風力發(fā)電機組機艙內部氣流組織優(yōu)化方法研究

馬鐵強，孫德濱，蘇陽陽

·實驗研究·

風力發(fā)電機組機艙內部氣流組織優(yōu)化方法研究

馬鐵強1，孫德濱1，蘇陽陽2

(1．沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧沈陽110870; 2．沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧沈陽110870)

針對兆瓦級風力發(fā)電機組機艙內部結構散熱性能問題，在“下送尾排”式典型機艙散熱布局的基礎上，提出了“下送側排”式、“側送尾排”式和“側送側排”式等三種不同的散熱氣流組織形式。利用CFD軟件對四種不同的機艙散熱氣流組織形式進行了溫度場數(shù)值模擬，并對模擬結果進行對比。在此過程中，提出了一種基于熱源擾動的氣流組織均勻性評價新方法，解決了無參照狀態(tài)下機艙散熱氣流組織的孤本評價難題。模擬結果表明:“下送側排”式是四種不同的散熱氣流組織形式中最好的散熱布局結構。

風電機組;氣流組織;CFD;數(shù)值模擬;熱源擾動

0 前言

風力發(fā)電機組作為一種在高空無人值守持續(xù)運行的超大型復雜機械裝備，機械和電氣部件在復雜工況下會以摩擦、碰撞、電磁損耗等形式持續(xù)生熱。盡管關鍵部件配有專用散熱通道，但散熱功率不匹配或散熱結構不合理，會使熱量不能及時散發(fā)，聚集在機艙內造成不確定性溫升。機艙溫升將引起傳動鏈潤滑水平下降、機艙爆燃風險加大、管線加速老化等嚴重問題。據(jù)內蒙古某風電場的2014年統(tǒng)計資料，部件超溫導致的機組停機次數(shù)約占非正常停機總數(shù)的43%。機組散熱問題仍未有效解決，嚴重制約機組的可利用率和成本回收。

文獻［1－5］模擬了風力發(fā)電機溫度場分布;文獻［6］分析了風電齒輪箱穩(wěn)態(tài)溫度場;文獻［7］分析了風力發(fā)電機組主軸承的滾動體接觸摩擦生熱及接觸區(qū)熱量分布;文獻［8］模擬了極端溫度下風力發(fā)電機組機艙熱性能，成果用于機艙冷卻系統(tǒng)功率匹配。這些研究為風電機組部件冷卻方案設計和風力發(fā)電機組的運行控制提供了優(yōu)化參考依據(jù)。

由此可見，風電機組的機艙散熱在一定程度上影響著整個機組的穩(wěn)定運行，機艙的散熱問題一直是行業(yè)內不可忽略的問題之一，機艙內環(huán)境溫度過高會對艙內關鍵部件產(chǎn)生不利的影響［9－10］。因此機艙散熱布局結構的優(yōu)化尤為重要，但是從風力發(fā)電機組工作環(huán)境的角度考慮，送、排風口的尺寸、位置等因素會使得機艙內部重要部件受到外界環(huán)境因素(如凝露、沙塵、鹽霧)的影響，因此要盡量保證機艙的密封度。

傳統(tǒng)的氣流組織設計主要借助理論計算、模型實驗來完成，但是這些方法存在很大的局限［11］，本文主要運用CFD軟件，對“下送尾排”式、“下送側排”式、“側送尾排”式和“側送側排”式等四種不同的氣流組織形式，進行數(shù)值模擬并提出一種基于熱源擾動評價風力發(fā)電機組機艙內部溫度分布均勻性的新方法，解決了無參照狀態(tài)下機艙散熱氣流組織的孤本評價難題。不僅為機艙內部氣流組織形式的優(yōu)化設計提供了理論參考，同時也為其它風電機組機型的設計提供了借鑒依據(jù)，具有一定的實際工程價值。

1 氣流組織形式

氣流組織即空氣分布狀況，是指室內空氣的速度分布、溫度分布和污染物濃度分布狀況［12］，良好的氣流組織形式有助于由送風口進入的空氣到達工作區(qū)域后在艙內形成比較均勻的溫度、濕度和氣流速度，有助于機艙散熱。影響氣流組織的因素很多，如送、排風口的位置、尺寸大小及風電機組的復雜工況和季節(jié)變化等。本文主要對送、排風口這一因素進行數(shù)值模擬并對模擬結果進行比較。在傳統(tǒng)機艙散熱布局“下送尾排”式的基礎上，保持送、排風口的尺寸不變，改變其位置，模型如圖1所示。

