永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算與熱分析

劉麗紅

(沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110045)

0引 言

電機(jī)內(nèi)的各種物理場(chǎng)是互相影響、互相制約的，且有一定耦合關(guān)系的綜合場(chǎng)。電機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)與溫度場(chǎng)是通過(guò)對(duì)流換熱的方式聯(lián)系在一起的［1］。對(duì)于半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于其通常位于機(jī)艙內(nèi)，自然冷卻條件相對(duì)較差，需要采用附加的冷卻措施。本文將對(duì)一臺(tái)1 MW半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析。該永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是:利用外加風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷、并采用軸向式的通風(fēng)結(jié)構(gòu);風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子鐵心背部形成軸向通風(fēng)道，圓周方向一共有24個(gè)彼此分離的風(fēng)道;發(fā)電機(jī)一側(cè)加鼓風(fēng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)冷卻流體沿軸向流動(dòng)到另一側(cè)，冷卻電機(jī)各部件，然后從電機(jī)內(nèi)排出，冷卻空氣與電機(jī)內(nèi)的發(fā)熱部件進(jìn)行熱交換，散去電機(jī)產(chǎn)生的熱量。

由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，電機(jī)內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)很難精確計(jì)算。通風(fēng)系統(tǒng)的工程算法是利用風(fēng)路圖來(lái)代替實(shí)際管道，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)氣體流動(dòng)情況，做出風(fēng)路圖并計(jì)算系統(tǒng)中的各個(gè)風(fēng)阻和合成風(fēng)阻，從總體上計(jì)算出電機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)速［2-3］。這種計(jì)算方法雖簡(jiǎn)單，但與實(shí)際情況差別較大，并且無(wú)法描述電機(jī)內(nèi)部的實(shí)際風(fēng)速分布狀況和局部漩渦流動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)已經(jīng)滲透到許多相關(guān)學(xué)科和工程應(yīng)用之中。同時(shí)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(以下簡(jiǎn)稱CFD)在電機(jī)通風(fēng)冷卻計(jì)算中已得到了應(yīng)用。文獻(xiàn)［4］采用二維流體場(chǎng)計(jì)算了大型發(fā)電機(jī)單個(gè)定子徑向通風(fēng)溝內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)情況，在計(jì)算中忽略了流體流動(dòng)在軸向的差異性。

本文采用CFD方法對(duì)發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算，得到發(fā)電機(jī)內(nèi)部的流量分配和風(fēng)壓降，以及發(fā)電機(jī)內(nèi)部的風(fēng)速分布，為發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了優(yōu)越的平臺(tái)。根據(jù)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的風(fēng)速分布確定熱計(jì)算的邊界條件，采用等效熱網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算得到發(fā)電機(jī)各部件的溫升值。

1電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型

電機(jī)內(nèi)冷卻空氣的狀態(tài)為定常粘性不可壓縮湍流［5］。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，在直角坐標(biāo)系中采用時(shí)均法，湍流流體流動(dòng)控制方程包含時(shí)均連續(xù)方程和時(shí)均Navier-Stokes方程，其張量形式如下［6］:

為使上述方程組封閉，通常需要引入新的湍流模型。其中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型在工程中使用最為廣泛，它由湍動(dòng)能k方程和耗散率ε方程構(gòu)成。當(dāng)流體為不可壓且不考慮用戶自定義的源項(xiàng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可描述:

式中:μt為湍動(dòng)粘度;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能 k 的產(chǎn)生項(xiàng);C1ε、C2ε、σk以及 σε為常數(shù)。

2確定風(fēng)機(jī)數(shù)目

本文采用基于CFD方法的Fluent 6．5軟件對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，從而準(zhǔn)確地計(jì)算出發(fā)電機(jī)內(nèi)部的風(fēng)速分布。實(shí)質(zhì)上，F(xiàn)luent軟件只是一個(gè)求解器，它本身不具有建模和劃分網(wǎng)格的功能。然而網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)CFD計(jì)算精度和計(jì)算效率影響很大，本文利用專用前處理軟件GAMBIT來(lái)生成網(wǎng)格。冷卻空氣在電機(jī)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，本文選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型來(lái)計(jì)算冷卻空氣的流動(dòng)情況。對(duì)于近壁區(qū)域流體流動(dòng)問(wèn)題，采用壁面函數(shù)法來(lái)進(jìn)行處理。在發(fā)電機(jī)的入風(fēng)口設(shè)置速度入口邊界條件來(lái)取代風(fēng)機(jī)的作用，出風(fēng)口采用壓力出口邊界條件。使用二階迎風(fēng)格式離散控制方程，選擇壓力速度耦合求解器進(jìn)行求解。

