兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在極限工況下流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)數(shù)值分析

葛云中

(中國(guó)人民解放軍96215部隊(duì)，廣西 柳州545616)

0 引言

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不斷投入運(yùn)行。但是，隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加，電機(jī)溫升也大幅度地提高，影響電機(jī)的安全運(yùn)行和使用壽命。目前，國(guó)內(nèi)外研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)的相對(duì)較少，特別是對(duì)高海拔惡劣環(huán)境條件下運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)的研究甚少。因此，本文從中國(guó)高原地區(qū)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀進(jìn)行分析，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)在海拔4 km地區(qū)極限工況下流體流變特性和電機(jī)熱特性。

1 數(shù)學(xué)模型

電機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)流體流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律［1］。

1.1 k－ε湍流模型

對(duì)于湍流則采用標(biāo)準(zhǔn)的k－ε湍流模型，可統(tǒng)一表達(dá)為以下形式:

圖1 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)

1.2 三維熱傳導(dǎo)方程

在直角坐標(biāo)系下，三維熱傳導(dǎo)方程為

式中:T為固體待求溫度，oC;kx、ky、kz分別代表x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);q為內(nèi)部熱源密度，W/m3。

2 求解域模型確定

2.1 電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文以一臺(tái)雙饋水冷風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，該發(fā)電機(jī)具有內(nèi)外兩路冷卻系統(tǒng)。內(nèi)冷卻系統(tǒng)，即空氣由設(shè)在電機(jī)端部的風(fēng)扇強(qiáng)迫通風(fēng)實(shí)現(xiàn)封閉式冷卻。外冷卻系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)設(shè)有水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水經(jīng)過(guò)與一次冷卻的熱空氣進(jìn)行能量傳遞，將發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量帶到外部。發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 基本假設(shè)

根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)、傳熱和冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)，作如下假設(shè)［2-5］:

1)將電機(jī)上層繞組和下層繞組分別按整體加以考慮。

2)電機(jī)各部件緊密接觸，所有絕緣材料性質(zhì)相同。

3)不考慮風(fēng)扇實(shí)際存在，端部繞組用直線段取代。

4)由于電機(jī)中流體的雷諾數(shù)很大(Re＞2 300)，屬于紊流，因此采用紊流模型對(duì)電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行求解。

2.3 計(jì)算區(qū)域

根據(jù)電機(jī)基本數(shù)據(jù)，在基本假設(shè)下，建立電機(jī)圓周方向1/8個(gè)區(qū)域?yàn)榍蠼饽Ｐ?，求解域物理模型如圖2所示。電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)的基本參數(shù)

圖2 求解域物理模型

2.4 邊界條件

邊界條件為:

1)入口1及入口2為速度入口。

2)出口1及入口2為壓力出口。

3)發(fā)電機(jī)機(jī)殼外圓及轉(zhuǎn)子內(nèi)圓為散熱面，散熱系數(shù)的確定有文獻(xiàn)給定［6］。

4)冷卻介質(zhì)的特性由發(fā)電機(jī)所處的具體海拔高度確定。

3 流體特性分析

采用有限體積法對(duì)電機(jī)內(nèi)三維流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合求解，得出電機(jī)內(nèi)流體速度分布。

3.1 空氣速度分布

圖3為電機(jī)內(nèi)空氣速度分布。

圖3 空氣速度分布圖

通過(guò)對(duì)圖3流體分布以及計(jì)算數(shù)值結(jié)果分析，空氣在轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔的速度最大，為49.96 m/s。電機(jī)端部空氣流通空間大，流動(dòng)速度相對(duì)較小，在流通空間變化大的區(qū)域速度變化較大，并有渦流產(chǎn)生。

3.2 水速度分布

圖4為水冷系統(tǒng)中冷卻水的流線分布。

圖4 水流場(chǎng)流線圖

從圖4可以看出:在求解域外冷卻系統(tǒng)中冷卻水在冷卻過(guò)程中速度較低，其數(shù)值為2.27 m/s。在實(shí)際的電機(jī)中，電機(jī)的出入口均為一個(gè)，即在電機(jī)整個(gè)外冷卻系統(tǒng)中水的最大速度也為2.27 m/s。

