優化設計高效、高性能的電機外風扇是提高大中型高效電機效率的關鍵措施之一。通過分析離心風扇風壓風量特性，提出後傾式離心風扇的優化設計方法。對比分析了某項目YXKK710-4高效電機優化前後離心風扇的性能，並對優化前後離心風扇對電機效率、噪聲和溫升的影響進行了試驗研究。結果表明，優化後的風扇更接近工作點，效率、噪聲等性能指標更優，驗證了所提後傾式離心風扇優化設計方法的合理性和可靠性，可為提高電機效率和性能及研製系列高效電機提供思路和指導。
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劉慶，王超， 田德見
(東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000)
0 引 言
隨著國家能源結構轉型升級，電力行業節能減排需求不斷提高，高效電機的應用已成為提升用電側設備效率的主要節能方式。電機損耗主要包括電氣損耗和機械損耗。電氣損耗以銅耗、鐵耗為主，一般通過有效利用材料、優化電磁設計等方法來降低。機械損耗主要包括風摩損耗和軸承損耗。研究表明[1]，離心風扇的風摩損耗約佔電機總損耗的30%~40%，轉速越高風摩損耗佔比越大。因此，優化電機離心風扇結構設計是開發高效電機的重要途徑。
電機的通風冷卻通常主要研究的是冷卻風量與損耗的合理分配，而高效電機的開發則需要通過合理的通風冷卻結構設計，包括離心風扇的合理化設計和針對性改進優化，進一步降低風摩損耗，提高通風效率，從而提高電機效率。文獻[1-2]用有限元方法分析對比了不同型式的離心風扇的性能；文獻[3]將常用在中小型異步電機中的高效後傾式離心風扇應用到YKK355-630系列高壓三相異步電機中。後傾式離心風扇風量大、渦流損耗小、效率比其他型式的風扇高，已被廣泛應用於電機冷卻系統設計。文獻[4-6]總結了離心風扇的傳統設計方法。文獻[7]應用流體動力學對離心風扇進行優化設計，對比分析了流體動力學計算方法和傳統計算方法的結果。相關研究結果表明，利用傳統的經驗公式計算誤差大，無法滿足高效電機精細化設計和效率提升的要求，有限元分析軟體已成為高效電機離心風扇設計的必備工具。本文以YXKK710-4空空冷高效電機為研究對象，簡述了電機常用離心風扇結構，在分析離心風扇設計要點及其特徵參數的基礎上，首先利用計算流體動力學(CFD)技術模擬冷卻器管內流阻力特性，然後利用數值分析方法對後傾式離心風扇幾何參數進行優化設計，最後對優化前後的後傾式離心風扇進行了試驗對比分析。風扇是電機通風系統的核心部件，其主要作用是產生足夠的風壓，驅動冷卻氣體順暢地流過電機部件，帶走電機運行時產生的熱量，達到冷卻電機的效果。大中型電機通常採用離心風扇，主要是因為其風壓比軸流風扇大。離心風扇由前盤、後盤、葉片和風扇座組成，結構如圖1所示。根據葉片出口角度的不同，離心風扇結構可分為徑向、前傾和後傾3種類型[4-5,8]。不同葉片出口角度的離心風扇類型對比如表1所示。按照前盤成型工藝的不同，離心風扇可分為平前盤、錐形前盤和弧形前盤3種類型，如圖2所示。研究表明[8]：平前盤結構簡單，但氣體在葉片流道內速度差異大，易形成渦流，流動損失大，效率低，不適用於高效電機開發；弧形前盤可將葉片流道設計成等截面，氣體流速均勻，效率高，但製造工藝較複雜；錐形前盤氣流效率和工藝性介於平前盤和弧形前盤之間。綜合考慮電機性能指標、風扇工藝性等因素，本文所研究的空空冷高效電機選用前盤為錐形的後傾式離心風扇，同時將葉片設計成斜切進口，可減少氣流進口衝擊損失，進一步提高風扇效率、降低噪聲。離心風扇設計優化的關鍵是先確定風扇合適的工作點，再結合電機結構參數設計風扇幾何尺寸。
