某型感應電機轉子運行時軸向與徑向力源分析研究

楊 磊

(佳木斯電機股份有限公司,黑龍江佳木斯154002)

0 引言

能量轉換類機械廣泛的應用社會與工業的各個領域,電動機是其工作的重要一環,為其提供動力源。感應電機(即異步電機)因為其自身優勢與特點(結構簡單、電氣穩定性高、可靠性高等),在電動機應用領域占有重要地位。感應電機在試驗與工程中,經常被工程人員分為空載與負載兩節點對電機進行考核,以實現對電機電氣性能與帶載特性的研究。在一些可靠性、安全性要求更高的應用場合,如國防、核電等領域,業主對感應電機帶載特性尤為關注,特別是對感應電機待載后力源的變化給機組帶來的影響,因為這直接影響系統的穩定可靠運行。

葉輪類機械作為最普遍通用的水力類負載,長期在電站、水下國防水力系統中等重要領域得到廣泛應用。分析研究感應電機與葉輪類機械系統的負載軸向力源與徑向力源具有重要的意義。例如：軸向力的變化會影響整機的運行電流、會影響軸承的使用壽命、會影響整機運行的可靠性,而徑向力源會影響的振動特性與轉子系統的動態特性等,影響機組的振動性能指標。下文將對基于葉輪負載(水力負載)下的感應電機轉子運行軸向與徑向力源進行分析研究。以CFD方法計算力源結果,在此基礎上對口環間隙等力源影響因素進行評估。

1 感應電機轉子力源的模型構建

根據本文感應電機轉子帶載形式葉輪的特點,可知其軸向力源來自于葉輪兩側壓強不同而產生的壓差,同時葉輪的所受軸向力還與葉輪前后蓋板與泵體形成的間隙息息相關,如圖1所示,軸向力表現為前后蓋板的壓強力與后蓋板壓強力的合力,本例軸向力方向為由后蓋板指向前蓋板[1～3]。

圖1 軸向力源的產生

依據現代泵設計理論,軸向力的解析表達為式(1)

(1)

式中,F1—軸向合力;Hp—葉輪機械的“勢”揚程;R2—葉輪前、后蓋板邊緣處徑向尺寸;Rh—葉輪輪轂處徑向尺寸;ω—葉輪動力參數即旋轉角速度;ρ—工作介質密度;g—重力加速度;U2—葉輪前、后蓋板邊緣處圓周線速度。

如果考慮口環泄漏對軸向力的影響則引入如下解析公式(2)

F2=qmν0

(2)

式中,qm—葉輪流量(以質量為標定);ν0——葉輪入口。

同時也應引入感應電機葉輪式負載徑向力的經驗解析表達式(3)

(3)

式中,Q′—負載實際工況工作流量;Q—流量的設計值;H—負載后揚程;B2—蓋板寬度;ρ—工作介質密度;g—重力加速度。

根據圖1在結合式(1)、式(2)、式(3),基本清楚了感應電機水力帶載情況下葉輪力源的產生、形式以及影響參數,因此它既受到葉輪幾何參數的影響,又受到葉輪腔內流阻的限制,同時流量的以及相關水力參數的波動也會對葉輪力源變化的重要誘因。

2 感應電機轉子軸向力源分析研究

根據前文感應電機轉子力源模型,影響感應電子轉子力源的主要參數是間隙與工程“波動”,對同間隙下不同流量工況下的軸向力(圖2)、葉輪腔式內前部動密封間隙變化下的軸向力(圖3)、葉輪腔室內后部動密封間隙的軸向力(圖4)、葉輪腔式內前、后動密封同時變化下-的軸向力(圖5)進行分析計算。

圖2 同間隙下流量變化對軸向力的影響

圖3 前部口環間隙變化對軸向力的影響

圖4 后部口環間隙變化對軸向力的影響

圖5 前、后部口環間隙變化對軸向力的影響

從圖中結果可以看出：軸向力變化在50m3/h～60m3/h范圍內出現拐點,這與水力特性密切相關;當放大前后口環間隙時,軸向力有上升的趨勢,其中在0.15mm～0.3mm內軸向力增幅很快,超過0.3mm增幅變小;對比圖3、圖4、圖5,后口環間隙變化可以獲得更平穩的軸向力變化。

3 感應電機轉子徑向力源分析研究

由于徑向力自身產生的特點,主要由偏工況與流體動靜干涉相關,因為本文案例在使用中偏工況很小,所以主要考慮壓力脈動部分所產生的軸向力。同時,一般情況下,徑向力主要考慮額定工況下徑向力,所以采用CFD方法對葉輪腔式內前部動密封間隙變化下的徑向力圖6、葉輪腔室內后部動密封間隙的徑向力圖7、葉輪腔式內前、后動密封同時變化下的徑向力圖8進行了分析計算。

圖6 前部口環間隙變化對徑向力的影響

圖7 后部口環間隙變化對徑向力的影響

圖8 前、后部口環間隙變化對軸向力的影響

從計算結果可以看出：在不同間隙是徑向力的變化趨勢基本一致,并且在40m3/h～60m3/h會出現徑向力的最小值;基于本文水力模型,除個別工況外,間隙在0.15mm對徑向力提升較為明顯,葉輪腔室內前、后部口環間隙在0.2mm～0.7mm范圍內,徑向力變化并不顯著,說明本文水力模型設計與實際的性能一致性很好。

4 結語

本文以感應電機水力負載型式的轉子系統為例,說明闡述了其力源的基本形式即軸向力源與徑向力源,并對其力源的產生以及影響因素進行了系統的定性分析,隨后在此基礎上,通過運用CFD方法,以工況、葉輪腔室內前、后間隙為變量分析研究了力源的變化,力源主要特性為：

軸向力源在0.15mm～0.3mm內軸向力增幅很快,超過0.3mm增幅變小;后口環間隙變化可以獲得更平穩的軸向力變化。

葉輪腔室內前、后部口環間隙在0.2mm～0.7mm范圍內,徑向力變化并不顯著,印證了水力模型設計的準確性。