徑向多結(jié)構(gòu)特征下風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻性能研究

丁樹(shù)業(yè) 夏壘 劉建峰 王越 劉野

摘?要：為了提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻性能，降低其運(yùn)行時(shí)的溫升，以一臺(tái)3MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，結(jié)合發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子流固耦合的三維物理模型，并給出求解條件。根據(jù)流體力學(xué)以及傳熱學(xué)理論，采用有限體積元法對(duì)電機(jī)內(nèi)流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。同時(shí)，對(duì)徑向通風(fēng)溝提出了多種結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)不同方案下電機(jī)內(nèi)流體流動(dòng)特性及各主要部件溫升進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)通過(guò)減小徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸，能有效提高電機(jī)的冷卻效果。當(dāng)采用結(jié)構(gòu)方案Ⅲ時(shí)，求解域內(nèi)最高溫升較原模型低6.04K。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);流固耦合;徑向通風(fēng)溝;多結(jié)構(gòu)

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.011

中圖分類(lèi)號(hào)： TM315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）06-0057-05

Abstract：In order to improve cooling effects of permanent magnet wind generator and reduce the operation temperature?a 3MW permanent magnet wind generator was taken as an example?physical model of three dimensional stator and rotor fluid-solid coupled was established on the basis of the basic assumptions considering ventilation characteristics and structure feature of generator?and the solution conditions was given.?According to hydromechanics and heat transfer theory?temperature field and fluid field was calculated numerically using finite volume method.?At the same time?some structures were proposed in view of radial ventilation ducts?and the fluid flow performance and main components temperature of different schemes were analyzed.?The results indicate that?by reducing the axial size of the radial ventilation duct can effectively improve the cooling performance of the motor.?The maximum temperature rise in solution was 6.04K lower than the original one when adopt schemeⅢ.

Keywords：wind generator; fluid-solid coupled; radial ventilation duct; optimization

0?引?言

隨著人們對(duì)清潔能源需求量變大，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)文明中顯得日益重要，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正朝著單機(jī)容量不斷擴(kuò)大的方向發(fā)展[1]。而隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加，發(fā)電機(jī)內(nèi)部各部件的損耗也隨之增加，導(dǎo)致了電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫升的提高，直接影響了電機(jī)的壽命與運(yùn)行的穩(wěn)定性[2]。因此對(duì)多種不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)下電機(jī)的通風(fēng)冷卻性能進(jìn)行研究，找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，從而降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫升顯得十分必要。

近年來(lái)，專(zhuān)家利用有限體積元法[3-8]，根據(jù)流體力學(xué)理論對(duì)電機(jī)內(nèi)部流體場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)了卓有成效的研究。文[9]對(duì)發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子域內(nèi)的冷卻介質(zhì)速度，溫升及運(yùn)動(dòng)跡線(xiàn)等流體流變特性做了詳細(xì)的分析。文[10]對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為徑向通風(fēng)方式的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)流體流動(dòng)做了相關(guān)研究，得到了發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻氣體風(fēng)速以及其沿軸徑向的分布情況。文[11-13]分別通過(guò)改變大型汽輪發(fā)電機(jī)徑向通風(fēng)溝數(shù)量、尺寸和端部氣隙隔板高度，對(duì)其內(nèi)部傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了不同結(jié)構(gòu)下的電機(jī)溫升分布。李偉力等基于流體與固體耦合的方法[14-15]，分析了轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝數(shù)量與位置對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)流體流動(dòng)與溫度的影響，以上都為電機(jī)內(nèi)流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)的計(jì)算奠定了一定的基礎(chǔ)。但是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)徑向多結(jié)構(gòu)下結(jié)合流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)相研究的成果較少，所以結(jié)合流體流動(dòng)與傳熱研究徑向結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)性能的影響具有一定的工程實(shí)際價(jià)值。

本文以一臺(tái)3MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，采用有限體積元法、流固耦合模型對(duì)發(fā)電機(jī)流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析。并在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)整定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。所得結(jié)論為永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論參考。

1?求解模型與基本假設(shè)

1.1?數(shù)學(xué)模型

當(dāng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)內(nèi)流體流動(dòng)屬于定常、粘性、不可壓縮的紊流流動(dòng)。根據(jù)流體力學(xué)基本原理，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，在直角坐標(biāo)系中可寫(xiě)出相應(yīng)的控制方程[16]如下：

1.2?基本假設(shè)

為了合理簡(jiǎn)化求解過(guò)程，做出以下基本假設(shè)：

1）電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)中，流體流速遠(yuǎn)小于聲速、雷諾數(shù)Re>2300，將流體看成不壓縮流體，并采用湍流模型對(duì)電機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行求解;

