油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計.doc

本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文（設(shè)計）題目：油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計 學(xué) 院： 化學(xué)與化工學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2013年 月 日貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所完成。畢業(yè)論文（設(shè)計）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設(shè)計）作者簽名： 日 期： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第45 頁目錄摘要IIIAbstractIV第一章 緒論11.1 設(shè)計的目的和意義11.2 循環(huán)冷卻系統(tǒng)的概述11.3 油冷的概述21.3.1 油冷相對水冷的優(yōu)劣21.3.2 冷卻油的優(yōu)勢21.4 關(guān)于油循環(huán)冷卻系統(tǒng)3第二章 軸承產(chǎn)熱計算42.1 機械軸承發(fā)熱量計算42.2 內(nèi)裝式永磁同步電機發(fā)熱量Qt計算82.3 混合磁軸承發(fā)熱量Qcu計算9第三章 冷卻結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計123.1 冷卻方案的設(shè)計123.1.1 上下圓筒支座發(fā)熱量的計算123.1.2 圓筒支座冷卻方案的設(shè)計123.1.3 支座材料的選定與加工143.2 總體流程方案設(shè)計15第四章 熱量恒算164.1 系統(tǒng)工質(zhì)的選擇164.2 工質(zhì)物性數(shù)據(jù)的選擇184.2.1 下支座進油參數(shù)選取184.2.2 上支座進油參數(shù)選取184.3 下支座換熱面積的計算194.3.1 冷卻油處理量的計算194.3.2 管程進出口的對數(shù)平均溫差的計算204.3.3 傳熱系數(shù)的計算204.4 上支座換熱面積的計算214.5 阻力損失的計算224.5.1 下支座阻力損失的計算224.5.2 上支座阻力損失的計算24第五章 支座結(jié)構(gòu)強度的ANSYS分析25第六章 主體冷卻部件的選取296.1 散熱器的選型設(shè)計296.1.1 管式散熱器的簡介296.1.2 散熱器的參數(shù)選擇306.2 油泵的選型設(shè)計336.2.1 油泵的選型336.2.2 油泵的性能參數(shù)計算366.3 管路材料及參數(shù)選擇36第七章 附件的選取387.1 液面計的選擇387.2 溫度儀表的選擇397.3 壓力儀表選擇407.4 流量測量儀表的選擇41總結(jié)42參考文獻43致謝44油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計摘要工業(yè)機械設(shè)備開機運轉(zhuǎn)時伴隨著大量的熱量產(chǎn)生，若不將熱量及時導(dǎo)走，將直接影響系統(tǒng)設(shè)備的正常工作。隨著循環(huán)冷卻系統(tǒng)的研究與發(fā)展，有關(guān)循環(huán)冷卻的優(yōu)化設(shè)計和運行都有了一定的普及與深入。循環(huán)冷卻系統(tǒng)節(jié)能效果、冷卻效果顯著，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，一般不用維護。本設(shè)計通過向飛輪儲能系統(tǒng)的高速旋轉(zhuǎn)的主軸真空系統(tǒng)中引入油循環(huán)冷卻系統(tǒng)，將軸承產(chǎn)生的大量熱量及時導(dǎo)走，使系統(tǒng)維持在正常的溫度范圍。最大限度地減少由于高速主軸產(chǎn)生的熱量引起的系統(tǒng)故障，提高軸和軸承的使用壽命。關(guān)鍵詞：真空系統(tǒng) 高速軸承 電機 冷卻系統(tǒng) 油冷The design of Oil circulation cooling systemAbstract Industrial machinery and equipment start running along with a lot of heat generated, if do not lead the heat away timely, it will affect the normal operation of system equipment directly. With the research and development of the circulation of the cooling system, the optimization of the design and operation of the circulating cooling have a certain depth and popularity. The energy efficiency and cooling effect of circulating cooling system is remarkable, reliable, It has simple structure and generally