布局等，系統(tǒng)的阻力特性是風(fēng)扇選型的關(guān)鍵[9-10]。冷卻介質(zhì)通過冷卻系統(tǒng)時(shí)，壓力損失包括沿程損失和局部損失。為了分析外風(fēng)路通風(fēng)系統(tǒng)的阻力，本文基于計(jì)算流體力學(xué)原理，對電機(jī)外流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析外風(fēng)扇流道的壓力損失與速度流線。

圖2為優(yōu)化前風(fēng)扇葉片間流體域的壓力分布，圖3為優(yōu)化前風(fēng)扇葉片間流體域的截面流線圖。通過計(jì)算結(jié)果可以得出，優(yōu)化前風(fēng)扇采用錐形前盤，氣流進(jìn)入葉片急劇轉(zhuǎn)彎后與前盤分離，形成渦流區(qū)，增加了通風(fēng)系統(tǒng)損失。圖4為優(yōu)化前風(fēng)扇速度矢量圖。從圖4可以看出，氣流出口面積大，出口平均速度低，受旋轉(zhuǎn)方向影響，高速區(qū)集中在葉片一側(cè)，截面速度不均勻程度高。

圖2 優(yōu)化前風(fēng)扇葉片間流體域的壓力分布

圖3 優(yōu)化前風(fēng)扇葉片間流體域的截面流線圖

圖4 優(yōu)化前風(fēng)扇速度矢量圖(2 000 r/min)

3 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化

牽引電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)要求風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)冷卻效果一致，因此風(fēng)扇只能采用徑向離心直葉片風(fēng)扇，風(fēng)扇葉片出口角為90°。徑向離心風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向有以下3個(gè)方面。

(1)風(fēng)扇葉片內(nèi)外徑與寬度。根據(jù)電機(jī)所需的冷卻風(fēng)量確定葉片內(nèi)外徑、葉片寬度。

冷卻風(fēng)量可根據(jù)風(fēng)扇的外特性和通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻特性采用求解法獲得。

對于徑向葉片的離心式風(fēng)扇，風(fēng)扇特性曲線可用下列簡化式表達(dá)[11]：

(1)

式中：P為壓力；P0為離心式風(fēng)扇在空載運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的靜壓力；qv為體積流量；qvm為無外部風(fēng)阻時(shí)經(jīng)過風(fēng)扇的最大風(fēng)量。

通風(fēng)系統(tǒng)的阻力特性可表示為

(2)

式中：Z為系統(tǒng)風(fēng)阻。

(2)葉片數(shù)目。葉片數(shù)過少，流道面積增加，容易引起氣流分離。葉片數(shù)過多，將增加風(fēng)道的摩擦損失，這種損失不但會降低風(fēng)扇的實(shí)際壓力，而且會增加能耗。因此，離心式風(fēng)扇葉片數(shù)目的選擇一般考慮葉片間流道的長度和寬度具有適當(dāng)?shù)谋壤詼p少損耗。為了保證風(fēng)扇有足夠的剛度，在平均直徑處葉片之間的距離應(yīng)小于或等于葉片的高度，即葉片數(shù)：

(3)

式中：N為葉片數(shù)目；D1為風(fēng)扇內(nèi)徑；D2為風(fēng)扇外徑。

(3)葉片形狀。從機(jī)械損耗角度考慮，風(fēng)扇工作時(shí)流體和流道壁面發(fā)生摩擦、流道幾何形狀改變使流速變化而產(chǎn)生渦流，偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)產(chǎn)生的沖擊等，是風(fēng)扇機(jī)械損耗的來源。減少回流區(qū)，可以降低渦流產(chǎn)生的摩擦損耗。

從氣動(dòng)噪聲考慮，風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)受到葉片周期力的作用，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)噪聲[12-14]。對于全封閉自扇冷式牽引電機(jī)而言，電機(jī)噪聲源的主要成分來自外風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲。將通道盡量做成流線形，避免急劇轉(zhuǎn)向和截面突變，降低風(fēng)阻，是降低氣動(dòng)噪聲的一種有效措施。

因此，為了避免風(fēng)扇入口出現(xiàn)急變流場，減少氣流的轉(zhuǎn)彎損失，優(yōu)化后風(fēng)扇前盤傾角增大，風(fēng)扇后盤的弧線盡量平緩，空氣流通面積逐漸縮小，空氣加速流通，減少氣體分離。

由于靠近葉片前盤的氣流速度大于后盤，為了減少氣流的沖擊損失，葉片采用斜切結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化后風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。優(yōu)化后風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

表3 優(yōu)化后風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 優(yōu)化后風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖

4 優(yōu)化后風(fēng)扇性能分析

圖6為優(yōu)化后風(fēng)扇所在旋轉(zhuǎn)域的壓力分布，圖7為優(yōu)化后風(fēng)扇葉片間流體域的截面流線圖，圖8為優(yōu)化后風(fēng)扇速度矢量圖。

圖6 優(yōu)化后風(fēng)扇葉片間流體域的壓力分布

圖7 優(yōu)化后風(fēng)扇葉片間流體域的截面流線圖

圖8 優(yōu)化后風(fēng)扇速度矢量圖(2 000 r/min)

風(fēng)扇優(yōu)化前后對比，優(yōu)化前外風(fēng)路風(fēng)阻為2 932 kg/m7，優(yōu)化后外風(fēng)路風(fēng)阻降低為1 988 kg/m7。優(yōu)化后氣流進(jìn)入葉片平穩(wěn)過渡，使流動(dòng)均勻性升高，風(fēng)阻降低。可見為了避免風(fēng)扇內(nèi)的二次回流，風(fēng)扇進(jìn)出口的流道應(yīng)盡可能避免急劇轉(zhuǎn)彎，否則系統(tǒng)的非均勻流動(dòng)將導(dǎo)致系統(tǒng)阻力高于預(yù)期。優(yōu)化后葉片數(shù)增加，葉片間高速氣流的填充率增加，速度分布均勻性升高。

表4為優(yōu)化風(fēng)扇后電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)試驗(yàn)測量的風(fēng)扇性能參數(shù)。對比優(yōu)化前數(shù)據(jù)，可見損耗和噪聲均明顯降低。

表4 優(yōu)化后風(fēng)扇性能參數(shù)

5 結(jié) 語

本文以某自扇冷式牽引電機(jī)風(fēng)扇為研究對象，基于計(jì)算流體力學(xué)原理對電機(jī)外流場進(jìn)行分析，通過風(fēng)扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化，風(fēng)扇性能得以提高。

試驗(yàn)驗(yàn)證表明在4 000 r/min的高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后風(fēng)扇機(jī)械損耗降低了1 241 W，產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲降低了5.1 dB。可見通過風(fēng)扇的優(yōu)化不僅可以提高電機(jī)的運(yùn)行效率，而且能夠降低電機(jī)的氣動(dòng)噪聲。