圖1機艙散熱布局的物理模型Fig.1Physical model of the nacelle heat dissipation structure

圖1 中，靠近機艙前端的兩個長方形口為送風口，機艙尾部的兩個長方形口為排風口，靠近機艙前端內部的大長方體為齒輪箱，齒輪箱上部體積小的長方體為齒輪箱散熱通道，靠近機艙尾部的下方的長方體為發(fā)電機，發(fā)電機上方為發(fā)電機散熱通道，機艙內部尾端前方是控制柜。艙內各個部件的幾何尺寸均按照實物尺寸建模。

2 控制方程、湍流模型及邊界條件

2.1 艙內流體與傳熱的控制方程

機艙內安裝了強制通風系統(tǒng)，由專門的送風口和排風口形成了機艙與外部氣體環(huán)境的交換系統(tǒng)。艙內氣體假定為不可壓縮氣體，在恒功率強制通風系統(tǒng)作用下做定常流動，遵守質量、動量和能量守恒定律。

本文用整體求解方法，求解艙內氣體流動和溫度場分布問題。設艙內氣體瞬時流速為u，氣體壓力為P，氣體比熱容為cp，氣體傳熱系數(shù)為k，氣體瞬時溫度為T，則艙內氣流的統(tǒng)一控制方程描述如下:

(1)機艙內氣體不可壓縮，則滿足以下流體連續(xù)性方程:

(2)機艙內氣體在各個速度分量方向上，滿足以下動量守恒方程:

(3)不考慮機艙內氣體的黏性耗散，則滿足能量守恒方程

2.2 艙內氣體的湍流模型

機艙內氣體在強制通風系統(tǒng)作用以較大流速做定常流動，由于自然環(huán)境下的空氣黏性系數(shù)可忽略不計，因此其雷諾數(shù)較大。艙內氣體受機艙的復雜布局結構影響，氣流組織形態(tài)呈現(xiàn)復雜紊流。

為了描述艙內氣體紊流狀態(tài)，采用Launder和Spalding提出的k－ε湍流模型。k－ε湍流模型是簡單而標準的湍流模型，可有效解決高雷諾數(shù)的流體湍流問題。k－ε湍流模型方程為

式中，Gk為氣體層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能; Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能;YM為由于在可壓縮湍流中過渡的擴散產(chǎn)生的波動，由于艙內氣體不可壓縮，故忽略不計;Sk、Sε為用戶定義的源項，通常也忽略不計;σk、σε分別為k方程和ε方程的湍流普朗特數(shù)，由艙內氣體的比熱容Cp、黏度系數(shù)μ和導熱率k根據(jù)普朗特數(shù)計算公

2.3 機艙流場和溫度場分析的邊界條件

艙內氣體為定常流動，流場分布由強制通風系統(tǒng)功率決定。溫度場由氣體與熱源之間的自然對流、輻射、熱傳導三個換熱過程和流場分布決定，那么不同熱源表面溫度會導致機艙溫度場有所差異。

根據(jù)IEC標準規(guī)定的部件工作溫度范圍及風電場夏季常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，設定機艙流場和溫度場分析的邊界條件。由于艙內散熱氣流組織形態(tài)與送風口、排風口的風速、流量有關，而與熱源溫度數(shù)據(jù)無關，因此選定表1所示機組穩(wěn)定運行時部件外殼的溫度數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)。式(8)獲得。艙內氣體的普朗特數(shù)σk、σε別取數(shù)值1和1.3。

表1 機艙溫度場分析參數(shù)Tab.1Parameters of the nacelle temperature field

此外，夏季常規(guī)運行的環(huán)境監(jiān)測溫度統(tǒng)計平均值約為20℃;送風口的氣體速度v≈5 m/s;按照GB/T19073標準規(guī)定齒輪箱的工作環(huán)境溫度為－40～50℃。

3 模擬結果

從圖2所示溫度場分布上可以明顯的看到四種不同的氣流組織形式中，“側排”式的兩種氣流組織形式溫度場分布趨勢基本相同，“尾排”式的兩種氣流組織形式溫度場分布趨勢基本相同，均呈現(xiàn)出“前涼后熱”的分布特點。“尾排”式在機艙尾端發(fā)電機周圍形成高溫區(qū)，不利于散熱，“側排”式的氣流組織形式相對于“尾排”式的氣流組織形式好一些，有利于機艙散熱。

圖2 不同氣流組織形式截面溫度場分布Fig.2Temperature field distribution of different air distribution

