船用發(fā)電機(jī)內(nèi)部多物理場耦合數(shù)值分析

馮國增，姚壽廣，劉 飛，陳 勇

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著市場對電機(jī)單機(jī)容量需求的增大，電機(jī)運(yùn)行過程中的損耗也隨之提升，致使電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫升也不斷升高，因此針對電機(jī)散熱問題的研究至關(guān)重要[1]。電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)部通風(fēng)溝的存在對電機(jī)的散熱起著關(guān)鍵性的作用，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在過往的研究中，通常將冷卻介質(zhì)流過流道對電機(jī)運(yùn)行過程中溫度場的影響轉(zhuǎn)化成散熱系數(shù)[2–4]，并在電機(jī)溫度場的計(jì)算過程中作為邊界條件，且認(rèn)為冷卻介質(zhì)在流道內(nèi)溫度與速度呈線性變化[5]。再者由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間氣隙內(nèi)流體復(fù)雜的流動(dòng)情況，多是把電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子部分的溫度場分開進(jìn)行計(jì)算[6–8]，把定轉(zhuǎn)子之間的熱交換轉(zhuǎn)化為散熱系數(shù)加載，且很多是以一個(gè)徑向風(fēng)溝作為研究對象[9–11]，這造成了一定的誤差。

本文通過Fluent對某型船用發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的流場與溫度場進(jìn)行了耦合數(shù)值分析，避免使用經(jīng)驗(yàn)公式把冷卻介質(zhì)對溫度場的影響轉(zhuǎn)化為散熱系數(shù)進(jìn)行加載，并且同時(shí)對電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子以及流場流道建立模型，氣隙作為流道的一部分，分別與電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子部分發(fā)生對流換熱，準(zhǔn)確地得到電機(jī)通風(fēng)溝內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)與溫度分布、電機(jī)固體部件的溫度分布，并進(jìn)行分析。

1 物理模型的建立

本文選取的研究對象為某船用發(fā)電機(jī)，并將電機(jī)的定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、內(nèi)部流道、轉(zhuǎn)軸作為計(jì)算區(qū)域，采用三維軟件Pro Engineer 5.0按實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表 1 電機(jī)的基本尺寸Tab. 1 The basic parameters of the marine generator

由于該型船用發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊，在不考慮其端部效應(yīng)的情況下，需要物理模型做出合理的簡化，進(jìn)而簡便計(jì)算，以下是對該電機(jī)模型做出的幾點(diǎn)簡化：

1）分別將發(fā)電機(jī)的定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯建立成一個(gè)整體。電機(jī)的定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片在強(qiáng)大的壓力下疊壓而成，使得各硅鋼片之間無縫隙地緊密接觸，可以看作一個(gè)整體。

2）分別將嵌于定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組當(dāng)作一個(gè)整體處理，由于繞組是由多匝線圈纏繞而成，各線圈之間緊密接觸，所以建模時(shí)將其看成是一個(gè)長方體的細(xì)長銅條。

3）將鐵芯與轉(zhuǎn)子間的鍵槽忽略。鍵槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子之間的動(dòng)力傳遞，而其與轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸采用同種灰鑄鐵材料，而且尺寸比較小，所以忽略鍵槽結(jié)構(gòu)對溫度場的計(jì)算結(jié)果影響甚微。

4）將定轉(zhuǎn)子鐵芯以及繞組之間存在細(xì)小縫隙忽略，建立物理模型時(shí)看作無縫接觸。

根據(jù)上述簡化，得到船用發(fā)電機(jī)整體模型圖，如圖1所示。由圖可知，該型發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有著高度的對稱性，并且各個(gè)物理場具有周期性分布，轉(zhuǎn)子12個(gè)軸向風(fēng)道，為了提高計(jì)算效率和精度，選擇周向1/12模型（見圖2）進(jìn)行分析。由于模型的復(fù)雜性，為了保證計(jì)算的可行性，在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下對發(fā)電機(jī)的流場與溫度場做如下假設(shè)：

1）流場區(qū)域

① 發(fā)電機(jī)采用的是風(fēng)扇冷卻定、轉(zhuǎn)子，所以是強(qiáng)制對流。風(fēng)扇將熱空氣沿軸向抽出，所以冷卻空氣定子的沿徑向流入徑向風(fēng)道，經(jīng)過定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)子的徑向風(fēng)道，最后匯聚到軸向風(fēng)道被抽出，起到了冷卻的作用。

圖 1 發(fā)電機(jī)整體模型圖Fig. 1 The general model of the marine generator

圖 2 發(fā)電機(jī)流固熱耦合分析模型圖Fig. 2 The fluid-solid heat coupled analysis model of the marine generator

② 徑向風(fēng)道的圓柱形結(jié)構(gòu)決定了其高度對稱性，所以假設(shè)冷卻空氣從各方向上沿著徑向均勻地輸送到電機(jī)內(nèi)部，各方向的冷卻空氣溫度、流速大小都相同。

③ 本文只考慮發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行的情況，所以假定轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)。

