CN104088811A - 一种抗涡流高压电动机双旋向离心风扇设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗涡流高压电动机双旋向离心风扇设计方法。在电机运行过程中，在叶片的被风侧某区域会产生一定的涡流，为抑制涡流，在原风扇的基础上增加了导流叶片。导流叶片位于两个叶片间的涡流部位，由于风扇的旋向为双向，所以在左右两侧各设置一片导流叶片，由于导流片增加了风扇的摩擦损耗，所以可将原风扇叶片适当减小。叶片数量减小到原风扇的1/2-2/3较为合理，无原始设计可通过公式计算得到风扇叶片数。双导流片设计保证了无论风扇向哪一方向旋转，风扇叶片间的涡流都会被抑制。

Description

一种抗涡流高压电动机双旋向离心风扇设计方法

技术领域

本发明涉及一种抗涡流高压电动机双旋向离心风扇设计方法，属于高压电机冷却风扇领域。

背景技术

随着国家对节能减排工作的重视，先后出台了各种措施和规范。其中感应电机量大面广，每年耗电量约占整个发电量的57％，而高压三相异步电动机在感应电机所配套的负载中占了很大比例，且高压电机通常均为长时工作制，其负载率也普遍很高，因而提高高压电机的效率具有重要意义。

由于高压三相异步电动机的电磁设计已经趋于成熟，所以通过合理设计电机的电磁结构来提高电机的效率已变得越来越困难。由于高压电机结构合理性和其效率本身较高，效率提高一点就需要在原来电机基础上增加大量的有效材料，大大增大了制造成本，消耗了铜、铝、铁等不可再生资源，可见通过增加电机的有效材料来提高效率已经变得得不偿失，通过其它手段提高电机的效率的作用日趋重要。

高压电机和中小型电机相比体积大，产生的热量多，通风复杂，高压电机的机械损耗约占总损耗的20％-30％，比例很大。传统的高压电机两极采用轴流式风扇，而4、6、8、10、12极电机由于转速较低，只能采用离心式风扇，离心式风扇的安装位置如图1所示，风扇的结构包括风扇叶B和风扇板C，通过筋D固定在电机的轴E上，当电机运行时风扇随着转轴旋转，出风用来冷却定子绕组端部A。由于定子绕组端部A绝缘较厚且不如铁心中绕组周围材料的导热性能好，所以高压电动机一般均通过离心风扇进行通风散热，应用非常广泛。传统高压电机离心式风扇扇叶的常见种类见图2A至图2C，其中为图2A前倾式、图2B为径向式、图2C为后倾式。后倾式风扇扇叶间涡流较小，风量较小，风扇效率高；前倾式风扇涡流较大，风量较大，风扇效率低；径向式叶片为发散形风扇，涡流较大，损耗和风量居中，风扇效率较低。高压电机风扇扇叶数量太少容易产生脱流现象，风扇效率降低，叶片数量太多容易增加沿程摩擦损失，同样会降低风扇的效率，高压电机常用叶片数一般在12至24片之间。

现阶段高压电动机离心风扇存在以下缺陷：

1、后倾式风扇虽然性能优越，但旋向为单旋向，应用范围受限很大，在很多工况下不能使用；

2、前倾式风扇风量较大，但损耗较大，对提高电机效率不利，且旋向为单旋向，应用范围受限很大，在很多工况下不能使用；

3、径向式风扇的叶片为垂直分布，旋转方向为双旋向，所以适用工况能力强，应用也最为广泛。但由风扇叶片间的涡流较大，风扇的效率偏低。

与高压三相异步电动机风扇设计相关的专利中，专利号CN 101383541A“高压异步电动机的高效后倾离心式冷却外风扇的设计方法”和专利号CN 202172334U“一种大功率高速电动机的离心风扇”均为单旋向的后倾式风扇，不能解决电机双向旋转的问题。

在高压电机径向风扇的设计中，还没有专门抑制涡流的设计方法。

上述高压电机离心风扇的缺陷造成在高压电机风扇设计中，无法达到效率与应用范围的统一。前倾式风扇和后倾式风扇由于自身特性不能双向使用，使得其在高压电机中不能广泛使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是合理设计高压电机径向式风扇的结构，减小叶片间的涡流，增大风扇的风量，从而提高风扇效率。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种抗涡流高压电动机双旋向离心风扇设计方法，其特征在于，步骤为：

