風力發(fā)電機機艙散熱分析及結(jié)構(gòu)改進

杜 亮，趙 晶，閻明印，王世杰

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

近些年來，風能已成為一種高效便捷且符合綠色環(huán)保的新型能源，但中小功率風電機組內(nèi)部空間布局緊密、發(fā)熱設備較多，這部分熱量都基本耗散在機艙內(nèi)，會對機組整機和部件穩(wěn)定運行帶來一些問題，所以機艙的內(nèi)部環(huán)境溫度一直是行業(yè)內(nèi)需要解決的問題之一。目前普遍采取的措施是限功率運行或停機保護，這樣不僅浪費了風能資源，降低了機組的可利用率，而且過高的溫度也會影響周圍敏感部件(電線、油管道、橡膠件等)的性能，出現(xiàn)老化速度加快、電路接觸不良、零部件磨損加劇、潤滑油性能變差等現(xiàn)象。

目前國內(nèi)外學者在風力發(fā)電機艙散熱問題上已經(jīng)進行了一定的研究，在國內(nèi)，有對機艙內(nèi)發(fā)熱部件的獨立研究，如齒輪箱冷卻系統(tǒng)的研究，也有對機艙內(nèi)流場和溫度場的仿真模擬。本文針對某1.5 MW風力發(fā)電機艙的通風系統(tǒng),運用理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的方法進行數(shù)值模擬，找出原有機艙內(nèi)溫度異常的區(qū)域并得出冷卻氣流流速和方向的變化，以便提出改進方案，從而提高艙內(nèi)的散熱性能。

1 原有機艙布局

某1.5 MW風力發(fā)電機機艙內(nèi)有齒輪箱、發(fā)電機、控制柜、齒輪箱散熱器、各種支架及管道線路等部件，各部件縱橫交錯，十分復雜，但布局緊湊，如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電機機艙內(nèi)的布置

2 建立機艙三維模型

為了能夠得到比較準確的仿真結(jié)果，需要對模型進行合理的簡化：①模型盡量保留機艙內(nèi)的所有發(fā)熱部件(齒輪箱、發(fā)電機、電控柜等)，這些設備按照實際大小尺寸進行設置，外形簡化為簡單的幾何形狀，忽略復雜的細小結(jié)構(gòu)，如一些凸臺、倒角等裝飾特征；②考慮到計算機的性能及工作量，適當省去對空間氣體流動產(chǎn)生作用較小且對溫度影響不大的部件和管線。簡化后的機艙模型如圖2所示。

1-電控柜；2-上方端蓋出口2；3-風扇；4-風扇散熱通道；5-上方端蓋出口1；6-前端輪轂間隙進風口；7-前底座；8-齒輪箱；9-發(fā)電機

由于艙內(nèi)的空氣流動是自然對流和強迫對流共同作用的湍流對流換熱問題，艙內(nèi)的流動是低速流動，為了獲得準確的模擬，做如下假設：①艙內(nèi)整個流場的空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流，忽略控制方程中的時間項；②計算域中的流體為不可壓縮流體且密度符合Boussinesq假設，且不考慮重力的影響；③不計艙內(nèi)空間空氣與各部件壁面間的輻射傳熱。

3 求解方法設置及邊界條件

由于機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復雜，且空氣流動會受到艙內(nèi)零部件幾何邊界的影響，可能多處存在渦旋等現(xiàn)象，為了準確模擬艙內(nèi)流場情況，采用帶有旋流修正的Realizablek-ε模型。在此基礎上，控制方程采用有限體積法和網(wǎng)格交錯法進行離散，計算時采用壓力修正法即SIMPLE來求解壓力與速度的耦合問題，湍流動能、湍流耗散項和動量方程都采用二階迎風差分格式。具體的邊界條件如下：

(1) 進口邊界設定為Velocity-Inlet速度入口邊界。

(2) 流場出口設置為Pressure-Outlet壓力出口，默認大小為0 Pa。

(3) 艙體內(nèi)部的發(fā)熱部件(齒輪箱、發(fā)電機與控制柜)通過其表面散熱，根據(jù)第二類熱邊界條件采用熱流密度邊界條件，散熱量除以總的散熱面積可以得到熱流密度。

(4) 風扇運動數(shù)學模型選用MRF模型，只需設定其運動的相對坐標、轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)速(Rotation Speed)等參數(shù)即可模擬旋轉(zhuǎn)區(qū)域。

4 流場分析

圖3為仿真得到的機艙內(nèi)部氣體的流動狀況?？諝鈴那安枯嗇為g隙進入機艙，之后由上方各個出口部分排出機艙。從圖3中可以清晰看出，機艙前端形成多處繞流，阻礙了空氣流動，并且空氣流動主要集中在前底座外圍，只有很少的氣體流向機艙底部及尾部；艙內(nèi)空氣在越靠近風扇的位置運動越劇烈，速度也越快，由于風扇的抽吸及頂部的出風口，使得機艙頂部的氣流比底部的氣流要多且密集，并且速度快；齒輪箱位于前底座內(nèi)，由于前底座的分隔，冷卻氣流很難流向齒輪箱，只有極少量的氣體流向齒輪箱表面，齒輪箱產(chǎn)生的熱量沒有被及時帶走，不利于齒輪箱散熱。