離心風扇的工作點是指冷卻系統滿足電機高效使用性能所需的風壓和風量。風量決定離心風扇在單位時間內通過熱傳遞帶走電機損耗形成的熱量的多少。風量對電機性能的影響至關重要，其大小與電機溫升、電機效率成反比，與電機噪聲增加成正比。離心風扇的工作點由風扇的外特性曲線和風路的風阻特性曲線確定，其中風扇風壓流量特性為[9]聯立式(1)和式(2)可得風扇工作點。但實際工程項目中因風路結構複雜，很難計算獲得準確的風阻。一般可通過如下方法確定。
(1) 利用CFD技術模擬獲得空氣冷卻器內流阻力特性ΔH=f(Q)。式中：∑P為電機總損耗，kW；Cα為風路平均溫度下空氣比熱，一般取1.1 kJ/(m3·K)；θα為空氣過流溫升，根據經驗可取20~25 K。(3) 根據由式(3)確定的Qrev，在空氣冷卻器阻力特性ΔH=f(Q)曲線上查詢對應風量時的空氣阻力ΔHrev，則風扇的預設工作點為(ΔHrev,Qrev)。離心風扇結構參數主要包含離心風扇結構的幾何尺寸和葉片型線，其中幾何尺寸主要包括風扇葉片內徑D1f、葉片外徑D2f、葉片進口寬度b1、葉片出口寬度b2、葉片寬度b、葉片進口安裝角β1A、葉片出口安裝角β2A和葉片數量N。離心風扇結構的幾何尺寸
F=［D1f D2f b β1A β2A N］共同決定風扇的性能指標。同時，風扇幾何尺寸的選取需綜合考慮電機結構尺寸、電機效率和噪聲的影響[1]。離心風扇結構的幾何尺寸
F確定步驟如下[3,5]。(1) 結合電機結構尺寸對風扇主要尺寸［D1f D2f b］進行初選。為了保證離心風扇有較好的性能，應滿足約束條件：式中：為葉片相對長度。(2) 根據初步選定的風扇尺寸，按照文獻[10]提供的公式核算風量Q和風壓H：
式中：n為電機轉速，r/min；λ為考慮葉片厚度對風扇出口有效截面影響的係數；ρ為空氣密度，一般取40 ℃時的值，即1.18 kg/m3；η0為風扇空載氣動效率；δ0為風量修正係數；為實際風壓與空載風壓之比，且滿足，其中Qmax為風扇短路時，風壓H=0時的最大風量。對於高效電機選用的後傾式離心風扇，相關參數建議取值見表2。 (3) 對初步選取的風扇主要參數，根據式(5)求取對應結構尺寸下工作點參數(H,Q)，並與預設工作點(ΔHrev,Qrev)比較，使其滿足如下條件：若(H,Q)滿足式(6)，則作為選擇方案；否則，需返回步驟(1)重新調整參數進行驗算，直到滿足要求為止。對後傾式風扇採用錐形前盤、進口斜切方式的風扇結構，風扇結構的幾何尺寸需滿足：(4) 確定安裝角。離心風扇葉片進出口安裝角［β1A β2A］決定了氣體在升壓過程中因衝擊、分離導致的損失大小。一般進出口安裝角按式（8）計算[11]：(5) 確定葉片數。離心風扇葉片的數目N與風扇內外徑相關，主要影響風扇的效率和剛度。葉片數目N過少則導致葉片之間的氣體紊亂，效率低，風扇剛度差；反之則會減小有效進風面積，增加摩擦損耗，同樣也會導致效率下降。一般葉片數N為實際工程項目中，綜合考慮葉片氣動性能和工藝性，常採用單圓弧葉片形狀。經推導，可利用式（10）確定葉片圓弧半徑R和圓弧所在中心半徑R0：電機離心風扇應用中一般是將離心風扇產生的徑向風量直接送入冷卻器入風口，不用蝸殼導流，會增加氣體流動損失並造成紊流。高效電機離心風扇出口處增加蝸殼可為風路提供較好的流道系統，改善風路流道流阻，降低流動損失，提升通風效率，並降低風扇噪聲。