第一步、选用基准高压电机径向式风扇；

第二步、计算得到基准高压电机径向式风扇相邻扇叶间的涡流范围和风扇风量值；

第三步、将基准高压电机径向式风扇的扇叶的片数减小到原来的1/2-2/3，或求取扇叶的片数N，N小于基准高压电机径向式风扇的扇叶的片数，且D₁及D₂分别为扇叶的内径及外径；

第四步、在相邻两扇叶之间增加左右布置的两片导流叶片，分别为左导流叶片及右导流叶片，将与左导流叶片相邻的扇叶定义为左扇叶，将与右导流叶片相邻的扇叶定义为右扇叶，左扇叶与左导流叶片之间形成区域一、左导流叶片与右导流叶片之间形成区域二、右导流叶片与右扇叶之间形成区域三；左扇叶与右扇叶的长度相等均为h1，左导流叶片与右导流叶片的长度相等均为h2，左导流叶片与左扇叶之间的距离等于右导流叶片与右扇叶之间的距离均为L2，左扇叶与右扇叶之间的距离为L1；

第五步、选定h2/h1及L2/L1的值；

第六步、计算得到各个区域一(I)、区域二(II)及区域三(III)的涡流范围，此时应保证在区域一(I)、区域二(II)及区域三(III)内：

1)不会因h1/h2取值太小而产生明显涡流和回流现象；

2)不会因h1/h2取值太大而在左导流叶片及右导流叶片两侧产生明显涡流现象；

3)不会因L2/L1取值太小而在左导流叶片与右导流叶片间产生明显涡流现象；

4)不会因L2/L1取值太大而在左导流叶片与左扇叶间及在右导流叶片与右扇叶间产生大范围涡流现象；

第七步、重新选定h2/h1及L2/L1的值后重复执行第六步，直至得到扇叶间涡流最不明显的M个方案，一组h2/h1及L2/L1的值对应一个方；

第八步、计算每个方案的风扇风量，选取风扇风量最大方案作为抗涡流高压电动机双旋向离心风扇的最终设计方案，且该最终设计方案的风扇风量必须大于第二步得到的风扇风量值。

在电机运行过程中，在叶片的被风侧某区域会产生一定的涡流，为抑制涡流，在原风扇的基础上增加了导流叶片。导流叶片位于两个叶片间的涡流部位，由于风扇的旋向为双向，所以在左右两侧各设置一片导流叶片，由于导流片增加了风扇的摩擦损耗，所以可将原风扇叶片适当减小。叶片数量减小到原风扇的1/2-2/3较为合理，无原始设计可通过公式计算得到风扇叶片数。双导流片设计保证了无论风扇向哪一方向旋转，风扇叶片间的涡流都会被抑制。

本发明的优点是能够有效地减小风扇扇叶间的涡流，提高高压电机的风量。一方面，在保证电机材料用量相同情况下，增大了通风风量，降低了电机温升，即减小了电机的铜耗和铝耗，节约了电能；另一方面，在保证电机通风风量相同的情况下，可以减少电机有效材料的用量，能够有效降低电机的成本，节约铜、铁、铝等不可再生资源。

附图说明

图1为高压电机离心风扇安装图；

图2A为前倾式扇叶示意图；

图2B为径向式扇叶示意图；

图2C为后倾式扇叶示意图；

图3为高压电机径向式离心风扇图；

图4为抗涡流高压电机径向式离心风扇图；

图5为抗涡流高压电机径向式离心风扇局部图；

图6为抗涡流高压电机径向式离心风扇设计流程。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本实施例以一台H500-4高压三相异步电动机为对象，通过在电机原风扇上减小叶片数量和增加导流叶片来减小扇叶间的涡流，提高风扇的风量，从而达到提高风扇性能的目的。

结合图6，本实施例公开的一种抗涡流高压电动机双旋向离心风扇设计方法的步骤为：

步骤A、选用一台H500-4普通高压三相异步电动机风扇作为基准，风扇的结构图如图3所示，叶片数量为14片，转速设为1450r/min。

步骤B、在叶片的被风侧区域IV会产生一定的涡流，计算得到的区域IV的涡流范围很大，接近扇叶间通道宽度的1/2。计算得到风扇的风量为1.38697[kgs^-1]。

