葛云中
(中國(guó)人民解放軍96215部隊(duì),廣西 柳州545616)
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。
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]。
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)
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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