為了降低成本和簡化結構，離心風扇導流蝸殼採用焊接結構，矩形截面，其計算可採用近似的工程畫法——四段圓弧代替螺旋線的等邊基元法。本文以某項目YXKK710-4/3 150 kW/10 kV高效電機為研究對象，對電機離心風扇進行優化設計。對比分析離心風扇優化前後試驗結果，驗證所提後傾離心風扇設計方法的可靠性和合理性。YXKK710-4高效電機樣機採用空空冷卻器，經CFD模擬獲得其阻力-流量特性，結合式(2)確定工作點為(750 Pa, 6.0 m3/s)。外部風扇選用雙吸風扇，帶導流蝸殼，其結構尺寸如表3所示。
表3 YXKK710-4高效電機原型風扇設計幾何尺寸單吸風扇含1個前盤和1個後盤，有1個進風口和1個出風口；雙吸風扇含2個前盤和1個中盤，有2個進風口和1個出風口，進風面積較單吸風扇大，支撐剛度相比單吸風扇好。因離心風扇氣動特性數值模擬必須針對整機開展，該雙吸風扇可等效成2臺單吸風扇並聯，即風壓不變、風量疊加。單吸風扇計算模型如圖3所示。葉輪區域網格剖分如圖4所示。利用CFD軟體模擬計算得到原型風扇中的速度和壓力分布，如圖5和圖6所示。計算結果表明，該原型風扇葉片設計不合理，主要表現為葉片進口攻角過大，使得氣流在葉片前緣附近發生嚴重的附面層分離。分離的氣流使得葉輪入口的衝擊損失明顯增加，並導致相鄰2個葉片空間內發生明顯的「渦流」現象，即在葉片低壓面附近區域出現明顯的逆流，葉片高壓面速度明顯增加。根據上述分析，通過減小風扇進口安裝角並適當調整其他參數進行優化。對新的風扇結構進行數值模擬和計算校核，基於計算結果繼續調整，如此反覆即獲得較優的風扇設計方案。強度校核結果表明，可以用1個單吸風扇代替原雙吸風扇。優化後的風扇結構尺寸如表4所示。優化後風扇中的速度和壓力分布如圖7和圖8所示。比較優化前後葉輪間速度分布和壓力分布可知，優化後的風扇葉輪入口流動衝擊明顯變小，渦流現象基本消失，進口區域壓力變化梯度減小。進一步計算分析獲得優化前後離心風扇的風壓-風量特性及外風路阻力-風量特性，可得到原型風扇和優化後風扇的工作點，如圖9、圖10和表5所示。由以上分析可見，優化後的離心風扇風壓-風量特性曲線變化更為理想，工作點風量更符合需求，且軸功耗下降，進一步表明優化後的離心風扇結構合理、性能優越。為了研究離心風扇優化前後對電機效率和溫升的影響，在相同試驗條件下，對不同外風扇分別進行試驗。試驗結果如表6所示。 對比分析原型風扇和優化後風扇的試驗結果可知，優化後風扇機械損耗降低1.9 kW，繞組溫升升高2.8 K(仍在允許範圍之內)，噪聲降低約1.7 dB，說明優化後風扇更接近工作點，效率、噪聲等性能指標更優。對比分析優化後風扇中有無蝸殼的試驗結果可知，導流蝸殼對外風扇風量影響較小，無導流蝸殼時風壓略有上升，電機機械損耗增加2.3 kW，繞組溫升升高3.1 K，噪聲增加約1.5 dB，說明導流蝸殼可提高通風效率，並降低風扇損耗和噪聲。無論原型風扇還是優化後風扇，試驗值均與計算值接近，說明本文提供的後傾式離心風扇設計方法是可行可靠的。離心風扇是電機冷卻系統的關鍵部件，優化離心風扇是提高電機效率和性能的有效措施之一。本文首先介紹了離心風扇結構，在分析研究了後傾式離心風扇設計方法的基礎上，結合CFD技術和數值分析方法對某項目YXKK710-4高效電機的離心風扇進行了優化。通過試驗對比分析，驗證了大中型電機採用優化後的後傾式離心風扇可以有效減小電機損耗、提高電機效率和性能。本研究可為系列高效電機的研製提供思路和指導。
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