④ 由于空氣的物性參數(shù)在電機(jī)運(yùn)行的過程當(dāng)中變化不大，對最后計(jì)算結(jié)果影響較小，可以忽略。

2）溫度場區(qū)域

① 忽略定子、轉(zhuǎn)子繞組外面的絕緣物質(zhì)，而且繞組作為發(fā)電機(jī)發(fā)熱熱源。

② 繞組產(chǎn)生的熱負(fù)荷，均勻的加載到鐵芯上。

③ 由于發(fā)電機(jī)各部分接觸良好，忽略它們之間的接觸熱阻。

根據(jù)以上條件及假設(shè)，建立的該船用發(fā)電機(jī)的模型圖，如圖2所示。

2 網(wǎng)格剖分

本文該船用發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，若取整機(jī)模型進(jìn)行計(jì)算，則增加了計(jì)算的難度。從建立模型可以看出，該模型高度對稱，因此本文選取了模型的1/12進(jìn)行研究。模型存在幾何尺寸較小的區(qū)域（如定轉(zhuǎn)子之間的氣隙），為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。計(jì)算區(qū)域由流體域和固體域構(gòu)成，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用分區(qū)劃分。剖分網(wǎng)格圖如圖3～圖6所示。

圖 3 模型整體網(wǎng)格圖Fig. 3 The mesh plot of the physical model

圖 4 流場區(qū)域網(wǎng)格圖Fig. 4 The mesh plot of the fluid regin

圖 5 轉(zhuǎn)子鐵芯網(wǎng)格圖Fig. 5 The mesh plot of the rotors'cores

圖 6 定子鐵芯網(wǎng)格圖Fig. 6 The mesh plot of the stator'score

3 計(jì)算模型及邊界條件的確定

3.1 計(jì)算模型的確定

本文主要目的是模擬船用發(fā)電機(jī)的溫度場、流場，而且該模型的流場和溫度場相互耦合，流體域和固體域不僅發(fā)生熱傳導(dǎo)，而且發(fā)生著對流換熱現(xiàn)象，所以求解動(dòng)量方程時(shí)要耦合能量方程。發(fā)電機(jī)工作時(shí)，其流道內(nèi)冷卻空氣的風(fēng)速遠(yuǎn)小于當(dāng)?shù)芈曀?，流道?nèi)的冷卻空氣被看作不可壓縮流體。另外由于空氣的粘性對流場影響較大，所以不能忽略空氣粘度的影響。在參考文獻(xiàn)[12]中，作者根據(jù)傳統(tǒng)方法計(jì)算得到流體速度，通過計(jì)算冷卻空氣的雷諾數(shù)，判定冷卻空氣在流道內(nèi)為湍流，故采用紊流模型對內(nèi)部流場進(jìn)行求解，本例選擇 RNG k-ε紊流模型[13]。

綜上所述，通過分析得出，流道內(nèi)的冷卻空氣為不可壓縮、有粘性、紊流流動(dòng)的流體，選擇RNG k-ε紊流模型與傳熱模型進(jìn)行耦合求解。

3.2 邊界條件的確定

針對本文建立的模型，其邊界條件有入口邊界、出口邊界、壁面邊界、耦合邊界和內(nèi)部熱源5種[14]。其中內(nèi)部熱源以生熱率的方式加載在鐵芯和繞組上。邊界條件詳細(xì)設(shè)置如下：

1）入口邊界

冷卻空氣入口的邊界定義為速度入口邊界條件，根據(jù)連續(xù)方程可以求得空氣入口處的速度為：V=6.87 m/s；入口處冷卻空氣的溫度設(shè)為45 ℃。

2）出口邊界

將流場的出口邊界條件定義為壓力出口邊界條件，由于出口處風(fēng)扇的抽吸作用，根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]，給定出口的相對壓力為900 Pa。

3）耦合邊界

耦合邊界的設(shè)定，模型建立時(shí)存在2個(gè)體共用一個(gè)面的情況，例如冷卻流體與固體對流接觸面，固體與固體之間的導(dǎo)熱接觸面，均需要定義為耦合面，耦合面上能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)物理量的耦合傳遞。

4）單邊壁面邊界

該電機(jī)模型求解域內(nèi)除了耦合面外，還存在一些面只屬于單個(gè)體，即電機(jī)物理模型的外表面都屬于這類面。其中由于對稱性，該電機(jī)計(jì)算域的兩切面為絕熱的邊界條件；其他的單邊壁面與外界環(huán)節(jié)發(fā)生熱交換，所以處理這類壁面的邊界條件時(shí)只需定義對流換熱系數(shù)即可，由參考文獻(xiàn)[14]的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得：轉(zhuǎn)子兩端面換熱系數(shù)116.18 W/（m2·k），定子外表面及兩端面散熱系數(shù) 10 W/（m2·k）。

5）內(nèi)部熱源

銅損、鐵損以及其他附加損耗是電機(jī)運(yùn)行過程中溫度升高的主要原因。其中定轉(zhuǎn)子繞組、定子鐵芯是最主要的生熱部件。由參考文獻(xiàn)[14]計(jì)算公式分別得到內(nèi)部熱源載荷的大小，其中定子繞組的生熱率為886 469.975 W/m3，定子鐵芯的生熱率為 33 664.225 W/m3，轉(zhuǎn)子繞組的生熱率為 197 605.218 W/m3。