可以利用CFD软件进行计算机辅助计算；或将两风扇间的空间分成若干小区域，根据工程中常用的RNGk-ε模型的式(1)和式(2)计算：

$\frac{\∂k}{\∂t}+\mathrm{div}\left(u_{i}k\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\∂}_k{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\frac{\∂k}{\∂x_j}\right)+G_k+\mathrm{\ϵ}---\left(1\right);$

$\frac{\∂k}{\∂t}+\mathrm{div}\left(u_i\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\∂}_k{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\right)+\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}\left(C_1{G}_k{-C}_2\mathrm{\ρ\ϵ}\right)---\left(2\right);$

式(1)及式(2)中： ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\mathrm{\ρ}{C}_{\mathrm{\μ}}\frac{k^2}{\mathrm{\ϵ}},$ $G_k=2{\mathrm{\μ}}_t\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}},$ $\stackrel{\‾}{s_{\mathrm{ij}}}=\frac{1}{2}(\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_i}{\∂x_j}+\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_j}{\∂x_i}),$ μ_i，μ_j(i，j＝1，2，3)为时匀速度分量，x_i，x_j(i，j＝1，2，3)为表示空间的坐标分量，ρ为流体密度，μ_eff为流体动力黏度，G_k为湍流动能产生项，S_ij为平均应变率张量，C₁＝1.42，C₂＝1.68，α_k＝1.39，C_μ＝0.0845，t为时间变量，k为紊流脉动动能，ε为紊流脉动动能的耗散率。

步骤C、将原风扇风扇数量减小到2/3左右，由于原风扇叶片数量为14片，所以现在可取风扇数量为10片。

也可以通过来确定风扇的数量N，D₁及D₂分别为扇叶的内径及外径。

步骤D、如图4及图5所示，在相邻两扇叶之间增加左右布置的两片导流叶片，分别为左导流叶片2及右导流叶片3，将与左导流叶片2相邻的扇叶定义为左扇叶1，将与右导流叶片3相邻的扇叶定义为右扇叶4，左扇叶1与左导流叶片2之间形成区域一I、左导流叶片2与右导流叶片3之间形成区域二II、右导流叶片3与右扇叶4之间形成区域三III。左扇叶1与右扇叶4的长度相等均为h1，左导流叶片2与右导流叶片3的长度相等均为h2，左导流叶片2与左扇叶1之间的距离等于右导流叶片3与右扇叶4之间的距离均为L2，左扇叶1与右扇叶4之间的距离为L1。取导流片的形状与风扇叶扫过的轨迹形状重合，导流片的外径与风扇外径相同。取h2/h1＝1/2和L2/L1＝1/3。

步骤E、计算可得到扇叶间涡流主要集中在左扇叶1和左导流叶片2之间的区域一I，即占风扇叶间通道的1/3，左导流叶片2与右导流叶片3之间的区域二II无明显涡流，区域三III的右导流片3右侧(被风侧)存在很小的涡流。此方案涡流较小，为一个备选方案。

计算方式可以利用CFD软件进行计算机辅助计算，也可以根据上面提到的式(1)及式(2)进行计算。

步骤F、考虑到能否将左扇叶1和左导流叶片2间的涡流范围再缩小，缩短右导流叶片3与右扇叶4之间的距离L2。

重复步骤D-1、在步骤D基础上将L2距离缩短，取h2/h1＝1/2和L2/L1＝2/7。

重复步骤E-1、计算得到增加了导流片后的涡流仍主要集中在左扇叶1与左导流叶片2之间的区域一I，即占风扇叶间通道的2/7，小于步骤D中的1/3，左导流叶片2与右导流叶片3之间的区域二II无明显涡流，区域三III的右导流片3右侧(被风侧)存在很小的涡流。可见L2/L1＝2/7的方案应略优于L2/L1＝1/3的方案。此方案为备选方案二。

重复步骤F-1、继续缩短右导流叶片3与右扇叶4之间的距离L2。

重复步骤D-2、在步骤D基础上将L2距离缩短，取h2/h1＝1/2和L2/L1＝1/4。

重复步骤E-2、计算得到增加了导流片后的扇叶间涡流主要集中在左导流叶片2与右导流叶片3之间的区域二II，且涡流现象十分明显。可见此方案不合理。

重复步骤F-2考虑到缩短导流片长度可以减小摩擦损耗，缩短导流片的长度h2。

重复步骤D-3、在步骤D-1基础上缩短导流片的长度h2，取h2/h1＝1/3和L2/L1＝2/7。

重复步骤E-3、计算得到增加了导流片后的涡流仍主要集中在左扇叶1与左导流叶片2之间的区域一I，即占风扇叶间通道的2/7，小于步骤D中的1/3，但在右导流叶片3两侧出现了回流现象，即区域二II的一部分流体绕右侧导流片的底部流向了区域三III，但不是十分明显，此方案为备选方案三。