do not maintain. This design of the vacuum system to the high-speed rotating spindle oil circulation cooling system through the introduction, a large amount of heat generated by the bearing guide walking in a timely manner, so that the system is maintained at a normal temperature range. Minimize system failures caused due to the heat generated by the high-speed spindle to improve the life of axis and bearing.Keywords: vacuum system motor high-speed bearings Oil Cooling System第一章 緒論1.1 設(shè)計的目的和意義隨著循環(huán)冷卻系統(tǒng)的研究發(fā)展，有關(guān)循環(huán)冷卻的優(yōu)化設(shè)計和運行都有了一定的研究和發(fā)展。在飛輪儲能系統(tǒng)中，真空室中高速旋轉(zhuǎn)的主軸軸承會產(chǎn)生大量的熱量，若不將熱量及時導(dǎo)走，將直接影響到系統(tǒng)的正常工作。循環(huán)冷卻系統(tǒng)節(jié)能效果、冷卻效果顯著，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，一般不用維護。本設(shè)計通過對循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算從而掌握工藝過程中的傳熱計算，結(jié)構(gòu)計算中的材料選擇、強度計算、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、附件選擇設(shè)備制造工藝等，將所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課知識與實際的工程問題有機的結(jié)合。本次設(shè)計運用了大量的基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識（如過化工原理課程設(shè)計）進行冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。同時，通過此次設(shè)計，也使我們對某一課題作專門深入系統(tǒng)的研究，鞏固、擴大、加深已有知識，培養(yǎng)綜合運用已有知識獨立解決問題的能力。1.2 循環(huán)冷卻系統(tǒng)的概述 冷卻系統(tǒng)（coolingsystem）是對在高溫條件下工作的機件運用冷卻介質(zhì)使之冷卻從而使機件能在正常工作溫度下運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。主要由冷卻設(shè)備、泵和管道組成。冷卻系統(tǒng)通常分為直流冷卻系統(tǒng)和循環(huán)冷卻系統(tǒng)。循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的冷卻媒介流過冷卻設(shè)備使之溫度回降后，輸送回生產(chǎn)設(shè)備再次循環(huán)使用。循環(huán)冷卻系統(tǒng)分為封閉式和敞開式兩種。封閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的冷卻媒介不與大氣直接接觸，物料與冷卻媒介在一種密閉的系統(tǒng)中進行熱交換，循環(huán)使用，因此媒介量損失少，媒介中各種離子濃度變化小，不易改變系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境。在敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，冷卻水的降溫過程通過冷卻塔來實現(xiàn)，由于釆用敞開式結(jié)構(gòu)，可以與大氣直接接觸，循環(huán)散熱快，冷卻效果好，廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)與工業(yè)生產(chǎn)。1.3 油冷的概述1.3.1 油冷相對水冷的優(yōu)劣水是冷卻媒介的一種。長久以來，選擇水作為冷卻媒介，主要是出于其安全，易取的特點。但水本身固有的缺陷，如：沸點低，結(jié)冰，腐蝕，水垢等，使其無法滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。過去，人們對冷卻系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)的認(rèn)識是模糊的，當(dāng)使用含水冷卻液時，由于水的沸點低，以及產(chǎn)生的水蒸汽層阻礙導(dǎo)熱的原因，在氣缸工作時產(chǎn)生的高溫，熱量交換不出來，使發(fā)動機工作在過熱狀態(tài)，導(dǎo)致產(chǎn)生預(yù)燃，爆震，引擎性能下降，故障率上升。所有引擎只要使用含水冷卻媒介，都將受此危害。并且在冷卻系統(tǒng)管路內(nèi)產(chǎn)生水垢、水銹，系統(tǒng)工作在高壓下，使冷卻系統(tǒng)壽命大幅縮短。