电机冷却系统中风扇气动噪声CFD分析

马 越，薛 超

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

噪声对人的身心健康有着严重的影响，随着生活水平的提高，人们越来越重视机械设备产生的噪声问题。国家、地区和行业因此制定并实行了严格的噪声限值标准来限制噪声污染[1]。

电机是产生噪声的声源之一。根据电机噪声产生的不同方式，大致可把噪声分为三大类：电磁噪声、机械噪声和气动噪声。其中电机的气动噪声是由转子及冷却风扇旋转造成空气流动所产生的，气动噪声与转速、风扇与转子的形状、粗糙度、不平衡量及气流的风道截面变化和风道形状有关。风扇噪声在电机的噪声中往往占主要地位。

离心风扇内部流动情况复杂，其气动噪声问题有一定的特殊性。叶片相对于声学介质具有转动特性，这将引起多种流动状态的存在，而旋转叶片一般是风机主要的噪声源。离心风扇气动噪声就其频率特性而言，可分为宽频噪声和离散噪声[2]。

宽频噪声模型是通过雷诺平均N-S方程获得湍流量，结合半经验公式和莱特希尔基本理论，对噪声进行模拟的计算方法。计算成本较低，适用于工程计算电机风扇噪声。

本文以公司迪拜项目电机用风扇为研究对象，运用CFD方法对电机内风路和风扇进行研究，确定风扇外径尺寸，对气动噪声进行分析，为电机降噪和冷却系统的优化设计提供有价值的参考和理论依据。

1 电机及风扇结构

1.1 电机内风路

迪拜项目电机型号YWKS500-4P，功率2 950 kW，转速2 016 r/min，效率96.54%。电机具体风路如图1所示。

图1 电机流路示意图

该电机风路为单风路，左端放置离心式风扇，利用该风扇旋转产生强大的压力，驱动内部风路流体循环运动，通过冷却器进行降温处理。内部流体先后通过定子一侧的绕组端部、转子支架处的轴向通风沟、转子径向风路、定转子空隙、定子径向风路、离心风扇、冷却器，最终进入定子绕组端部，组成循环网络[3]。图中箭头指示方向为内风路流体的流动方向。为降低内风路流体的温度，在电机的顶部安放空水冷却器。转子转动带动内风扇旋转，使内风路的流体流入冷却器中，而外风路风扇将温度较低的外风路流体源源不断带入冷却器冷风管道内，温度升高的内风路流体在冷风管壁间隙中流动，和低温管壁交换热量，进而将电机产生的热量源源不断地通过冷却器带到空气中。

1.2 电机风扇示意

分析采用离心结构的风扇，如图2所示。由于该电机对噪声、温升有较高要求，故对现有风扇进行改型设计，以获取最佳方案。

图2 离心风扇

离心风扇仿真方案一：外径875 mm，转速1 492 r/min(现有风扇)。

离心风扇仿真方案二：外径800 mm，转速2 016 r/min。

离心风扇仿真方案三：外径770 mm，转速2 016 r/min。

离心风扇仿真方案四：外径750 mm，转速2 016 r/min。

2 流场计算

2.1 基本假设

电机内部冷却气体的流速低于音速，可看作不可压缩流体；电机内部冷却气体雷诺数大于2 300，属于湍流流动，采用湍流模型进行求解；电机的工作状态为稳态，未考虑瞬态[4]。

2.2 边界条件

电机入口为质量流量入口，取额定流量3.8 kg/s。风扇入口为质量流量入口，取1～5 kg/s。电机、风扇出口采用压力出口。电机转子旋转域转速为2 016 r/min。

2.3 网格划分

分析采用的网格模型为六面体网格和多面体网格，以保证计算结果的精度。电机网格数量为2 800万，风扇网格数量为300万，如图3、图4所示。

图3 电机网格截面图

图4 风扇网格截面图

2.4 电机计算结果

电机额定流量为3.8 kg/s，风阻为3 242 Pa。

由于仿真时未带离心风扇，所以出口压力大于进口压力，由图5、图6可以看出，经过电机定转子后，压力降低明显，通过挡风圈后，压力也有所降低。

图5 电机总压图

图6 电机流速图

2.5 风扇计算结果

由图7可以看出，电机风扇外径由875 mm变为750 mm后，转速提高，性能更好。

图7 风扇风路性能曲线图

电机额定流量3.8 kg/s时，风压约为3 122 Pa，略小于电机内风阻3 242 Pa。根据经验，方案四外径750 mm风扇可以满足要求。

3 离心风扇噪声计算

3.1 噪声计算模型

对方案四的风扇(正反转)进行噪声仿真。只考虑风扇本身旋转产生的噪声，有利于评价风扇自身性能的优劣。

3.2 噪声计算边界条件

进口边界条件设定为滞止进口，总压为0；出口边界条件设定为压力出口，静压为0。

3.3 正转噪声计算结果

Proudman声功率(dB)可评估各向同性湍流产生的偶极声源的局部影响。它能显示湍流结构在风扇周围的流体场内产生的每单位体积的声功率。用来表示声源位置和声强度大小。

在叶片进口处有较大负压，叶片出口有较大正压，压力梯度变化均匀。由图8～图10可以看出，声功率沿叶片方向发散，叶片进口声功率最强，声功率从外径到空间逐渐减小。

图8 声功率云图

图9 风扇径向声功率云图

图10 风扇轴向声功率云图

对图11所示位置进行探测。

图11 风扇声功率测点

在风扇四周布置测点，测点的平均声功率为58.3 dB。

3.4 反转噪声计算结果

电机试验时进行了反转试验，进行仿真与实验结果对比，如图12～图14所示。

图12 声功率云图(反转)

图13 风扇径向声功率云图(反转)

图14 风扇轴向声功率云图(反转)

风扇反转后，风扇压力增大，叶片压力梯度变化剧烈，产生较大的压力波动，气流分离，产生绕流。反转后，声功率并未沿叶片方向发散，而是周向发散，相对于风扇正转，其声功率明显较大，且周向分布明显。

在风扇四周布置测点，测点的平均声功率为72.1 dB，明显大于正转声功率58.3 dB。

3.5 电机试验结果

电机正转结果：电机噪声77 dB；电阻法温升45.2 K，PT100温升48.5 K。

电机反转结果：电机噪声80dB；电阻法温升62.6 K，PT100温升66.9 K；电机整体噪声是机械噪声、电磁噪声、气动噪声相互作用的结果。单独分析风扇噪声只能提供相对趋势性的判断。

根据实验报告，反转噪声比正转噪声大，验证了CFD仿真结果。

4 结论

本文应用CFD方法对电机、风扇进行了分析，得到以下结论：

(1) 迪拜项目电机风阻为3 242 Pa，方案四外径为750 mm离心风扇满足匹配要求。

(2) 迪拜项目电机噪声77 dB，电阻法温升45.2 K，PT100温升48.5 K。设计风扇满足电机温升、噪声要求。

(3) 方案四风扇正转噪声低于反转噪声，试验结果验证了CFD结果。

(4) 可以通过CFD方法对风扇气动噪声仿真进行相关设计。