深井救灾排水系统潜水电机内流体流动与温升特性研究

发布时间：2020-05-05 01:18

【摘要】：我国90%左右的煤矿资源采用井工开采模式,特殊的地质地理环境,决定了我国煤矿水文地质条件十分复杂,煤炭开采受水灾害威胁严重,突水淹井伤人事故频发,水灾害成为我国仅次于瓦斯事故的第二大灾害。随着我国浅部资源的逐步枯竭,煤炭资源的开采势必转入深部开采模式,由于矿井深部水压增加,超前探水、堵水难度增大,水灾害发生机率也随之增加,一旦深部矿井突发水灾害事故,将造成极为严重的经济损失和恶劣的社会影响。深部矿井救灾排水系统是矿山水灾害救治和灾后复矿的有效手段,安全高效的矿井救灾排水设备是矿产资源安全开采的重要保障。深井救灾排水系统潜水电机属于三相异步电动机,常与高扬程多级潜水泵组合成潜水电泵,用于各类深部矿井水灾害的应急救援或灾后复矿工程,是构成深井救灾排水系统的关键装备。潜水电机按其结构的不同可分为充水式、充油式、干式和屏蔽式4类,其中充水式潜水电机具有功率高、冷却效果好、承压能力强、可深潜运行等优点,最适合应用于深部矿井水灾害的救治工程,此类电机自20世纪80年代从德国RITZ公司引进国内,经过国内多年的应用与改进,目前最大功率已超过3200kW,可用于单泵扬程800m的矿井救灾排水工程,在我国煤矿水灾害的救治工程中发挥了不可替代的作用,最大程度降低了矿井水灾害造成的损失。在深井救灾排水工程中,排水装备的高效、可靠运行是保证救灾排水工程成功的关键。深井救灾排水系统采用地面竖直安装,管路连接直潜井底,靠地面支撑结构重载悬挂运行,工程中一旦出现排水装备故障,不仅意味着救灾排水工程的失败,严重时还会引起停泵水锤等次生事故,导致整个救灾排水系统的瘫痪,造成更为严重的人员和财产损失。据统计,在排水工程各类设备故障中,由大型潜水电机故障所造成的系统停机事故占80%以上,这些故障中又以潜水电机的局部过热而导致的绝缘失效故障为主,潜水电机的冷却效果不仅与其冷却结构相关,还与冷却介质的流动特性有密切关系。因此,有必要对深井充水式潜水电机的冷却结构及其内部冷却介质的流动特性进行研究,合理优化冷却结构,保证其安全、可靠、高效运行,减少救灾排水系统的运行故障。深井充水式潜水电机内部结构复杂,其内部流场和温度场的研究涉及电磁学、流体力学和传热学等多个学科。本文采用理论分析、数值计算和试验研究相结合的方法,对深井充水式潜水电机的冷却结构、内部流体流动和温升特性进行深入研究,并应用相似理论导出充水式潜水电机内流体流动相似准则和对流换热准则,将研究及试验结论推广应用于指导同类或相似电机冷却结构的设计和模型试验,为试验的安排和数据整理提供了有效方法,为其他类型电机的设计提供了有益借鉴,论文具体研究内容如下:(1)通过分析国内外学者对矿井“深部”的定义,界定了煤矿救灾排水工程中相对客观的矿井“深部”概念。作者在综合分析国内外相关文献的基础上,认为在救灾排水工程中矿井“深部”概念不仅与矿井深度和岩石力学特性相关,还与矿井救灾排水装备的性能直接相关,目前国内救灾用潜水电泵的单泵扬程普遍不超过800m,超过800m矿井的救灾排水工程难度剧增,不仅需要大功率、高扬程的排水装备,还需要考虑装备的安装及运行中的安全因素,需由专业的矿山排水技术团队完成,故本文将救灾排水工程中超过800m的矿井界定为“深部”矿井。深井救灾排水系统是抵御矿井水灾害事故的最后防线,先进、高效的救灾排水技术及装备意味着矿井抵御水灾害能力的增强,文中介绍了矿井救灾排水系统的总体结构,总结了国内最为先进的救灾排水技术。