油冷，作為另一種冷卻媒介，用機油、冷卻油來代替水冷系統(tǒng)中的冷卻水而進行的冷卻方式。比傳統(tǒng)冷卻劑水具備許多優(yōu)點：靈敏的熱平衡能力，超強的熱傳導(dǎo)能力，保障系統(tǒng)處于最佳工作溫度；超寬的工作溫度區(qū)間，杜絕沸騰開鍋，冷卻系統(tǒng)微壓力；與水冷相比，使用油作為冷卻液不會像水那樣出現(xiàn)生銹和腐蝕。低溫環(huán)境不用添加防凍劑；避免了氣蝕、水垢、電解等腐蝕傷害1。鑒于在某些領(lǐng)域輕油、冷卻油等冷卻介質(zhì)的冷卻效果未體現(xiàn)較多優(yōu)勢，油冷用油泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作為冷卻或潤滑的油用量較多，運行條件與成本較高等因素，其普及度相對較低。1.3.2 冷卻油的優(yōu)勢 冷卻油以國際上最先進的抗腐配方為參照，品質(zhì)長效穩(wěn)定。杜絕氣蝕，水垢及其他腐蝕的傷害，全面保護金屬部件，潤滑并加速泵的運作，消除壓力差對泵造成的沖擊，使冷卻系統(tǒng)內(nèi)部歷久如新，減少維護次數(shù)。冷卻油有著隨溫度變化的運動黏度，人性化的自動熱平衡功能，與橡膠管路有極好的相容性。其超寬的工作溫度（-45180）保障系統(tǒng)能夠在較高的溫度下有效工作，真正解決冷卻系統(tǒng)的汽蝕和汽阻的發(fā)生。冷卻油的高沸點，可避免蒸汽阻層產(chǎn)生，其超強的熱平衡能力，使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)2。1.4 關(guān)于油循環(huán)冷卻系統(tǒng)在需冷卻的獨立器件的小型化發(fā)展趨勢下，循環(huán)冷卻系統(tǒng)集成化發(fā)展已成必然。如在中小排量發(fā)動機上，已出現(xiàn)油循環(huán)冷卻系統(tǒng)發(fā)動機一體化，即油冷系統(tǒng)集成安裝在發(fā)動機機體上，順應(yīng)小型化發(fā)展要求。在電子裝置冷卻系統(tǒng)中，微通道冷卻、微型蒸發(fā)制冷器、非傳統(tǒng)泵等技術(shù)的不斷開發(fā)與完善；利用導(dǎo)熱性能良好的泡沫結(jié)構(gòu)的石墨碳材料以及絕緣陶瓷材料制造的散熱器，可自行解決器件間的絕緣問題，使得利用油循環(huán)冷卻成為可能。2010年，江蘇兆勝成功研制生產(chǎn)出國內(nèi)第一臺輕油冷卻系統(tǒng)，其性能指標(biāo)達到了國際先進水平3。并順利通過了法國、韓國等國船級社的權(quán)威認(rèn)證。2011年7月，輕油冷卻系統(tǒng)成功申報為江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品。該系統(tǒng)裝置用于船舶燃油冷卻系統(tǒng)，能夠精確地控制出口燃油溫度在2以內(nèi).同時能夠滿足不同出油溫度要求，彌補了以往海水直接冷卻、控制精度不高且在部分海域無法正常工作的缺陷。該冷卻系統(tǒng)開發(fā)進度正與國際同步。目前各國針對油冷卻系統(tǒng)的性能進行的研究的主要方向是提高對工作條件和各類腐蝕介質(zhì)適應(yīng)性材料的開發(fā)以及向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展所作出的結(jié)構(gòu)改進。改進后的油冷卻系統(tǒng)，構(gòu)造會更加簡單，傳熱得到大幅度增強，減少了結(jié)垢，節(jié)省了空間，進一步降低成本4。隨著工業(yè)上循環(huán)冷卻系統(tǒng)的研究發(fā)展，有關(guān)循環(huán)冷卻的設(shè)計和運行都有了一定的研究和發(fā)展，但是，對于油循環(huán)冷卻系統(tǒng)及其節(jié)能運行的優(yōu)化上，只是系統(tǒng)地針對單個部分，并無完善的研究發(fā)展。本設(shè)計基于油冷的眾多較于水冷的優(yōu)勢而提出方案可能，故采用油作為此次設(shè)計的冷卻介質(zhì)，利用油循環(huán)冷卻系統(tǒng)，冷卻油在真空室飛輪儲能裝置內(nèi)部支承內(nèi)設(shè)置的冷卻通路中流動，導(dǎo)走熱量，維持整個裝置內(nèi)部在正常溫度范圍。第二章 軸承產(chǎn)熱計算2.1 機械軸承發(fā)熱量計算飛輪儲能系統(tǒng)中，上、下圓筒支座分別安裝了7906A5機械軸承基本尺寸參數(shù)如下表2.1所示。機械軸承溫度升高，幾乎是由軸承摩擦損失產(chǎn)熱造成的。軸承的發(fā)熱量計算如下6： （2.1）式中： 軸承的摩擦發(fā)熱量，W； 摩擦力矩，Nmm； 軸承轉(zhuǎn)速，rmin-1；本設(shè)計的轉(zhuǎn)速。總摩擦力矩計算公式： （2.2）式中： 與軸承類型、轉(zhuǎn)速和潤滑性質(zhì)有關(guān)的摩擦力矩，Nmm； 與軸承所受載荷有關(guān)的摩擦力矩，Nmm。表2.1 7906A5機械軸承基本尺寸參數(shù) 型號 主要尺寸（mm） 基本額定載荷（kN）7906A5 d D B額定動載荷額定靜載荷30 47 9 7.85 5.95其中，計算公式： （2.3）式中： 在工作溫度下潤滑劑的運動黏度，mm2/s；真空高速軸承，采用低黏度高速軸承脂潤滑。查取相關(guān)的高速脂產(chǎn)品的黏度數(shù)據(jù)，本設(shè)計計算值取。 軸承轉(zhuǎn)速，rmin-1； 軸承平均直徑，mm； 與軸承類型和潤滑方式有關(guān)的系數(shù)，見表2.2，本設(shè)計單列角接觸球軸承取。