4 模擬結(jié)果及分析

通過Fluent計(jì)算工具對該船用發(fā)電機(jī)進(jìn)行流固熱耦合數(shù)值模擬分析，采用SIMPLEC算法作為求解器，得到分析結(jié)果。

如圖7所示，速度矢量圖顯示流場通道內(nèi)空氣的流動(dòng)狀態(tài)，其分布符合過流面積越小其流速越大，且在流道出口端的速度最大的規(guī)律。

圖 7 流場區(qū)域速度分布圖Fig. 7 The velocity distribution of the fluid region

壓力云圖顯示流道內(nèi)部隨著空氣的流動(dòng)壓力的變化情況，如圖8所示。從入口端到出口端壓力逐漸減小，符合沿著空氣行程，其流速逐漸增大，壓力逐漸減小的規(guī)律，且在出口端壓力達(dá)到最低。

圖 8 流場區(qū)域壓力分布圖Fig. 8 The pressure distribution of the fluid region

圖9顯示了發(fā)電機(jī)定子鐵芯、定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯及轉(zhuǎn)軸、內(nèi)部流道內(nèi)流體的溫度整體分布情況，整機(jī)模型的溫度介于318 K～394 K，定子以及定子繞組的溫度明顯高于轉(zhuǎn)子。

圖 9 整體模型溫度分布圖Fig. 9 The temperature distribution of the analysis model

圖 10 定子鐵芯溫度分布圖Fig. 10 The temperature distribution of the stators' cores

圖 11 轉(zhuǎn)子鐵芯溫度分布圖Fig. 11 The temperature distribution of the rotors' cores

圖10與圖11分別顯示了定子鐵芯以及轉(zhuǎn)子鐵芯的溫度分布。對比定轉(zhuǎn)子鐵芯溫度分布云圖，可以看出定子鐵芯兩端溫度較高，最高溫度為394 K，轉(zhuǎn)子鐵芯的高溫區(qū)域則出現(xiàn)在中心區(qū)域，并且沿軸方向，沿兩邊減小。定轉(zhuǎn)子間的氣隙使得定子、轉(zhuǎn)子表面發(fā)生對流換熱，由溫度分布云圖可以看出，定轉(zhuǎn)子表面溫度發(fā)生明顯變化，氣隙與定子繞組和轉(zhuǎn)子對流換熱熱阻占主導(dǎo)作用，使得高溫區(qū)域均出現(xiàn)在靠近氣隙一側(cè)。

圖12顯示了發(fā)電機(jī)內(nèi)部通道內(nèi)空氣的溫度分布情況，冷卻空氣流體與各部件表面進(jìn)行對流換熱，溫度沿流動(dòng)方向逐漸上升。由于氣隙兩端封閉，空氣流動(dòng)受阻，造成氣隙中空氣溫度較高，且最高溫度為366 K。傳統(tǒng)的把氣隙的作用作為散熱系數(shù)加載于定轉(zhuǎn)子表面會(huì)帶來一定的誤差，并不能很好地反應(yīng)出實(shí)際情況。

圖 12 流場區(qū)域溫度分布圖Fig. 12 The temperature distribution of the fluid region

綜上可得，定轉(zhuǎn)子表面溫度發(fā)生明顯變化，定子繞組與轉(zhuǎn)子鐵芯的溫度最高區(qū)域均在靠近氣隙一側(cè)。流道內(nèi)空氣沿著行程方向，速度逐漸升高，壓力逐漸降低。

5 結(jié) 語

本文通過對某型船用發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的溫度場及內(nèi)部流道流場與溫度場進(jìn)行了流固熱耦合數(shù)值分析，得到如下結(jié)論：

1）在以往的三維研究中，大多采用單個(gè)鐵芯段與流道作為研究對象進(jìn)行分析，本文對該船用電機(jī)進(jìn)行整機(jī)分析，包括軸向所有的鐵芯段與空氣流道。通過對電機(jī)三維流場與溫度場的耦合計(jì)算，確定了冷卻空氣在流道內(nèi)的溫度與速度分布。

2）空氣在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙及內(nèi)部流道內(nèi)的流動(dòng)復(fù)雜，壓力、流速分布不均勻，沿著空氣行程的方向，其速度逐漸升高，壓力逐漸降低。

3）定轉(zhuǎn)子之間的氣隙與定子和轉(zhuǎn)子的表面進(jìn)行對流換熱，熱阻主要存在于空氣側(cè)，所以高溫區(qū)域均出現(xiàn)在靠近氣隙一側(cè)，定子鐵芯兩端溫度最高為366 K，轉(zhuǎn)子繞組中間溫度最高為337 K。

4）本文選取整機(jī)作為研究對象，合理簡化模型，將溫度場與速度場耦合計(jì)算，計(jì)算方法更加合理，計(jì)算結(jié)果更加可靠，為進(jìn)一步優(yōu)化該型船用電機(jī)提供了理論依據(jù)。