基于类比设计法的国产国产1000mw发电机通风系统的设计

基于类比设计法的国产国产1000mw发电机通风系统的设计

0闭路冷却电机通风系统现代主要设备采用更高的电机负荷，以提高材料的利用率。因此，有必要研究电机的通风冷却系统，在此基础上计算通风和电机加热，以确保电机质量的可靠性。闭路冷却电机通风系统如图1所示,其初级冷却介质空气通过电机沿着闭合线路进行循环;初级冷却介质中的热量经循环空气—水冷却器传递给初级冷却介质海水,并经海水将热量带入大海。电机的通风冷却系统是一个十分复杂的气体动力和传热系统,其设计计算方法可分为三类:一为相似模型法,二是有限元数值计算法,三为经验类比法。三种方法都必须经过模型或真机实测才能分析证实通风计算的正确性和合理性。这里我们选用类比设计计算法并以一台1000kW发电机为例进行设计计算。1建筑风机塔压的计算工作为三步:第一步,采用类比设计法设计出整个通风系统,通过假设简化绘制出等值风路图,计算等值风阻;第二步,根据风扇外特性曲线图谱,结合电机通风冷却计算所需的总通风量及等值风阻计算值,确定风扇规格并计算电机各主要部位风速、风量及表面散热系数;第三步,进行电机温升计算。2通风系统等效风路图及等效风阻计算2.1转子径向风道空气源至清源方向⑴由于非风扇侧端部空间截面较大、流速较低,近似认为端部压力主要表现为静压力并各处相等。⑵根据相关文献实验分析,绕组端部风阻很小略去不计。⑶空气从端部进入通风窗、气隙、定子铁心背部,这些都视作入口。⑷由于气隙截面积相对很小,假定转子径向风道气流经气隙全部进入定子径向风道;同时假定气隙内气流从入口开始没有分流全部进入风扇一侧端部。⑸在确定从转子径向风道经气隙进入定子径向风道,以及从定子径向风道进入定子铁心背部时,都认为气流是从中间的等值通风道流出。⑹不考虑转子旋转对风阻的影响。经过以上假定,由图1电机通风系统而绘制出图2等值风路图。2.2心式小重风压头计算冷却系统设计中在主机定、转子铁心中设置数段长10mm径向通风道,径向通风道由导风片支撑组成。转子导风片从效果上来讲构成等效离心式小风扇,由于此等效小风扇外径比主风扇小许多,经计算对电机整体风路计算中总压头的产生不起主导作用,因此,在整体风路计算中不考虑其作用,这样计算结果偏安全。但此等效小风扇对局部风路中气流分布有重要影响作用,它产生的压头足以将经过转子铁心通风窗气流输送入转子、定子径向通风道内并产生足够流速,对铁心中段散热具有重要意义。我们分析这也是本文计算结果温升值比实侧值略高的原因之一。2.3局部风阻值计算根据流体力学知识,管道中风压降式中,g—重力加速度;r—空气重度;S—小截面处面积;Q—风量;ζ—磨擦损耗系数。实际管道中有管道截面突然扩大、缩小、出口、入口、折弯等各种局部损耗,可分别将实际通风管道结构尺寸参数按流体力学局部损耗系数计算要求进行换算后,查专业图表或经验公式计算出各局部损耗系数,进而代入式(2)计算出各局部风阻值,见表1。风阻串联合成风阻风阻并联合成风阻根据图2等值风路图各风阻串并联情况,分别将表1中各数值代入式(3)、(4)中计算:3计算各主要部件的风速、流量和表面活性剂的因素3.1u3000酸、碱分别温升k其中,Q总—电机通风冷却所需总空气流量(m3/s);∑Ph—需由冷却介质带走的损耗(kW);Ca—冷却介质比热,对于空气按一般情况可取为1.1(kJ/m3·℃);Qa—冷却介质通过电机后温升(K)。根据多年来引进生产西门子船用发电机经验,Qa一般在32～40K之间,此处我们设定为Qa=37.0K;∑Ph经电机电磁设计计算其值为60kW。将这些数值代入式(5)计算Q总=1.5(m3/s)3.2风扇设计根据总风阻Zd总、总风量Q总、电机转速、离心风扇外特性曲线图谱,可确定风扇规格。3.3p总压降p气隙水系统ΔP=ZQ2(6)式中,ΔP—风压降;Z—风阻;Q—流量。利用式(6)及计算出的各风阻值和总流量,可分别计算出如下各参数:(1)通风系统总压降ΔP总=Zd总×Q总2=907(Pa)(2)主机转子端部两侧风压降ΔP主转两端=543(Pa)ΔP气隙=ΔP主转两端=543(Pa)(3)气隙中空气流量及空气流速(4)定子铁心背部流量及流速Q铁背和=Q总-Q气隙=1.5(m3/s)(5)定子B端流量及流速,定子A、B两端部压降,定子A端部流速(6)转子上各处流速4合成热阻rcu计算时假设绕组铜和铁心的导热系数为无穷大,即“铜”和“铁”均为等温体;空气外冷式电机温度降集中在绕组绝缘和有关散热表面冷却介质流体层中。由于气隙中有轴向气流热阻很大,定转子间的热交换可略去不计。在此情况下,定子和转子可以各自组成独立的二热源热路。定子二热源热路如图3所示并假定铜铁四周冷却空气温度相同。定子铜耗热量从三条途径散出:(1)从绕组端部表面散出传给空气,其热阻为Rc1;(2)从通风道中绕组表面传给空气Rc2;(3)先传给铁心,再由铁心传给空气,铜铁间热阻RCF。定子铁心损耗产生热量从四条途径散出:(1)从通风道表面RF1;(2)从铁心内圆表面RF2;(3)从铁心外圆表面RF3;(4)先传给铜,铜再传给空气RCF。由图可列下列方程合成热阻RCu合成热阻RFe解式(7)和式(8)有上面各个热阻详细分析计算过程省略,计算结果如下: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)最后再将电机电磁计算等效铜、铁发热量结果PFe=9310(W),PCu=22119(W)及前述RCu、RFe一并代入式(11)、(12)计算可得:θCu=73(K),θFe=72(K)按照上述通风系统设计的发电机,我厂已经生产十多台,供远洋船舶成功配套使用。经多台电机实物试验,温升试验平均结果如下:定子绕组平均温升值(电阻法)△t铜=69.5K电机冷却介质空气平均温升△t空气=31.1K5基于升计算的设计方案经过大量的理论分析计算和实物电机试验测量验证,表明电机平均温升计算值与实测试验值相对偏差为5%;冷却介质空气平均温升计算值与实测值相对偏差为2%。通过这些数据表明,此型船用电机通风冷