表2.2 系數(shù)的取值范圍軸承類型油霧潤滑油浴潤滑或脂潤滑單列深溝球軸承0.711.52雙列調(diào)心球軸承單列角接觸球軸承12雙列角接觸球軸承24推力球軸承0.711.52 計算公式： （2.4）式中： 軸承計算載荷，N； 與軸承所受載荷相關(guān)的系數(shù)，計算式見表2.3。表2.3系數(shù)的計算式軸承類型單列深溝球軸承雙列調(diào)心球軸承單列角接觸球軸承雙列角接觸球軸承推力球軸承軸承當(dāng)量靜載荷；軸承額定靜載荷，單位：N軸承承載能力選用軸承公式7： （2.5）式中： 軸承額定靜載荷，N； 軸承當(dāng)量靜載荷，N； 軸承靜強度安全系數(shù)，取值見表3.4，本設(shè)計高速旋轉(zhuǎn)軸承取。表2.4 靜強度安全系數(shù)旋轉(zhuǎn)條件載荷條件使用條件連續(xù)旋轉(zhuǎn)軸承普通載荷12高精度旋轉(zhuǎn)場合1.52.5沖擊載荷23振動沖擊場合1.22.5則單列角接觸球軸承： 滾動軸承壽命計算公式： （2.6） 式中： 軸承基本額定壽命，h； 軸承轉(zhuǎn)速，rmin-1； 軸承額定動載荷，N； 軸承當(dāng)量動載荷，N； 為指數(shù)，對于球軸承取3；滾子軸承取10/3。軸承7906A5發(fā)熱量計算：由 及已知數(shù)值帶入式（2.3）得： 通過軸承壽命公式估算當(dāng)量動載荷，軸承的設(shè)計壽命是10年，則有： 得：將數(shù)值帶入式（2.4），得：所以，總摩擦力矩 則將數(shù)值帶入式（2.1），該軸承發(fā)熱量 2.2 內(nèi)裝式永磁同步電機發(fā)熱量Qt計算 永磁同步電機的的發(fā)熱是由電機的損耗引起的,電機損耗包括:銅損耗、鐵損耗、機械損耗和雜散損耗。高速永磁電機損耗8: （2.7）式中: 定子鐵耗； 轉(zhuǎn)子表面的空氣摩擦損耗；在真空環(huán)境中很??； 轉(zhuǎn)子渦流損耗； 定子繞組高頻附加損耗：這四項與電機的轉(zhuǎn)速有關(guān)。 不隨轉(zhuǎn)速變化的其他損耗。較準(zhǔn)確計算電機的損耗非常復(fù)雜，也很難精確計算結(jié)果。電機的放熱采用以下公式9： （2.8）式中：電機額定功率；電機效率；通風(fēng)損耗。 本設(shè)計中的內(nèi)裝式永磁同步電機的基本參數(shù)見表2.5，電機在真空室內(nèi)工作，通風(fēng)損耗忽略。電機的放熱按式（2.8）估算： 表2.5 內(nèi)裝式永磁同步電機的基本參數(shù)額定電壓（V AC）380額定功率 PN （KW）100極數(shù)4-pole繞組聯(lián)接方式Y(jié)3軸向長度（）122工作轉(zhuǎn)速（RPM）016000效率95%2.3 混合磁軸承發(fā)熱量Qcu計算由于混合磁軸承的損耗完全轉(zhuǎn)化為熱量，使軸承溫度升高。磁力軸承能量損耗，包括線圈銅耗和磁力軸承鐵耗，而鐵耗可分為渦流損耗和磁滯損耗 10。而在混合磁軸承中主要熱源來自電流通過線圈產(chǎn)生的電阻損耗11。在本設(shè)計中，僅考慮銅耗作為設(shè)計中混合磁軸承的發(fā)熱量?；旌洗泡S承的基本參數(shù)見表2.6。依據(jù)文獻12中的公式及參考數(shù)據(jù)，計算混合磁軸承的銅耗發(fā)熱量： （2.9）式中： 線圈的銅耗發(fā)熱量，； 線圈的總電阻，； 線圈內(nèi)通過的電流，；本設(shè)計中取。線圈電阻通過下式計算： （2.10）式中： 線圈導(dǎo)線在20的電阻率，； 線圈的匝數(shù)，； 線圈導(dǎo)線的電阻溫度系數(shù)，； 線圈內(nèi)溫度與20的溫差，本設(shè)計中?。?線圈導(dǎo)線的橫截面積，； 每匝線圈的平均長度，。軸向磁力軸承每匝線圈的平均長度：式中： 線圈槽的內(nèi)徑，設(shè)計軸承的； 線圈槽的外徑，設(shè)計軸承的。 線圈導(dǎo)線橫截面積計算式13： 式中：電流密度，本設(shè)計中取。將各數(shù)值帶入式（310），則線圈的電阻，所以，將所的值帶入式（2.9），線圈銅耗： 表2.6 混合磁軸承的基本參數(shù)參數(shù)數(shù)值平衡位置氣隙厚度S0（mm）0.25線圈匝數(shù)N1600氣隙偏置磁密Bbias（T）0.5865最大承載力（N）13000永磁體磁化方向厚度hm（mm）20永磁體截面積（mm2）45490轉(zhuǎn)子鐵心外徑（mm）404轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)徑（mm）140第三章 冷卻結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計電機冷卻系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證在正常工況下電機內(nèi)部磁性材料和絕緣材料的溫度不超過允許范圍。溫度對電機性能的影響主要表現(xiàn)在兩方面:（1）對電機效率的影響。當(dāng)溫度升高時，欽鐵硼的剩磁隨著溫度的升高而大幅下降，因而電機的最大輸出功率出現(xiàn)下降。 （2）對電機使用壽命的影響。絕緣材料在額定溫度下持續(xù)運行壽命大約在68年。隨著溫度的上升，電機壽命將大幅度降低。 良好的冷卻系統(tǒng)應(yīng)該是用結(jié)構(gòu)簡單、成本廉價、能量消耗低的方式將電機的溫度和溫升控制在合理的范圍內(nèi)，以求延長電機及軸承的使用壽命，保證效率保持在較高水平。因此，進行合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計，以保證整個系統(tǒng)工作于允許的溫升范圍內(nèi)是本設(shè)計的主要任務(wù)。