5 溫度場分析

仿真得到的電控柜表面、發(fā)電機表面和齒輪箱表面溫度分布分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖3 機艙內(nèi)部氣體的流動狀況 圖4 電控柜表面溫度分布

電控柜位置處于機艙尾部，由圖4可以看出，由于機艙尾部距離進風口偏遠，冷卻氣流不易到達，形成通風死角而又靠近發(fā)熱部件，氣體流動性較差，熱氣流不能及時排除，導致了局部區(qū)域溫度達到33.5 ℃左右；同時冷空氣會把齒輪箱產(chǎn)生的部分熱量帶到機艙尾部附近，下部的冷空氣無法正常流入機艙尾部區(qū)域，呈現(xiàn)出左側(cè)溫度明顯高于右側(cè)的狀態(tài)。

圖5 發(fā)電機表面溫度分布 圖6 齒輪箱表面溫度分布

由圖5可以看出，發(fā)電機表面溫度分布比較均勻，靠近電控柜一側(cè)溫度較高，最高溫度達到39.5 ℃，發(fā)電機和電控柜之間空間狹小，冷空氣無法到達，熱量不能及時散開，積聚在表面，形成高溫區(qū)域；發(fā)電機上方存在出風口，有利于艙內(nèi)散熱。

由圖6可以看出，齒輪箱前端優(yōu)先接觸冷空氣，表面的熱空氣在冷空氣帶動下向后運動，由于氣體流速越來越小，導致部分熱氣流停滯在前底座內(nèi)，這部分氣體溫度很高，使該區(qū)域出現(xiàn)反復的升溫，從而形成積熱，最高溫度達到了約60 ℃，超出了預定的目標溫度，所以這樣不利于齒輪箱的散熱，影響整個風力發(fā)電機的正常工作運行，該區(qū)域熱空氣排出不及時，造成部分高溫氣體的積聚，大部分表面的溫度在40 ℃左右，呈現(xiàn)出兩端涼、中間熱的狀態(tài)，導致整個機組不能正常運行。

通過以上計算與分析發(fā)現(xiàn)：機艙內(nèi)設備溫度較高，特別是齒輪箱表面出現(xiàn)局部高溫區(qū)域，現(xiàn)有的通風結(jié)構(gòu)不能完全滿足齒輪箱的散熱要求，因此必須要對機艙的通風散熱結(jié)構(gòu)進行改進。

6 機艙散熱結(jié)構(gòu)改進及仿真分析

本文采用在機艙底部增設一個進風口，并在不影響前底座機械安裝的前提下，在其側(cè)面開一個方口，以增加冷空氣的流量和氣體流動速度，使其能夠與機艙前底座內(nèi)堆積的熱氣體進行熱量交換。改進后的機艙幾何模型如圖7所示。

1-進風口；2-前底座

運用相同的分析條件對改進方案進行仿真分析，得到的機艙流場分布和齒輪箱溫度分布如圖8、圖9所示。機艙結(jié)構(gòu)改進前、后性能對比見表1。

圖8 改進后機艙流場分布 圖9 改進后齒輪箱表面溫度分布

表1 機艙結(jié)構(gòu)改進前、后性能對比

由圖8可以看出，改進后明顯增加了艙內(nèi)整體的冷空氣流量，流速也明顯加快，齒輪箱與發(fā)電機中間區(qū)域及齒輪箱周圍的冷空氣流量增多，特別是流過齒輪箱表面的冷空氣較改進前增多，積聚在表面的熱量被及時散開進行熱量交換，同時也使通風不易到達的地方氣體流量有所改善，加強了熱空氣的流動和置換，溫度分布均勻，有利于機艙散熱。

由圖9可以看出，在機艙底部增加進風量后，齒輪箱溫度有明顯的下降，可以清楚看出表面的高溫區(qū)域占據(jù)整個表面區(qū)域的極小部分，大部分溫度維持在49.6 ℃左右，整個表面溫度分布均勻性顯著，局部溫度集中也得到了改善，大約降低了10 ℃左右，改進后的通風散熱結(jié)構(gòu)使艙內(nèi)的齒輪箱處于適宜的工作溫度。

7 結(jié)語

本文利用CFD技術(shù)對機艙內(nèi)流場和溫度場進行數(shù)值計算，得到機艙內(nèi)流場和溫度場分布，能量化地判斷出艙內(nèi)溫度異常的位置，為艙室結(jié)構(gòu)的設計和艙室內(nèi)設備的布置提供了有效的參考。改進機艙底結(jié)構(gòu)后，艙內(nèi)齒輪箱區(qū)域及機艙尾部區(qū)域的散熱效果有了明顯改善，不同部件的表面溫度下降了約6 ℃～10 ℃。

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