2）只探究發(fā)電機(jī)內(nèi)流體流速的穩(wěn)定狀態(tài)，即定常流動(dòng)，因而控制方程不含有時(shí)間項(xiàng)[18];

3）認(rèn)為渦流效應(yīng)對(duì)每根股線(xiàn)的影響相同，定子繞組端部是直的;

4）槽內(nèi)所有絕緣的熱性能相同[19];

5）冷卻氣體對(duì)整個(gè)圓周區(qū)域的冷卻效果相同。

1.3?物理模型

根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本假設(shè)，取發(fā)電機(jī)的半個(gè)軸向段，周向以發(fā)電機(jī)定子的一個(gè)整槽兩個(gè)半齒所對(duì)應(yīng)的圓弧區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，建立計(jì)算域模型，如圖1所示。

1.4?邊界條件

根據(jù)發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)以及傳熱特性，求解域內(nèi)的邊界條件給定如下：

1）內(nèi)外風(fēng)路入口均采用速度入口邊界條件，內(nèi)風(fēng)路入口速度為4.85m/s，外風(fēng)路入口速度為33.4m/s，出口采用壓力出口邊界條件;

2）圖1中S1、S2 和S3（軸向中心截面）為絕熱面，其余表面均為散熱面;

3）流體除入口與出口的邊界條件之外，其余與固體的接觸面都設(shè)為無(wú)滑移邊界。

2?原始結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到求解域內(nèi)流體流速分布如圖2所示。

從圖中可以看出外風(fēng)路流體流速分布均勻且流速較大，這是由于外風(fēng)路形狀規(guī)則，風(fēng)阻較小。而內(nèi)風(fēng)路中的流體流速分布復(fù)雜，在轉(zhuǎn)子氣腔中，從入口到軸中心處呈不斷下降趨勢(shì)。空氣從轉(zhuǎn)子氣腔進(jìn)入徑向通風(fēng)溝中速度有所增加，定子徑向風(fēng)溝內(nèi)空氣速度大于轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝中的空氣速度。由于定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝比較狹窄，同時(shí)存在繞流性物體，流體在定子徑向通風(fēng)溝出口處出現(xiàn)顯著的渦流。

圖3為整個(gè)求解域內(nèi)的溫升分布圖。從圖中可以看出，定子鐵心及定子繞組溫升較高，而轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)子磁鋼溫升相對(duì)較低。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到求解域內(nèi)最高溫升處于定子繞組下層股線(xiàn)上，達(dá)到了73.95K，其平均溫升為70.21K。轉(zhuǎn)子鐵心的最高溫升為35.45K，平均溫升為31.3K，轉(zhuǎn)子鐵心的溫升略低于轉(zhuǎn)子磁鋼的溫升。

3?多種結(jié)構(gòu)方案的計(jì)算結(jié)果分析

3.1?結(jié)構(gòu)方案概述

通過(guò)對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)原始結(jié)構(gòu)流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分析得出，徑向通風(fēng)溝的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電機(jī)通風(fēng)冷卻效果有著重要的影響。因此，對(duì)徑向通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)提出了4種研究方案。方案Ⅰ、方案Ⅱ是在電機(jī)沿軸向總長(zhǎng)度不變、損耗不變的條件下改變定、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝及定轉(zhuǎn)子鐵心的軸向尺寸;方案Ⅲ、方案Ⅳ是在每段鐵心延軸向長(zhǎng)度不變、電機(jī)總損耗不變的條件下僅改變定、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸。4種結(jié)構(gòu)方案的尺寸調(diào)整如表1所示。

3.2?不同結(jié)構(gòu)方案流體場(chǎng)的計(jì)算與分析

由于電機(jī)內(nèi)各部件的散熱效果受流體流速影響，且定子徑向風(fēng)溝內(nèi)空氣流速較大，因此對(duì)不同方案下定子徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體流動(dòng)情況的分析有重要意義。這里以靠近軸向中心截面的第一個(gè)定子徑向通風(fēng)溝為研究對(duì)象，在繞組一側(cè)通風(fēng)溝內(nèi)做一條采樣直線(xiàn)AB，如圖4所示，得到各方案采樣直線(xiàn)處風(fēng)速分布情況，如圖5所示。

從圖4中可以看出，不同方案下定子通風(fēng)溝內(nèi)流體流速分布趨勢(shì)基本一致，最高流速位于槽楔附近，徑向通風(fēng)溝內(nèi)空氣速度均隨著徑向高度的增加呈下降趨勢(shì);方案Ⅰ和方案Ⅲ的徑向風(fēng)溝內(nèi)流體流速大于原方案，而方案Ⅱ和方案Ⅳ的徑向風(fēng)溝內(nèi)流體流速低于原方案。表明在一定范圍內(nèi)，徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸越小，流體通過(guò)時(shí)速度越大。