3.1 冷卻方案的設(shè)計3.1.1 上下圓筒支座發(fā)熱量的計算通過第二章的軸承產(chǎn)熱計算，得到穩(wěn)定運行時的裝置內(nèi)部軸承的發(fā)熱量，由此得到在上、下圓筒支座處的發(fā)熱量分別為：上支座處的發(fā)熱源是混合磁軸承和兩個7906A5機械軸承，其總發(fā)熱量： 下支座內(nèi)的發(fā)熱源是永磁同步電機和兩個7906A5機械軸承，其總發(fā)熱量： 通過計算，得到上支座處的熱量與下支座內(nèi)的熱量相差較大，最大的發(fā)熱源是被包裹在支座內(nèi)部的電機，電機處于半密封狀態(tài)。3.1.2 圓筒支座冷卻方案的設(shè)計 由于電機運作時，熱源基本集中在上下圓筒支座內(nèi)部，熱量直接傳遞給圓筒支座。因此，為便于分析做出如下簡化假設(shè)：將圓筒支座內(nèi)部發(fā)熱源視為整體，其結(jié)構(gòu)模型如下圖3.1所示。 圖3.1 圓筒支座簡圖分析簡化模型后得到，本設(shè)計采取以圓筒支座為載體的方式，是為了使之成為冷源，與之直接接觸的發(fā)熱源產(chǎn)生較大溫差，在溫差推動力作用下使熱量往支座傳遞。在圓筒支座壁內(nèi)設(shè)置冷卻油通路，通入冷卻油循環(huán)流動，以圓筒壁作為傳熱面，對流換熱帶走熱量。以圓筒壁作為傳熱面對圓筒內(nèi)熱源實現(xiàn)換熱，用焊接或法蘭連接的方式裝設(shè)各種形狀的金屬結(jié)構(gòu)，使其與容器外壁形成密閉空間，在此密閉空間內(nèi)通入加熱或冷卻介質(zhì)，實現(xiàn)對容器內(nèi)物質(zhì)的加熱或冷卻。本設(shè)計的理念是簡單實用，結(jié)合以上結(jié)構(gòu)的特點和本設(shè)計自身結(jié)構(gòu)小、空間位置狹小、發(fā)熱量較小等特點，因此，采用設(shè)置管路冷卻通道方案較為合理。由此提出如下管路通道形式：豎直折流管道，圍繞在圓筒支座周圍，如圖3.2、圖3.3（a）所示。圖3.2 管道通路形式本設(shè)計圓筒支座整體結(jié)構(gòu)小，真空環(huán)境要求較高的密封性能，若采用管道內(nèi)焊或外焊于圓筒支座上，焊縫間距太小，焊接難度較大，很可能會存在較大的焊接應(yīng)力。運行中，焊接應(yīng)力和溫差應(yīng)力的作用容易造成泄漏，真空飛輪儲能系統(tǒng)將被損壞。裝置內(nèi)高速運轉(zhuǎn)的飛輪振動較大，也會降低焊接盤管的使用壽命。綜合考慮，采用圓筒支座壁中內(nèi)鑄豎直折流通道。為適當(dāng)減少鑄造加工難度，同一側(cè)開孔會影響支座強度，在換熱效果能充分保證的前提下，采用豎直折流管包裹圓筒支座上部橫截圓3/4面積的排管方式，結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。 (a) (b)圖3.3壁中內(nèi)鑄豎直通道結(jié)構(gòu)圖 3.1.3 支座材料的選定與加工本設(shè)計采用在支座內(nèi)壁加工冷卻通道，通入冷卻油帶走熱量，對裝置內(nèi)部進行冷卻。因此，支座表面作為傳熱面，其材料除滿足足夠的強度外，還需具有高熱導(dǎo)率，抗腐蝕性能好的要求。銅及銅合金具有一系列良好性能：電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率高、抗腐蝕性能好、加工成型性能好、強度適中。因此，本設(shè)計的圓筒支座選用銅合金。支座內(nèi)壁需加工豎直折流管道，形狀比較復(fù)雜，可采用熔模鑄造成型，其加工的產(chǎn)品精密、復(fù)雜、接近于零件最后形狀，可不加工或少加工就直接使用。這種方法是用熔模材料制成模件并組成模組，然后在模組表面涂敷多層耐火材料，待干燥固化后，將模組加熱熔出模料，經(jīng)高溫焙燒后澆入金屬液冷凝后即得熔模鑄件，最后對鑄件清理與精整。熔模鑄造的特點：鑄件尺寸精度高、表面粗超度細；可鑄造形狀復(fù)雜的鑄件；合金材料不受限制；生產(chǎn)靈活性高、適應(yīng)性強。3.2 總體流程方案設(shè)計 總體流程方案如圖3.4所示，貯存在冷卻油槽中的冷卻油，經(jīng)管道及油泵打入飛輪儲能系統(tǒng)中的圓筒支座中，冷卻油按照前述管路的布置方案流經(jīng)整個圓筒支座。完成換熱任務(wù)后，升溫后的冷卻油經(jīng)筒體底部流出，進入換熱器中進行熱量交換，經(jīng)降溫后的冷卻油再由下管道流入油槽中，形成循環(huán)冷卻通路。 1油槽 2油泵 3筒體 4散熱器 5管道 TI溫度儀表 PI壓力儀表 L流量計 H液面計圖3.4總體方案工藝流程圖第四章 熱量恒算4.1 系統(tǒng)工質(zhì)的選擇電機的發(fā)明已經(jīng)有了100多年，隨著技術(shù)的發(fā)展和進步，電機的單機容量越來越大12。為了提高電磁負荷以及材料利用率，其主要方法是對電機冷卻技術(shù)進行改進。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，電機的冷卻方式可分為：氣體冷卻和液體冷卻兩大類。電機產(chǎn)生的熱量以冷卻介質(zhì)循環(huán)的方式將其帶走。但是，對于不同的冷卻介質(zhì)，對電機的冷卻效果會有所不同。對冷卻介質(zhì)的基本要求如下：（1）導(dǎo)熱系數(shù)要大；（2）比熱大，這樣帶走所需冷卻介質(zhì)較少；（3）密度??；（4）粘度??；（5）穩(wěn)定性好，無腐蝕性、無毒性；液體冷卻的冷卻介質(zhì)主要有：水、油。早在1917年，匈牙利岡次茨工廠用變壓器油作為牽引電機的冷卻介質(zhì)。