2MW風力發(fā)電機組機艙外流場分析

戚中浩 趙 萍 李 杰 袁 斌

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽， 618000）

0 引言

隨著單機容量的增大，風力機各種零部件的設(shè)計難度不斷提高，由公司設(shè)計的2MW級風力機在實際運行過程中出現(xiàn)機艙溫度過高，風速測量儀測風誤差較大，溫度傳感器頻繁出現(xiàn)故障警報。對于上述問題，業(yè)內(nèi)人士做了相應(yīng)的分析和探討，如文獻［1］對風力機機艙在高溫和低溫兩種情況下進行了數(shù)值分析，研究了機艙外的風速、風溫對機艙內(nèi)部溫度的影響。文獻［2］對空氣流過風力機機艙內(nèi)發(fā)電機的熱分析。文獻［3］對風輪和機艙間相互影響做了氣動分析。本文采用CFD方法探討了機艙空氣進、出口位置對風速測量儀、溫度傳感器正常工作的影響。

1 機艙的物理模型和數(shù)值方法

1.1 幾何模型

機艙外形長寬高的最大值為13.9m×3.8m×4.4m，機艙頂部布置兩個氣口：0.88m×0.36m(用于機艙排氣)和0.62m×0.36m （用于發(fā)電機冷卻排氣），尾部兩個相同大小的水平進氣口，尺寸1.11m×0.48m，坐標原點位于輪轂中心 （見圖1）。在數(shù)值模擬時對真實模型進行了適當?shù)暮喕?，當進行外流場分析時，忽略了葉片和塔架以及機艙內(nèi)部部件。

圖1 機艙模型

1.2 數(shù)值方法

假定風輪沒有旋轉(zhuǎn)，不考慮葉片產(chǎn)生的尾流影響，只考慮機艙排氣的影響，空氣視為不可壓縮流體，物性參數(shù)為定值，忽略粘性耗散。

采用商業(yè)軟件NUMECA的網(wǎng)格生成器分析對象生成全六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。外流場分析：計算域尺度是60m×60m×60m，機艙位于計算域的正中心，網(wǎng)格單元體約89萬個，第一層網(wǎng)格單元高度是20mm。

使用NUMECA軟件包自帶求解器，求解時間相關(guān)時均雷諾方程，二階精度中心差分法離散，虛擬時間步推進采用四階Runge-Kutta方法。數(shù)值模擬湍流模型Spalart-Allmaras一方程模型，多重網(wǎng)格加速收斂。

1.3 邊界條件

采用不可壓理想氣體作為流體介質(zhì)，環(huán)境溫度是30℃，壓力是標準大氣壓，密度是1.225kg/m3；機艙進風口 （數(shù)值模擬時出口）：每個進風口空氣流量均是18000m3/h，風溫是30℃；機艙出風口 （數(shù)值模擬時進口）：機艙內(nèi)部空氣排氣口風溫是45℃；發(fā)電機冷卻管出風口風溫是40℃；機艙壁面為絕熱固壁面；其它壁面設(shè)為遠場，給定壓力101325Pa和速度15m/s。

2 結(jié)果分析

2.1 參考截面速度、溫度分布

圖2 測量位置圖

圖2是機艙罩頂部6個測量點，位于z=0.56m和z=-0.56m的兩個面上，距機艙頂部空氣出口的距離為2m、4m、6m。

圖3、圖4是圖2所示6個測量位置的溫度隨著高度變化曲線，從圖中可以知道機艙內(nèi)排出的熱空氣沿機艙罩頂部形成一個最大厚度0.8m的熱邊界層，最高溫度達到46℃左右，同時熱邊界層內(nèi)的溫度隨著距離增加逐漸減小，而在邊界層外，空氣溫度隨著高度增加先降低后趨向于穩(wěn)定，當高度達到距坐標軸3.5m（據(jù)機艙罩殼頂部1.4m）以后各個測量點的溫度基本上為同一溫度30℃（環(huán)境溫度），同時比較圖3和圖4，還可以知道由于機艙罩上兩個排氣口空氣的流速和攜帶的熱量不同，在出口下游熱邊界層內(nèi)溫度分布方式也不同，溫差在3℃左右。因此風力機外部溫度傳感器（安裝風速測量儀在同一高度，距機艙罩頂部2.3m）不會受機艙內(nèi)排出的熱空氣影響。