由于冷卻氣體的冷卻效果不僅受其速度影響也與其溫度密切相關(guān)，因此考慮空氣的溫度也顯得很重要。圖6為不同方案下定子徑向通風(fēng)溝內(nèi)的空氣溫度分布情況。

從各方案徑向風(fēng)溝內(nèi)的空氣溫度分布可以看出，繞組尾部區(qū)域溫度最高，這是由于定子繞組相當(dāng)于繞流性物體，氣流在其尾部形成渦流而造成的;方案Ⅰ和方案Ⅲ中徑向風(fēng)溝內(nèi)空氣的溫升大于原方案，而方案Ⅱ和方案Ⅳ中徑向風(fēng)溝內(nèi)空氣的溫升小于原方案。由計(jì)算結(jié)果得到原始方案槽底與槽口處氣體平均溫差為10.85K ，方案Ⅰ和方案Ⅲ中槽底與槽口處氣體平均溫差高于原方案，差值分別為11.27K、11.37K，同時(shí)這兩種方案中徑向風(fēng)溝內(nèi)流體流速也大于原方案，因此這兩種方案中的冷卻氣體經(jīng)過(guò)定子部分能帶走更多的熱量，冷卻效果好于原始方案;方案Ⅱ和方案Ⅳ中在槽底與槽口處氣體平均溫差分別為10.37K與9.98K，且流體流速小于原方案，因此方案Ⅱ和方案Ⅳ的冷卻效果較差。

3.3?不同結(jié)構(gòu)方案電機(jī)溫度場(chǎng)的計(jì)算與分析

為了更加直觀(guān)的看出不同結(jié)構(gòu)方案的散熱效果，取各方案軸向中心截面鐵心段內(nèi)定子槽中心線(xiàn)位置處的溫升進(jìn)行對(duì)比分析，溫升沿徑向高度的變化曲線(xiàn)如圖7所示（徑向高度：轉(zhuǎn)子氣腔底部至外風(fēng)路底部）。

從圖中可以看出，各方案定子槽中心線(xiàn)處的溫升分布趨勢(shì)基本一致。徑向高度在0.4m附近區(qū)域處空氣溫升略高，這是由轉(zhuǎn)子氣腔內(nèi)在此區(qū)域的空氣回流所引起的，轉(zhuǎn)子部分溫升沿徑向變化不大，定子下層股線(xiàn)溫升最高。方案Ⅰ與方案Ⅲ的定轉(zhuǎn)子部分溫升均比原方案低，同時(shí)這兩種方案中定子軛部上方的空氣溫升較大，表明冷卻空氣經(jīng)定轉(zhuǎn)子后帶走了更多的熱量，顯然方案Ⅰ與方案Ⅲ的冷卻效果較好，與前面流體分析結(jié)論一致。

為了進(jìn)一步探究不同方案下電機(jī)的通風(fēng)冷卻效果，根據(jù)各方案的計(jì)算結(jié)果，得到了電機(jī)內(nèi)部各主要部件的最高溫升與平均溫升，分別如表2、表3所示。

由表2、3可以看出：

1）不同方案中定子股線(xiàn)處的最高溫升與平均溫升均最高，轉(zhuǎn)子鐵心的最高溫升與平均溫升均最低;

2）方案Ⅰ、方案Ⅲ中電機(jī)內(nèi)各主要部件的最高溫升和平均溫升與原結(jié)構(gòu)方案相比均有所降低，其中方案Ⅲ降低較多，冷卻效果更好;

3）對(duì)比各方案可以發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸越小，電機(jī)的通風(fēng)冷卻性能越好。

4?結(jié)?論

本文以一臺(tái)3MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)電機(jī)徑向多結(jié)構(gòu)特征下電機(jī)內(nèi)的流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

1）方案Ⅰ和方案Ⅲ的徑向風(fēng)溝內(nèi)冷卻空氣流速高于原方案，冷卻空氣經(jīng)電機(jī)內(nèi)各主要部件加熱后的溫升也較高，方案Ⅰ和方案Ⅲ的冷卻效果均優(yōu)于原方案;

2）在合理范圍內(nèi)通過(guò)減小電機(jī)徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸能有效提升電機(jī)通風(fēng)冷卻性能，降低電機(jī)溫升，從而提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性以及電機(jī)的使用壽命;

3）當(dāng)采用方案Ⅲ時(shí)，電機(jī)內(nèi)各主要部件溫升最低，求解域內(nèi)最高溫升較原結(jié)構(gòu)方案降低最多，為6.04K，且徑向風(fēng)溝內(nèi)風(fēng)速提升明顯，因此本文建議采用方案Ⅲ。

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（編輯：關(guān)?毅）