目前定子繞組的水冷較為普遍。由于液體比熱、大熱系數(shù)大，因此其冷卻效果也較好。但是，對于以水作為冷卻介質(zhì)的電機，由于容易產(chǎn)生水垢以及空心銅線的氧化產(chǎn)生的物質(zhì)沉積容易造成水路堵塞，使得局部繞組不能夠得到良好冷卻造成過熱而燒毀。同時，水接頭和密封的泄漏也帶來了短路和漏電等安全隱患。因此水冷電機的管路堵塞和泄漏成為其致命的弱點。本設(shè)計采用油來作為冷卻介質(zhì)。電機既是充油電氣設(shè)備，又具有轉(zhuǎn)動機械的部分特征，因此，電機冷卻油性能必須符合絕緣油的性能要求，同時某些性能應(yīng)符合潤滑油的性能要求。而電機的冷卻是依靠外部的冷卻油泵向發(fā)電機內(nèi)部或外部系統(tǒng)連續(xù)不斷地送入冷卻后的絕緣油而帶走發(fā)電機的熱量，冷卻油在系統(tǒng)中的循環(huán)是依靠冷卻油泵完成的，在這個過程中冷卻油不可避免地要與外界接觸。本設(shè)計的冷卻系統(tǒng)中，卻媒介在一種密閉的系統(tǒng)中進行熱交換，因而冷卻介質(zhì)是封閉式的。采用冷卻油作為系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)時，為達到很好的冷卻效果，要求冷卻油具有良好的導(dǎo)熱性和流動性。表4.1是變壓器油和其他冷卻介質(zhì)導(dǎo)熱性能的比較。冷卻介質(zhì)相對熱容相對密度相對實際流量（按體積計)相對導(dǎo)熱能力單位表面的相對傳熱系數(shù)空氣(0.1MPa)1.01.01.01.01.0氫氣(0.1MPa)14.350.071.01.01.5氫氣(0.3MPa)14.350.211.03.03.6變壓器油1.658480.011816.52.0水3.7510000.0333125.060.0表4.1 不同發(fā)電機冷卻介質(zhì)導(dǎo)熱性能比較從表4.1中可看出，變壓器油具有較高的導(dǎo)熱性，但變壓器油在溫度較低時黏度較大，這種性能對冷卻不利。因此，應(yīng)保持變壓器油溫度在2050，以降低黏度，保證冷卻效果。查得10#變壓器油的物理性質(zhì)如表4.2所示13：溫度密度kg/m3比熱容J/(kg)導(dǎo)熱系數(shù)W/(mk)運動黏度10-6m2/s普朗特數(shù)2086618920.12436.54814085219930.12316.72306084220930.1228.71268083021980.125.279.4表4.2 10#變壓器油的物理參數(shù)10#變壓器油有著較高的介電常數(shù)，作為冷卻介質(zhì)流動性與導(dǎo)熱性都較為良好，冷卻效果顯著，因此，選用10#變壓器油作為此次設(shè)計的冷卻油即系統(tǒng)工質(zhì)。4.2 工質(zhì)物性數(shù)據(jù)的選擇4.2.1 下支座進油參數(shù)選取 下支座發(fā)熱量已算出：Q1 = Qw2 = 5592W設(shè)下支座冷卻油進口溫度t1 = 15 ，冷卻油的溫升= 25 ，則出口溫度 t2 = t1 += 15+25=40 工質(zhì)定性溫度 27.5 下，根據(jù)表4.2及化工物性數(shù)據(jù)手冊得出10#變壓器油的物性數(shù)據(jù)如下： 密度 定壓比熱容 流體導(dǎo)熱率 黏度 4.2.2 上支座進油參數(shù)選取 上支座發(fā)熱量Q2 = Qw1 = 477 W 計算方法類似下支座。設(shè)支座冷卻油進口溫度= 15 ，取油的溫升= 16 ，則出口溫度 = += 15+16=31 工質(zhì)定性溫度 23 下，10#變壓器油的物性數(shù)據(jù)如下： 密度 定壓比熱容 流體導(dǎo)熱率 黏度 4.3 下支座換熱面積的計算本設(shè)計支座與管之間的溫差適中，擬采用固定管板式換熱器管道，推薦管內(nèi)流速在0.51.5m/s14。參考現(xiàn)有電機冷卻系統(tǒng)15，其中推薦管內(nèi)流速在12/m。綜合考慮本設(shè)計取管內(nèi)流速為=1m/s根據(jù)換熱面積的計算15： 得到 （4.1）其中， 下支座發(fā)熱量， 總換熱面積 管程進出口的對數(shù)平均溫差 傳熱系數(shù)4.3.1 冷卻油處理量的計算 根據(jù)公式 以及下支座進油參數(shù)的選取： 則 管內(nèi)體積流量 流體流通截面積 估算圓管內(nèi)徑查管殼式換熱器管子的主要參數(shù)，可選參數(shù)為。管內(nèi)徑為0.02m。4.3.2 管程進出口的對數(shù)平均溫差的計算設(shè)穩(wěn)定工作時，支座內(nèi)表面均勻受熱，壁溫 （4.2）4.3.3 傳熱系數(shù)的計算根據(jù)公式 可算出傳熱系數(shù)，其中， 管內(nèi)傳熱系數(shù) 銅合金支座的熱導(dǎo)率，27.5 下，= 407 支座的壁厚，已知=0.06 m計算：雷諾數(shù) Re 10000則可根據(jù)公式 可計算傳熱系數(shù)其中，普朗特數(shù) 得到 得到傳熱系數(shù) （4.3） 根據(jù)式（3.11）、（3.12）、（3.13）下支座總換熱面積 4.4 上支座換熱面積的計算計算方法同下支座。上支座此處，取流速 體積流量 、壁溫T = 45 雷諾數(shù) 2000 Re 10000則有 其中，校正系數(shù)所以 由此得到傳熱系數(shù)由式（4.1）、（4.2）、（4.3）得到上支座傳熱面積4.5 阻力損失的計算4.5.1 下支座阻力損失的計算（1） 相關(guān)系數(shù)的計算 管內(nèi)流通截面積 管內(nèi)體積流量 流速 雷諾數(shù) 參照化工原理上冊表1-1，取鋼管絕對粗糙度則相對粗糙度 ，查化工原理上冊 圖1-27，得。