由于發(fā)電機(jī)的外形尺寸比較大，為了使冷卻空氣均勻地進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，本文采用數(shù)臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的方式。運(yùn)用CFD方法計(jì)算發(fā)電機(jī)定子軸向通風(fēng)道入口處的風(fēng)速分布，根據(jù)發(fā)電機(jī)軸向通風(fēng)道入口處風(fēng)速分布的均勻度(最大風(fēng)速與最小風(fēng)速之差)確定風(fēng)機(jī)的數(shù)量。由于6臺(tái)風(fēng)機(jī)在圓周方向上存在對(duì)稱性，選取單個(gè)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)端腔區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域。這里以6臺(tái)風(fēng)機(jī)為例來(lái)說(shuō)明整個(gè)計(jì)算過(guò)程。圖1為單個(gè)風(fēng)機(jī)所對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)端腔內(nèi)的風(fēng)速分布圖。從圖中可以清晰地看出，冷卻空氣在端腔內(nèi)的流動(dòng)速度分布情況。圖2為軸向通風(fēng)道入口處的速度等值線圖，從圖中得到軸向通風(fēng)道入口處的最大風(fēng)速為20．3 m/s，最大風(fēng)速發(fā)生在風(fēng)機(jī)正對(duì)的通風(fēng)道入口處。

圖1 風(fēng)速分布圖

圖2 風(fēng)速等值線圖

圖3為選擇6個(gè)風(fēng)機(jī)時(shí)，單個(gè)風(fēng)機(jī)所對(duì)應(yīng)的4個(gè)軸向通風(fēng)道入口處的風(fēng)速分布情況。選擇不同的風(fēng)機(jī)數(shù)目分別計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)選擇6個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各通風(fēng)道內(nèi)最大風(fēng)速與最小風(fēng)速之差百分比為14%;選擇4個(gè)風(fēng)機(jī)時(shí)，各通風(fēng)道內(nèi)最大風(fēng)速與最小風(fēng)速之差的百分比將超過(guò)20%。通風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速分布的不均勻會(huì)引起發(fā)電機(jī)溫升分布不均勻。本文最終確定6臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

圖3 通風(fēng)道入口處風(fēng)速分布

3通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算

圖4 靜壓等值線

在進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算時(shí)，由于發(fā)電機(jī)的6臺(tái)風(fēng)機(jī)在圓周方向存在對(duì)稱性，選取單個(gè)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻空氣作為計(jì)算的求解區(qū)域進(jìn)行建模，將模型對(duì)稱面設(shè)置為周期性邊界條件。圖4為計(jì)算區(qū)域的靜壓等值線圖。從圖中可以看出，發(fā)電機(jī)的靜壓為1 080 Pa，發(fā)電機(jī)總壓降為1 267 Pa。

圖5為發(fā)電機(jī)求解區(qū)域的風(fēng)速分布，通過(guò)觀察風(fēng)速分布圖，發(fā)電機(jī)內(nèi)的最大風(fēng)速為32．8 m/s，最大風(fēng)速位于發(fā)電機(jī)定子軸向通風(fēng)道的入口處。冷卻器空氣的流速沿著軸向通風(fēng)道方向逐步減小，但是變化幅度較小。

圖5 風(fēng)速分布圖

通過(guò)以上計(jì)算得到通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)壓降為1 267 Pa，冷卻空氣流量為2．216 1 m3/s，為風(fēng)機(jī)的選型提供了依據(jù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇合適的風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行冷卻。

4熱分析

發(fā)電機(jī)的溫升計(jì)算需要確定發(fā)電機(jī)各部件的對(duì)流散熱系數(shù)。本文根據(jù)上述CFD通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)內(nèi)部風(fēng)速，確定各部件的對(duì)流散熱系數(shù)。表1列出了發(fā)電機(jī)各部件的對(duì)流散熱系數(shù)。

表1 對(duì)流散熱系數(shù)

采用等效熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行熱計(jì)算，計(jì)算得到發(fā)電機(jī)各部件的溫度分布如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，發(fā)電機(jī)繞組沿軸向的溫升分布是不均勻的，發(fā)電機(jī)的最高溫升為78．8 K，位于靠近出風(fēng)口側(cè)的定子上層繞組處。

表2 計(jì)算結(jié)果

5結(jié) 語(yǔ)

本文采用CFD法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了通風(fēng)計(jì)算，確定采用6臺(tái)外加風(fēng)機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行冷卻，計(jì)算出通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)壓降為1 267 Pa，冷卻空氣流量為2．216 1 m3/s，為風(fēng)機(jī)的選型提供了依據(jù)。根據(jù)通風(fēng)計(jì)算，確定熱計(jì)算的邊界條件，采用等效熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行熱計(jì)算，得到發(fā)電機(jī)各部件的溫升值。由計(jì)算結(jié)果可以看出，發(fā)電機(jī)繞組沿軸向的溫升分布是不均勻的，發(fā)電機(jī)的最高溫升位于靠近出風(fēng)口側(cè)的上層繞組處，發(fā)電機(jī)的最高溫升值為78．8 K，說(shuō)明該通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足溫升要求。

［1］ 溫嘉斌，孟大偉，周美蘭，等．大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)發(fā)熱場(chǎng)模型研究及通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2000，15(6):1-4．

［2］ 魏永田，孟大偉，溫嘉斌．電機(jī)內(nèi)熱交換［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998:230．

［3］ 陳世坤．電機(jī)設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［4］ 李偉力，丁樹(shù)業(yè)，勒慧勇．基于耦合場(chǎng)的大型同步發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(13):129-134．

［5］ 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

［6］ Nerg J，Rilla M，Pyrhonen J．Thermal analysis of radial-flux electrical machines with a high power density［J］．IEEE Transaction on industrial electronics，2008，55(10):3543-3554．