通过分析文献得出了电机冷却的重要性,引出对充水式潜水电机内流体流动特性和温升特性研究的必要性。(2)深井充水式潜水电机的结构及流体数值计算理论研究。介绍了深井救灾排水系统充水式潜水电机的结构设计特点,尤其重点介绍了设计的充水式潜水电机内外水双循环冷却系统。本文研究的深井充水式潜水电机内部流体在电机轴尾部驱动泵轮的作用下沿设计的流道循环流动,冷却水在电机气隙流道中的流动状态和流动特性不仅影响着电机转子水摩擦损耗,还与电机内的换热效果密切相关。因此,在分析充水式潜水电机内部流体流动特点的基础上,利用流体质量守恒、动量守恒和能量守恒定律建立了充水式潜水电机内部流体流动的连续微分方程、动量微分方程和能量微分方程等流体运动控制方程,并介绍了研究流体紊流的计算模型和流体流动特性的数值计算方法,为深入研究充水式潜水电机内流体流动特性和温升特性奠定了基础。(3)深井充水式潜水电机内流体流动特性研究。流体的流动特性表征为流体的运动状态、流动速度和压力分布。本文以功率3200kW充水式潜水电机为研究对象,按其实际结构和尺寸,利用SolidWorks三维建模软件建立了潜水电机的三维实体模型,并利用GAMBIT专业流体网格划分软件建立了电机定转子气隙流体的三维结构网格模型,借助ANSYS Fluent流体分析软件分别研究了定转子气隙高度、气隙进口流体速度、转子转速、转子表面粗糙度和电机环境围压5个不同参数对充水式潜水电机气隙内流体流动特性的影响,并对模拟结果进行数据提取、分析和处理,得出不同参数对气隙流体流速和压力分布的影响。研究结果表明,(1)冷却水在气隙中的流动状态均为紊流,流体进入电机气隙后在转子高速旋转的作用下旋转速度迅速提升,随后达到相对稳定状态,流体速度最大处位于转子外边壁,速度最小处位于电机定子内边壁。冷却水进入电机气隙后压力呈线性下降趋势,压力最大处位于气隙进口处,最小处位于气隙出口处,与电机环境围压相等。(2)气隙内流体的最大平均速度随转子转速的增大呈线性增长趋势;随气隙进口流体流速和转子表面粗糙度的增大而增长,增长幅度呈不同程度减小趋势;随气隙高度的增加而小幅减小,减小幅度呈逐步减小趋势;电机围压对气隙流体运动速度影响很小,可忽略不计。(3)气隙流体的进出口压力降随转子转速的升高呈线性增长趋势;随气隙进口流体流速和转子表面粗糙度的增大而增长,增长幅度呈不同程度减小趋势;随气隙高度的增加而减小,减小幅度呈逐步减小趋势;电机围压对气隙流体运动速度影响很小,可忽略不计。研究所得结论为下一步电机转子水摩擦损耗的计算、表面换热系数的计算、电机内流体合理流速的确定以及内水循环驱动泵轮的设计提供了依据。(4)基于流体流动特性的充水式潜水电机定子温升研究。首先分析计算了3200kW充水式潜水电机内部各项损耗值,以电机内流体流动特性分析结论为基础,重点研究了不同因素对转子水摩擦损耗的影响,研究结果表明,转子水摩擦损耗随电机气隙高度的增加而小幅减小,随气隙进口流体轴向流速、转子转速、表面粗糙度的增加而有不同程度的增长,几乎不受电机运行环境围压的影响,电机铁耗和机械损耗的计算结果与第5章中空载试验所得结果一致性良好。其次研究了潜水电机内部热量传递路径,在合理假设的基础上,作出了充水式潜水电机的等效热路图;考虑多热源对电机定子温升的影响,运用ANSYS Workbench有限元分析软件研究了3200kW充水式潜水电机在不同气隙进口流体轴向流速时定子的温度分布情况,研究结果表明,电机定子温度最低处位于气隙流体进口处的定子齿部,温度最高处位于电机气隙流体出口附近的定子轭部,电机定子温度值随着气隙进口流体轴向流速的增加而下降,但下降幅度逐步减小。