4 溫升特性分析

4.1 電機(jī)整體溫升分布

圖5為風(fēng)力發(fā)電機(jī)在高原極限工況下溫升分布。

圖5 電機(jī)溫升分布圖

從圖5可見(jiàn)，電機(jī)風(fēng)扇端定子股線受散熱條件的影響，定子端部股線溫升明顯高于電機(jī)的其它部分，最高溫升達(dá)100.9 K。其次是轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升，最高溫升為100.1 K。由于轉(zhuǎn)子股線和鐵心緊密接觸，因此，相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子鐵心溫升也較高。另外，空氣在電機(jī)內(nèi)流動(dòng)到風(fēng)扇端的過(guò)程中溫度不斷變高，所以，電機(jī)風(fēng)扇端的溫升明顯高于非風(fēng)扇端的溫升。

由于液體工質(zhì)的密度與比熱容都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體工質(zhì)，帶走熱量能力強(qiáng)，因此，機(jī)殼以及定子區(qū)域溫升低于轉(zhuǎn)子區(qū)域。

4.2 轉(zhuǎn)子溫升分布

圖6為轉(zhuǎn)子最熱區(qū)域軸向截面溫升分布圖，圖7為轉(zhuǎn)子股線沿軸向長(zhǎng)度溫升分布圖。

從圖6、圖7中可以看到:

1)轉(zhuǎn)子槽內(nèi)溫升高于其它各個(gè)部分，槽口、齒根和軛部溫升較低。

2)平面內(nèi)的溫升最高點(diǎn)位于槽中心線上，沿著兩側(cè)絕緣層溫升快速下降，在鐵心位置趨于穩(wěn)定，并且沿著周向呈對(duì)稱分布。

3)股線和鐵心緊密接觸，轉(zhuǎn)子股線的最熱位置與鐵心的最熱位置相對(duì)應(yīng)。

4)槽內(nèi)上層股線溫升高于下層股線，除在風(fēng)扇端外，雙層繞組變化規(guī)律基本一致，溫升差約為2.9～4.1 K。轉(zhuǎn)子端部股線產(chǎn)生的熱量主要由端部流動(dòng)的空氣帶走，上層繞組在背風(fēng)區(qū)，散熱較下層繞組困難，上層繞組溫升下降慢，上下層繞組溫升相差最大為6.2 K。

4.5 水溫升分布

圖8為機(jī)殼中水循環(huán)系統(tǒng)的溫升分布。

圖8 水溫升分布圖

從圖8可以看出:在求解域水冷系統(tǒng)中水的溫升較低，最大溫升為1.8 K，出水口平均溫升為1.22 K。

通過(guò)對(duì)圖4和圖8的對(duì)比分析，水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)速度分布與溫升分布是相對(duì)應(yīng)的。在渦流區(qū)和水流動(dòng)較慢的區(qū)域水的溫升較高;而水流通暢的區(qū)域水的溫升低。

5 結(jié)論

通過(guò)上述建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型與實(shí)際使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能分析計(jì)算對(duì)比，其結(jié)果為:

1)平原地區(qū)工作的發(fā)電機(jī)的性能與本次實(shí)驗(yàn)的發(fā)電機(jī)的性能數(shù)值誤差為4.24%，滿足運(yùn)行要求。

2)在高原極限下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)最高溫升為100.9 K，遠(yuǎn)小于F級(jí)絕緣條件所允許的最高溫升。由此表明電機(jī)適應(yīng)高原環(huán)境風(fēng)速變化，在極限工況下，可以安全、可靠運(yùn)行。

3)電機(jī)氣隙熱阻大，徑向溫差大，整體溫升分布呈現(xiàn)出了兩個(gè)溫差較為明顯的區(qū)域:轉(zhuǎn)子溫升區(qū)和定子溫升區(qū)。

［1］周俊杰，徐國(guó)權(quán)，張華俊.FLUENT工程技術(shù)與實(shí)例分析［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010:14-17.

［2］吳德義.大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)中氣體運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)的合理建模［J］.大電機(jī)技術(shù)，2005(6):8-10.

［3］丁樹(shù)業(yè)，李偉力，靳慧勇，等.發(fā)電機(jī)內(nèi)部冷卻氣流狀態(tài)對(duì)定子溫度場(chǎng)的影響［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(3):131-135.

［4］KOMEZA K，LóPEZ-FERNáNDEZ X M，LEFIK M.Computer modelling of 3D transient thermal field coupled with electromagnetic field in three-phase inductionmotor on load［J］.The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical＆Electronic Engineering，2010，29(4):974-983.

［5］溫志偉，顧國(guó)彪，王海峰.浸潤(rùn)式與強(qiáng)迫內(nèi)冷結(jié)合的蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)計(jì)算［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(23):133-138.

［6］丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.