4 機艙內部氣流組織散熱性能評價方法

相關數(shù)據(jù)。設熱源擾動影響不均勻系數(shù)為kΔt，kΔt按式(9)計算。

4.1 基于熱源擾動的溫度場分布均勻性評價新方法

為分析風力發(fā)電機組機艙溫度場分布均勻性問題，若按照文獻［13］提供的溫度場分布均勻性評價指標，則無法準確判定溫度場分布是否均勻。本文提出一種基于熱源擾動的溫度場分布均勻性評價新方法。在環(huán)境溫度不變條件下，為所有熱源施加溫度擾動量Δt，通過截取垂直于X軸的若干截面，以截面中心為對稱點，上下左右對稱取三維點，本次取點共計323個點。取點模型如圖3所示，由左向右為X軸正方向，由下向上為Z軸正方向，坐標系原點位于機艙左側面與底面交線的中點處。度變化標準差σΔt和溫度變化平均值Δt，并記錄

從風力發(fā)電機組工作環(huán)境的角度考慮，機艙內部溫度場受復雜工況及季節(jié)變化等因素的影響，進而影響不均勻系數(shù)kΔt。為了驗證不均勻系數(shù)kΔt是否趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在CFD計算的邊界條件中加入溫度擾動并重新計算流場，根據(jù)式(9)計算各自熱源擾動影響不均勻系數(shù)kΔt。將相鄰兩次熱源擾動產(chǎn)生的熱源擾動影響不均勻系數(shù)kΔt，i和kΔt，i+1代入關系式(10)，得到溫度場不均勻性評價穩(wěn)定指標λ，若λ→0，則說明溫度場分布的不均勻特性趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

基于熱源擾動的溫度場分布均勻性評價方法解決了無參照狀態(tài)下機艙散熱氣流組織的孤本評價難題，為風力發(fā)電機組機艙內部溫度場分布均勻性的研究提供了理論基礎和借鑒經(jīng)驗。根據(jù)以上結論，優(yōu)先選出機艙內部溫度場分布不均勻特性穩(wěn)定狀態(tài)良好的，后選擇機艙內部溫度不均勻性系數(shù)相對小的。

本文對四種不同的氣流組織形式的擬六面體機艙內的熱源施加了兩次擾動并重新計算流場，由式(10)計算分別得到的不均勻性評價穩(wěn)定指標λ和溫度不均勻系數(shù)σx見表2。

圖3 取點物理模型Fig.3Physical model of taking point

計算此時的機艙內溫度場內各取樣點處的溫

表2 不同氣流組織形式的相關參數(shù)Tab.2Parameters of different air distribution

由表2看到:各種氣流組織形式的溫度不均勻系數(shù)σx都基本集中在10左右，相差不大，從優(yōu)先考慮溫度場不均勻性評價穩(wěn)定指標λ的角度考慮，“下送側排”式的溫度場不均勻性評價穩(wěn)定指標λ最小，即“下送側排”式是四種不同的氣流組織形式中散熱性能最好的氣流組織形式。

4.2 機艙內部的溫度效率

設Tε為排風口溫度，T0為送風口溫度，Tz為機艙內的平均溫度，則機艙內部的溫度效率Et可由公式(11)計算。

根據(jù)本文實驗樣本整理得到機艙溫度數(shù)據(jù)，見表3。由式(11)計算得到四種不同氣流組織形式擬六面體機艙的溫度效率Et。該溫度效率偏低，說明機艙散熱能力較低［11］，機艙散熱氣流組織形態(tài)不良，不利于機艙散熱。

表3 不同氣流組織形式的機艙溫度數(shù)據(jù)(熱力學溫度)Tab.3Temperature data of nacelle with different air flows distribution(thermodynamic temperature)

由式(11)分別得到:Et1=0.76977，Et2= 0.81081，Et3=0.76798，Et4=0.81975。

由Et4＞Et2＞Et1＞Et3可以得到:“側排”式較“尾排”式氣流組織形式溫度效率更高;“下送側排”式與“側送側排”式溫度效率基本相等，大于其他兩種氣流組織形式;說明“下送側排”式和“側送側排”式兩種不同氣流組織形式的機艙散熱能力較高，機艙散熱組織形態(tài)良好，更有利于機艙散熱。價值。

(3)為進一步優(yōu)化“下送側排”式機艙散熱氣流組織形式提供了理論參考及借鑒經(jīng)驗。

5結論

針對風力發(fā)電機組機艙內部散熱通風問題，利用CFD軟件對四種不同氣流組織形式的機艙布局結構進行了數(shù)值模擬，采用了一種基于熱源擾動的新式方法評價機艙內部散熱優(yōu)良。經(jīng)數(shù)值模擬分析結論如下:

(1)由機艙內部溫度場分布不均勻性穩(wěn)定評價指標λ，溫度不均勻性系數(shù)σx和溫度效率Et等參數(shù)指標，得到“下送側排”式是最好的散熱氣流組織形式，其散熱效果最佳。