（2）管內(nèi)阻力損失的計算 （4.4）（3）回彎阻力損失的計算 （4.5）（4）管路總損失的計算 （4.6）其中，管程結(jié)垢校正系數(shù)，對于的管， 殼程數(shù)，本設(shè)計取1 每課程管程數(shù)，本設(shè)計取1根據(jù)式（4.4）、（4.5）、（4.6）管路總損失：4.5.2 上支座阻力損失的計算算法同下支座： 得到 得到上支座管路總損失第五章 支座結(jié)構(gòu)強度的ANSYS分析5.1 下支座強度分析在穩(wěn)態(tài)運行時,磁力軸承工作, 軸向載荷主要由磁力軸承承擔(dān)，即有與之相連的上支座承擔(dān)，此時下支座的承載很小16。而下支座承載最大時是在磁力軸承不工作時，如磁力軸承啟動、停止時，主軸、飛輪等重量將通過機械軸承由下支座承擔(dān)。此狀態(tài)下，支座的受載面為與軸承接觸的梯形階梯的圓周面及下表面。軸向載荷同樣取13000N，徑向載荷取500N。因此，下支座靜力結(jié)構(gòu)分析中，加載的邊界及約束可簡化為一軸向載荷、一徑向軸承載荷及一固定約束。如圖5.1所示，固定約束施加位置如圖5.1(a)所示；徑向載荷加載在支座內(nèi)階梯的圓周表面，位置、方向如圖5.1(b)所示，大小500N；軸向載荷加載在階梯的下表面，位置、方向如圖5.1(c)所示，大小13000N。 (a) (b)(c)圖5.1約束和載荷加載求解結(jié)果如下所示：總變形分析結(jié)果如圖5.2，最大變形量為，在紅色區(qū)域。圖5.2總變形最大主應(yīng)力分析結(jié)果如下圖5.4，最大主應(yīng)力最大值為，在紅色區(qū)域。 圖5.4最大主應(yīng)力銅合金材料的屈服強度為，經(jīng)分析，其結(jié)果遠小于材料的屈服強度，因此，下支座結(jié)構(gòu)的強度是十分富裕的。因此，通過靜力結(jié)構(gòu)分析，在強度上，采用在支座圓筒壁內(nèi)鑄流體通道是可行的。第六章 主體冷卻部件的選取6.1 散熱器的選型設(shè)計 散熱器冷卻系統(tǒng)中不可或缺的一個重要組成部件，其功能是利用空氣或流體將流經(jīng)冷卻部件后的冷卻水（油）所含熱量散發(fā)到外界空氣中，使冷卻水（油）溫度降低，再經(jīng)過水（油）泵進行再次循環(huán)17。本設(shè)計是將的冷卻油通過散熱器散發(fā)出去。6.1.1 管式散熱器的簡介常用的管式散熱器，其主要包括管片式和管帶式兩種18。管片式散熱器芯體是由許多根水管及散熱翅片構(gòu)成的，具體結(jié)構(gòu)圖如圖6.1所示，其作用是作為冷卻管道。管道有扁管和圓管兩種，扁管由于在相同橫截面積情況下，扁管周界較長、散熱面積較大、氣流阻力較小等優(yōu)點，扁管外焊接有散熱翅片可增加散熱面積的同時也提高了其強度，而圓管通常用于鋁質(zhì)散熱器芯。早期時候的管片式散熱器采用的材料主要為銅，較笨重、成本也較高、工藝復(fù)雜、熱阻大、傳熱系數(shù)較小，但其優(yōu)點為氣阻小、剛度和強度性能較好。圖 6.1 管片式散熱器管帶式散熱器是目前車輛上使用最為常見的散熱器，其散熱性能等各方面特性均較好，且綜合指標(biāo)也達到了很高的水平19。它是由扁平管道和波浪形散熱翅片整體焊接而成的，如圖 6.2 所示。與管片式散熱器相比較，管帶式散熱器優(yōu)缺點正好與管片式散熱器相反，在相同條件下，管帶式散熱器散熱面可增加 12%，另外，通常管帶式散熱器帶有百葉窗，其可擾斷空氣附面層，擾亂氣流，可提高散熱器散熱效率。因此，在同等芯子面積情況下，管帶式散熱器的散熱能力提高 10%，而成本下降約 15%，它在小型車輛尤其是轎車上應(yīng)用廣泛。管帶式散熱器工藝相對簡單，散熱優(yōu)良，本設(shè)計采用管帶式散熱器。 圖 6.2 管帶式散熱器6.1.2 散熱器的參數(shù)選擇6.1.2.1 散熱器面積的計算散熱器參數(shù)是根據(jù)散熱器散發(fā)的熱量以及散熱器外形尺寸來確定的。散熱器散發(fā)的熱量等于發(fā)動機冷卻液所帶走的熱量。根據(jù)試驗測得，電機及其控制器的峰值總發(fā)熱功率為 Qw=7.98kW，則散熱其散熱面積可使用下列公式進行計算20，散熱面積為 m2：式中：Qw 散熱器散發(fā)的熱量，kJ/h；散熱器貯備系數(shù)，水垢及油泥影響等，一般=1.11.5，取 1.1；冷卻介質(zhì)對數(shù)平均溫差，K；K散熱器傳熱系數(shù)，W/（）（1）對數(shù)平均溫差由于散熱器處于交叉流中，即空氣和冷卻液，且二流體溫度變化屬于二維，因此該二流體的交叉流對數(shù)平均溫差計算較為復(fù)雜，因此通常首先計算出逆流對數(shù)平均溫差逆，再乘以修正系數(shù)，一般= 0.950.98，選0.98。冷卻液（熱流體）的進、出口溫度分別為 tw1、tw2，空氣溫度（冷流體）進、出口溫度分為 ta1、ta2，其計算公式為21： 式中：tw1 散熱器進油溫度 40（下支座引出油）；tw2 散熱器出油口溫度 15；ta1 空氣進入散熱器的溫度 25；ta2 空氣離開散熱器的溫度 35，算出為 12.1（2）散熱器傳熱系數(shù) K 的計算傳熱系數(shù) K 的計算公式如下： 式中：hw熱流體（冷卻液）與壁面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，當(dāng)管內(nèi)冷卻液流速為 0.2-0.6m/s 時，hw可取2326-4070W/(m2 K)，取為4070W/()；ha冷流體（空氣）與壁面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，該值主要取決于空氣流過散熱器的速度，ha可取 70-112W/()，取為 112 W/()；散熱管壁厚，因為使用的是鋁質(zhì)散熱器，則=0.15-0.2mm；散熱管導(dǎo)熱系數(shù)，純鋁導(dǎo)熱系數(shù)為 230 W/()；根據(jù)以上近似取值，則可計算K值為97.55W/()。