圖3 1、2、3測量點溫度分布曲線

圖4 4、5、6測量點溫度分布曲線

圖5、圖6是測量點x方向的速度分布，在CFD模擬過程中發(fā)現(xiàn)y方向和x方向的速度非常小，可以忽略不計[4]，所以主要從x方向的速度變化來描述機艙罩周圍的空氣流動。從圖中可以知道空氣流速沿高度方向呈S型分布，在速度邊界層內(nèi)，空氣流速先增加后逐漸減小，而在速度邊界層外，空氣流速逐漸減小最終趨向于穩(wěn)定流動（15m/s，即無窮遠處來流流速），邊界層的最大厚度1.8m。另外，綜合速度和溫度分布曲線，我們可以知道，流速高形成的熱邊界內(nèi)溫度低，反之則高，這個規(guī)律完全符合傳熱學定律[5]。從相關(guān)設(shè)計圖紙查得該機組風速儀距機艙罩頂部的安裝高度是2.3m，從圖5、圖6上可以看到測量點3和6位置處的空氣流速，高度為4m后，溫度穩(wěn)定在30℃，風速趨向于14.5m/s，雖然與來流風速（15m/s）存在一定的誤差，但是經(jīng)過相應(yīng)的修正，機艙罩排出的熱空氣不會影響到風速儀正常工作，但是對風速儀測風的修正需要進一步詳細地確認。

圖5 1、2、3測量點速度分布曲線

2.2 壓力分布

圖7是兩個不同視角下機艙表面壓力分布云圖。從圖中可以知道風輪前端和葉根前緣出現(xiàn)流動滯止、靜壓偏高，靜壓大約為103500Pa，同時可以看到在機艙尾部進風口附近出現(xiàn)低壓區(qū)，靜壓大約在96000Pa，因此機艙進風口設(shè)置在該處是合適的。

圖7 表面壓力分布云圖

2.3 溫度分布

圖8 機艙罩頂部溫度云圖

圖8是機艙罩頂部溫度云圖。圖中顯示從機艙內(nèi)部和發(fā)電機排氣管排出的熱空氣在機艙罩頂部形成一個溫度相對較高的熱邊界層，熱邊界層最高大約80cm，最高溫度接近46℃，且隨著高度的增加溫度值逐漸地減小，這種規(guī)律與圖2測量點溫度曲線變化一致。同時這個熱邊界層的高度（80cm）遠小于溫度傳感器的安裝高度 （2.3m），即從機艙罩頂部空氣出口排出的熱空氣不會影響到溫度傳感器的工作。

3 結(jié)論

通過CFD方法對環(huán)境溫度在30℃情況下機艙罩空氣的出口位置對風速測量儀和溫度傳感器的影響進行了數(shù)值分析，得到如下結(jié)論：

（1）在給定外流場邊界條件下，機艙罩空氣出口排出的空氣對機艙頂部速度邊界層的影響高度在1.8m （距測量點機艙頂部距離），而風速測量儀安裝高度在2.3m （距機艙頂部距離），所以出口風速不會影響到風速測量儀的正常工作。

（2）在相同的邊界條件下，機艙罩頂部受機艙內(nèi)排出的熱空氣影響的高度在80cm左右，而這個高度遠低于風速儀到機艙罩的距離 （2.3m），因此不會影響溫度傳感設(shè)備的正常工作。

（3）通過數(shù)值分析，為實際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)，但是還需結(jié)合機艙內(nèi)溫度場分布機理進行深入研究，為實際應(yīng)用提供更多幫助。

[1]Sma?li,A.,Masson,C.,Taleb,S.R.,Boucetta,Y.,Nacelle Thermal Analysis of Wind Turbines Operating in Nordic Climate，A Collection of The 2004 ASME Wind Energy Symposium Technical Papers,Reno,pp.300-308,January 2004

[2]Sma?li,A.,Masson,C.,Lamarche,L.,Thermal Analysis of The Air Flow around Electrical Generator Located in Wind Turbine Nacelle Canadian Aeronautics and Space Institute's 50th Annual General Meeting&Conference,April 2003,Montréal

[3]Sma?li,A.,Masson,C.,Aerodynamic Analysis of Rotornacelle Interactions for Wind Turbines，Proceedings of the 10th Annual Conference of The CFDSC,pp.546-552,Windsor,June 2002

[4]戚中浩,趙萍,鐘賢和,等.風力機機艙內(nèi)對流換熱數(shù)值模擬.現(xiàn)代電力,2010年雙月刊,第27卷,218-221

[5]賈力,方肇洪,錢興華.高等傳熱學.高等教育出版社