某型感应电机转子运行时轴向与径向力源分析研究

杨 磊

(佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯154002)

0 引言

能量转换类机械广泛的应用社会与工业的各个领域,电动机是其工作的重要一环,为其提供动力源。感应电机(即异步电机)因为其自身优势与特点(结构简单、电气稳定性高、可靠性高等),在电动机应用领域占有重要地位。感应电机在试验与工程中,经常被工程人员分为空载与负载两节点对电机进行考核,以实现对电机电气性能与带载特性的研究。在一些可靠性、安全性要求更高的应用场合,如国防、核电等领域,业主对感应电机带载特性尤为关注,特别是对感应电机待载后力源的变化给机组带来的影响,因为这直接影响系统的稳定可靠运行。

叶轮类机械作为最普遍通用的水力类负载,长期在电站、水下国防水力系统中等重要领域得到广泛应用。分析研究感应电机与叶轮类机械系统的负载轴向力源与径向力源具有重要的意义。例如：轴向力的变化会影响整机的运行电流、会影响轴承的使用寿命、会影响整机运行的可靠性,而径向力源会影响的振动特性与转子系统的动态特性等,影响机组的振动性能指标。下文将对基于叶轮负载(水力负载)下的感应电机转子运行轴向与径向力源进行分析研究。以CFD方法计算力源结果,在此基础上对口环间隙等力源影响因素进行评估。

1 感应电机转子力源的模型构建

根据本文感应电机转子带载形式叶轮的特点,可知其轴向力源来自于叶轮两侧压强不同而产生的压差,同时叶轮的所受轴向力还与叶轮前后盖板与泵体形成的间隙息息相关,如图1所示,轴向力表现为前后盖板的压强力与后盖板压强力的合力,本例轴向力方向为由后盖板指向前盖板[1～3]。

图1 轴向力源的产生

依据现代泵设计理论,轴向力的解析表达为式(1)

(1)

式中,F1—轴向合力;Hp—叶轮机械的“势”扬程;R2—叶轮前、后盖板边缘处径向尺寸;Rh—叶轮轮毂处径向尺寸;ω—叶轮动力参数即旋转角速度;ρ—工作介质密度;g—重力加速度;U2—叶轮前、后盖板边缘处圆周线速度。

如果考虑口环泄漏对轴向力的影响则引入如下解析公式(2)

F2=qmν0

(2)

式中,qm—叶轮流量(以质量为标定);ν0——叶轮入口。

同时也应引入感应电机叶轮式负载径向力的经验解析表达式(3)

(3)

式中,Q′—负载实际工况工作流量;Q—流量的设计值;H—负载后扬程;B2—盖板宽度;ρ—工作介质密度;g—重力加速度。

根据图1在结合式(1)、式(2)、式(3),基本清楚了感应电机水力带载情况下叶轮力源的产生、形式以及影响参数,因此它既受到叶轮几何参数的影响,又受到叶轮腔内流阻的限制,同时流量的以及相关水力参数的波动也会对叶轮力源变化的重要诱因。

2 感应电机转子轴向力源分析研究

根据前文感应电机转子力源模型,影响感应电子转子力源的主要参数是间隙与工程“波动”,对同间隙下不同流量工况下的轴向力(图2)、叶轮腔式内前部动密封间隙变化下的轴向力(图3)、叶轮腔室内后部动密封间隙的轴向力(图4)、叶轮腔式内前、后动密封同时变化下-的轴向力(图5)进行分析计算。

图2 同间隙下流量变化对轴向力的影响

图3 前部口环间隙变化对轴向力的影响

图4 后部口环间隙变化对轴向力的影响

图5 前、后部口环间隙变化对轴向力的影响

从图中结果可以看出：轴向力变化在50m3/h～60m3/h范围内出现拐点,这与水力特性密切相关;当放大前后口环间隙时,轴向力有上升的趋势,其中在0.15mm～0.3mm内轴向力增幅很快,超过0.3mm增幅变小;对比图3、图4、图5,后口环间隙变化可以获得更平稳的轴向力变化。

3 感应电机转子径向力源分析研究

由于径向力自身产生的特点,主要由偏工况与流体动静干涉相关,因为本文案例在使用中偏工况很小,所以主要考虑压力脉动部分所产生的轴向力。同时,一般情况下,径向力主要考虑额定工况下径向力,所以采用CFD方法对叶轮腔式内前部动密封间隙变化下的径向力图6、叶轮腔室内后部动密封间隙的径向力图7、叶轮腔式内前、后动密封同时变化下的径向力图8进行了分析计算。

图6 前部口环间隙变化对径向力的影响

图7 后部口环间隙变化对径向力的影响

图8 前、后部口环间隙变化对轴向力的影响

从计算结果可以看出：在不同间隙是径向力的变化趋势基本一致,并且在40m3/h～60m3/h会出现径向力的最小值;基于本文水力模型,除个别工况外,间隙在0.15mm对径向力提升较为明显,叶轮腔室内前、后部口环间隙在0.2mm～0.7mm范围内,径向力变化并不显著,说明本文水力模型设计与实际的性能一致性很好。

4 结语

本文以感应电机水力负载型式的转子系统为例,说明阐述了其力源的基本形式即轴向力源与径向力源,并对其力源的产生以及影响因素进行了系统的定性分析,随后在此基础上,通过运用CFD方法,以工况、叶轮腔室内前、后间隙为变量分析研究了力源的变化,力源主要特性为：

轴向力源在0.15mm～0.3mm内轴向力增幅很快,超过0.3mm增幅变小;后口环间隙变化可以获得更平稳的轴向力变化。

叶轮腔室内前、后部口环间隙在0.2mm～0.7mm范围内,径向力变化并不显著,印证了水力模型设计的准确性。