重复步骤F-3、考虑到能否通过加长导流叶片长度h2来减小扇叶间涡流，增加导流片的长度h2。

重复步骤D-4、在步骤D-1基础上加长导流叶片的长度h2，取h2/h1＝2/3和L2/L1＝2/7。

重复步骤E-4、计算得到增加了导流叶片后的扇叶间的区域一I、区域二II、区域三III均出现了较大的涡流，可见由于导流叶片长度h2较长，导致导流叶片本身产生了涡流现象，即扇叶间的整体涡流较大，可见此方案不合理。

通过步骤D至步骤E之间的反复计算，得到备选方案按流线合理性排列依次为：

备选方案1设计：h2/h1＝1/2和L2/L1＝2/7

备选方案2设计：h2/h1＝1/2和L2/L1＝1/3

备选方案3设计：h2/h1＝1/3和L2/L1＝2/7

步骤G、计算步骤F中三种方案的风量得到：

备选方案1风量：2.11208[kg s^-1]

备选方案2风量：2.02231[kg s^-1]

备选方案3风量：1.40079[kg s^-1]

可见上述三种备选方案的风量均优于原电机风扇的1.38697[kg s^-1]，备选方案1的设计最为合理。

注：此实施例仅为说明设计过程，实际设计中可按此方法更细致的调节h2/h1和L2/L1的值，得到风量的最大值。

Claims (1)

1.一种抗涡流高压电动机双旋向离心风扇设计方法，其特征在于，步骤为：

第一步、选用基准高压电机径向式风扇；

第二步、计算得到基准高压电机径向式风扇相邻扇叶间的涡流范围和风扇风量值；

第三步、将基准高压电机径向式风扇的扇叶的片数减小到原来的1/2-2/3，或求取扇叶的片数N，N小于基准高压电机径向式风扇的扇叶的片数，且D₁及D₂分别为扇叶的内径及外径；

第四步、在相邻两扇叶之间增加左右布置的两片导流叶片，分别为左导流叶片(2)及右导流叶片(3)，将与左导流叶片(2)相邻的扇叶定义为左扇叶(1)，将与右导流叶片(3)相邻的扇叶定义为右扇叶(4)，左扇叶(1)与左导流叶片(`)之间形成区域一(I)、左导流叶片(2)与右导流叶片(3)之间形成区域二(II)、右导流叶片(3)与右扇叶(4)之间形成区域三(III)；左扇叶(1)与右扇叶(4)的长度相等均为h1，左导流叶片(2)与右导流叶片(3)的长度相等均为h2，左导流叶片(2)与左扇叶(1)之间的距离等于右导流叶片(3)与右扇叶(4)之间的距离均为L2，左扇叶(1)与右扇叶(4)之间的距离为L1；

第五步、选定h2/h1及L2/L1的值；

第六步、计算得到各个区域一(I)、区域二(II)及区域三(III)的涡流范围，此时应保证在区域一(I)、区域二(II)及区域三(III)内：

1)不会因h1/h2取值太小而产生明显涡流和回流现象；

2)不会因h1/h2取值太大而在左导流叶片(2)及右导流叶片(3)两侧产生明显涡流现象；

3)不会因L2/L1取值太小而在左导流叶片(2)与右导流叶片(3)间产生明显涡流现象；

4)不会因L2/L1取值太大而在左导流叶片(2)与左扇叶(1)间及在右导流叶片(3)与右扇叶(4)间产生大范围涡流现象；

第七步、重新选定h2/h1及L2/L1的值后重复执行第六步，直至得到扇叶间涡流最不明显的M个方案，一组h2/h1及L2/L1的值对应一个方案；

第八步、计算每个方案的风扇风量，选取风扇风量最大方案作为抗涡流高压电动机双旋向离心风扇的最终设计方案，且该最终设计方案的风扇风量必须大于第二步得到的风扇风量值。