通过对仿真结果进行分析,提出了3200k W充水式潜水电机定子绕组绝缘防护措施,同时提出了电机气隙进口流体轴向流速的合理范围应为2m/s~2.5m/s,速度太小不利于保证电机冷却效果,太大会造成转子水摩擦损耗的增加,结合第3章中气隙进口流体流速对气隙流体压力分布影响的分析结果可知,当气隙进出口压力差大于0.0828MPa时方能保证气隙流体轴向流速不小于2m/s,当气隙流体流速为2m/s~2.5m/s之间时,3200kW潜水电机气隙流量约为28.5~35.6m~3/h,据此,对电机内水循环冷却系统的驱动泵轮作出合理设计,设计了转速在1480r/min时,扬程为10m(提供0.1MPa压力),流量为40m~3/h,后盖板带泄流孔的离心式泵轮作为电机内水循环冷却系统的驱动泵轮,泄流孔的作用是泄除泵轮富余流量。并将有限元温度场仿真结果与温升试验结果相对比,根据热力学知识,解释了误差产生的原因,验证了有限元分析方法和电机内流速与驱动泵轮设计的正确性。(5)深井潜水电机的试验研究。潜水电机空载试验、温升试验和绝缘性能的检测试验是研究深井潜水电机不可或缺的重要环节,合理的电机试验能最大限度的保证其在工程应用中的安全可靠性。本文针对3200kW深井充水式潜水电机进行了空载运行试验,测得了潜水电机的铁耗和机械损耗,与第4章中电机铁耗和机械损耗的计算值相比较,具有良好的一致性。搭建了深井潜水电机地面综合试验平台,试验平台的设计关键是在潜水电泵出水口加装了10MPa的手动控制闸阀,并在潜水电泵出水口开有测压孔,用于测量潜水电泵出水口压力,通过调节手动闸阀的开度来控制潜水电泵的出水口压力,以此来实现潜水电泵运行工况的调节,此试验平台可实现电机运行温度、电压、电流、功率因数及潜水泵扬程、流量等多项重要参数的获取,通过此试验平台测得了3200kW潜水电机额定工况下定子和止推轴承等关键部位温度值,为第4章中判断有限元分析结论的正确性提供了依据,另外,此平台为同类产品的系列化研发提供了试验平台。对充水式潜水电机线缆绝缘进行工频耐压试验、线缆接头耐水压试验、各相对地绝缘电阻测量和相间绝缘电阻测量,评判了潜水电机的绝缘性能。最后结合深井救灾排水工程,介绍了本文研究的深井充水式潜水电机的工程应用情况。(6)深井充水式潜水电机相似理论的研究。建立了深井充水式潜水电机内流体的二维运动微分方程和能量微分方程,利用方程分析法分别推导了深井充水式潜水电机内流体流动相似准则和对流换热相似准则,将文中研究所得结论及规律推广应用于指导同类或相似电机冷却结构的研发设计和模型试验,为其他类型电机的设计提供有益借鉴。
【图文】：

区域分布,区域分布,煤炭资源,徐州矿务局

Fig.1.1 Deep mines area distribution map of China我国煤矿水文地质条件极其复杂，矿井水灾害事故频发，严重威胁着煤炭资源的安全开采和矿工的人身安全。伴随着煤炭资源开采深度的不断增加，，地下水压也随之增大，特别针对水文地质复杂的矿井，突发水灾害机率也随之大幅增高，如河南义煤集团义安矿和孟津矿，底板承压均已达到7.5MPa；徐州矿务局三河尖

潜水电机,充水,定子槽,形图

常见充水式潜水电机的槽形有梯形槽和梨形槽两种，每种槽形又分为半闭口槽、闭口槽，为保证电机齿部磁场密度均匀，常采用平行齿设计。充水式潜水电机槽形如图2.2所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD442

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