綜上各式所得結(jié)果，可計算散熱器散熱面積S為7.4m2。6.1.2.2 散熱器各結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定經(jīng)過上述計算得到散熱器散熱面積后，則可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) QC/T 29025-91，選擇散熱器芯體：芯子中冷卻管有咬口管和高頻對焊管兩種，本文中選擇的高頻對焊管。選擇三排管，即D3型。 根據(jù) QC/T 29025-91 標(biāo)準(zhǔn)，C=l+4=18mm，d=l/2+1=8mm，T=（n-1）C+2d=52mm；取 b=10，t=4；芯高 H=300mm，芯寬 W=500mm；由此，該散熱器中散熱帶的數(shù)量為：N1 =（W-b）/（b+b1）=39.2，則取 N1=40 條，冷卻管在芯寬方向排列39，實際芯寬為 W1=（b1+b）39+b=498mm散熱器芯體實際正面積為： F=498300=0.1494m2 根據(jù)以上尺寸選擇和計算，冷卻管尺寸為“2.514”，分三排布置，其周圍約為 33mm，則所有管的總表面積 S管=33H117=1.158m2每條散熱帶面積為 則散熱器總的散熱面積為而有上面實際計算所需的散熱面積為7.4m2，則該散熱滿足要求。綜上計算選型可得出散熱器芯子的幾何尺寸，見表 6.1。表 6.1 散熱器芯子的幾何尺寸名稱規(guī)格（mm）寬高厚49830052排數(shù)3波高10波距4水管截面尺寸2.514管間距10翅片厚度0.06百葉窗寬度8百葉窗間距1.36.2 油泵的選型設(shè)計6.2.1 油泵的選型冷卻介質(zhì)流量的大小需按冷卻介質(zhì)溫升和攜帶損耗確定。冷卻介質(zhì)的比熱容通過起著十分重要的作用，單位流量攜帶的損耗22為: 為保證冷卻系統(tǒng)具有良好的散熱效果，能夠?qū)㈦姍C主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量及時帶走，損耗p應(yīng)按照電機最大負載時候的總損耗為計算依據(jù)。變壓器油在進入冷卻管道和完成冷卻從管道流出時的溫度不同，取進油口溫度15，出油口處的溫度為40，則變壓器油的流量需求為:由于系統(tǒng)在整個運轉(zhuǎn)過程中的不穩(wěn)定性，尤其是電機在啟動、運轉(zhuǎn)時可能會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，因此為安全起見，以上流量需求再乘以安全系數(shù)1.2，所以該冷卻系統(tǒng)的流量需求為: 根據(jù)這一計算結(jié)果對油泵進行選型，KCB齒輪式輸油泵符合本設(shè)計要求。如圖6.3所示，KCB齒輪油泵特點23有：（1）、 該電動抽油泵結(jié)構(gòu)簡單緊湊，使用和保養(yǎng)方便。（2）、 具良好的自吸性，故每次開泵前不須灌入液體。（3）、 潤滑是靠輸送的液體而自動達到的，故日常工作時無須另加潤滑液。（4）、利用彈性聯(lián)軸器傳遞動力可以補償因安裝時所引起的微小偏差。在油泵工作中受到不可避免的液壓沖擊時，能起到良好的緩沖作用。圖6.3 齒輪式輸油泵參考KCB式齒輪油泵性能參數(shù)表，結(jié)合冷卻油的流量需求，選定型號為2CY-38/2.8-2（KCB-633）的齒輪式輸油泵。表6.2 KCB式齒輪油泵性能參數(shù)表 型號規(guī)格吸人及排出管中徑（寸）轉(zhuǎn)速（r/min）流量（L/h）電機（kw）排出壓力mpa允許吸上真空度（m） 2CY-1.1/14.5-2（KCB-18.3）3/4145018.31.51.455 2CY-2/14.5-2（KCB-33.3）3/4145033.32.21.455 2CY-3.3/3.3-2（KCB-55）11450551.50.335 2CY-3.3/5-2（KCB-55）11450552.20.505 2CY-5/3.3-2（KCB-83.3）11/2145083.32.20.335 2CY-5/5-2（KCB-83.3）11/2145083.330.505 2CY-8/3.3-2（KCB-200）2145020040.335 2CY-12/1.3-2（KCB-200）2145020040.135 2CY-12/3.3-2（KCB-200）214502005.50.335 2CY-12/6-2（KCB-200）214502005.50.605 2CY-12/10-2（KCB-200）214502007.51.005 2CY-18/3.6-2（KCB-300）314503005.50.365 2CY-18/3.6-2（KCB-300）314503007.50.365 2CY-29/3.6-（KCB-483.3）31450483.37.50.365 2CY-29/10-2（KCB-483.3）31450483.3111.005 2CY-38/2.8-2（KCB-633）41450633110.285 2CY-38/8-2（KCB-633）41450633220.805 2CY-60/3-