(2)采用CFD軟件對四種不同氣流組織形式的散熱性能進行數(shù)值模擬研究，得到“側排”式的氣流組織形式比“尾排”式的氣流組織形式散熱好一些，不僅為機艙外形結構設計及其通風散熱性能設計提供了參考，同時也為其它機型的設計提供了可借鑒的依據(jù)，具有一定的實際工程

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專利介紹

一種一機兩流板坯連鑄機及其生產(chǎn)方法(CN103182488A)

本發(fā)明提供了一種一機兩流板坯連鑄機及其生產(chǎn)方法，減少投資，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約資源。

該一種一機兩流板坯連鑄機，包括鋼包、長水口、中間包、浸入式水口、結晶器、振動裝置、引錠鏈、扇形段、設置在扇形段的出口處的出坯系統(tǒng)，長水口連通鋼包與中間包，浸入式水口自中間包的底部接入結晶器，振動裝置設置在結晶器外，扇形段設置在結晶器的出口下方，引錠鏈設置在扇形段輥縫內且引錠鏈的上端插入結晶器內，特殊之處在于，結晶器設置有第一腔體和第二腔體;浸入式水口包括第一浸入式水口和第二浸入式水口，分別接入第一腔體和第二腔體內;引錠鏈包括設置在其上端的第一引錠頭、第二引錠頭，分別插入第一腔體和第二腔體內。上述結晶器由外弧裝配、內弧裝配、左側裝配、右側裝配、左側中間插板、右側中間插板組成，外弧裝配、內弧裝配、左側裝配和左側中間插板圍成第一腔室;外弧裝配、內弧裝配、右側裝配和右側中間插板圍成第二腔室。上述引錠鏈還包括第一過渡鏈節(jié)、第二過渡鏈節(jié)和鏈身，第一過渡鏈節(jié)、第二過渡鏈節(jié)分別串接在所述第一引錠頭、第二引錠頭與鏈身之間。上述引錠鏈還包括第一過渡鏈節(jié)、第二過渡鏈節(jié)和鏈身，第一過渡鏈節(jié)、第二過渡鏈節(jié)分別串接在所述第一引錠頭、第二引錠頭與鏈身之間。上述引錠鏈是柔性鏈式弓I錠鏈。使用一機兩流板坯連鑄機的生產(chǎn)方法，包括以下步驟:

1)、鋼水從鋼包經(jīng)長水口進入中間包后，分別經(jīng)第一浸入式水口和第二浸入式水口進入結晶器的內插第一引錠頭的第一腔體內和內插第二引錠頭的第二腔體內，進入第一腔體內的鋼水與第一引錠頭連接，進入第二腔體內的鋼水與第二引錠頭連接，此時，鋼水在結晶器內冷卻形成兩流鑄坯;

2)、當結晶器內的鋼水距離結晶器的頂部100 mm時，振動裝置啟動，同時，啟動扇形段的驅動裝置，驅動引錠鏈帶動上述的兩流鑄坯向下運動，直至該兩流鑄坯被拉出扇形段，并進入出坯系統(tǒng)，在此過程中兩流鑄坯逐漸冷卻，形成兩流板坯;

3)、待兩流板坯到達切割機處并達到指定長度時，切割機同時切割兩流板坯，被切割下來的兩流板坯為定尺板坯，該定尺板坯與引錠鏈脫離并被出坯系統(tǒng)運出;尚未被切割的兩流板坯的剩余部分隨著扇形段繼續(xù)向下運動，待達到指定的尺寸后，切割機再次對該兩流板坯的剩余部分進行切割獲取定尺板坯，如此往復。

Research on optimization method of air distribution inside the nacelle of wind turbine

MA Tie-qiang1，SUN De-bin1，SU Yang-yang2
(1．School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China;2．School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

To study the heat dissipation performance inside the nacelle structure of the megawatt grade wind turbine，three different air distribution s of bottom to side，side to tail and side to side are proposed on the basis of typical structure of bottom to tail．The CFD software is used to analyze the temperature field of the four different air distributions inside the nacelle，and the results of the numerical simulation are compared．In the course of studying，a new method of evaluating the air distributions uniformity based on the heat source perturbation is proposed，and the problem of evaluating the air distributions uniformity without reference has been solved．The results show that the bottom to top method whose temperature field is proven to be the best in all forms．

wind turbine;air distribution;CFD;numerical simulation;heat source perturbation

TM385

A

1001－196X(2017)01－0029－06

2016－05－24;

2016－07－27

國家自然科學基金重點項目(51537007);國家自然科學基金項目(51207095);遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(201303005)。

馬鐵強(1977－)，男，博士，講師，主要從事適應復雜環(huán)境的風力發(fā)電機組多學科耦合設計、分析和仿真理論研究和軟件研發(fā)。

孫德濱(1990－)，男，沈陽工業(yè)大學在校碩士生，研究方向:機械制造及其自動化。