5 MW風(fēng)機散熱器性能研究及流固耦合流場分析

李欽奉，宋霄，彭海軍

(江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

齒輪箱潤滑油冷卻系統(tǒng)是風(fēng)電機組的重要部分，其散熱性能對于保證風(fēng)機的正常運轉(zhuǎn)起到關(guān)鍵性的作用，因此潤滑油的冷卻問題不容小覷。國內(nèi)外很多學(xué)者利用CFD相關(guān)理論知識[1-2]對散熱器風(fēng)洞試驗進行了深入的研究和分析。張文文等[3]對風(fēng)力發(fā)電機組外圍流場進行CFD分析。林謝昭等[4]對流固耦合數(shù)值分析模型進行優(yōu)化。JANG Jiinyuh等[5]分析了散熱器迎面風(fēng)速對散熱性能和空氣側(cè)壓降的影響。邵強等[6]用矩形翅片式散熱器分析了強迫風(fēng)冷散熱所需的參考風(fēng)量。NG E Y等[7]提出了新技術(shù)用于散熱器空氣流量的測量。姚登科等[8]通過流場模擬與實測分析了散熱器和風(fēng)機盤管兩種不同散熱末端的特性以及對室內(nèi)熱環(huán)境的影響?？芾诘萚9]利用數(shù)值計算的方法分析了百葉窗開窗角度和翅片間距對散熱器散熱性能與空氣側(cè)摩擦阻力特性的影響。程鵬等[10]提出風(fēng)冷散熱器優(yōu)化設(shè)計后的實際結(jié)構(gòu)。

本套齒輪箱潤滑油冷卻系統(tǒng)由油泵電機、齒輪油泵、過濾器、溫控閥、安全閥、散熱器和連接管件等組成，用于提供潤滑系統(tǒng)所需的壓力和流量，并控制系統(tǒng)的清潔度。設(shè)備裝有潤滑油散熱器，油泵供油后，潤滑油經(jīng)過過濾器到溫控閥，溫控閥根據(jù)潤滑油的溫度控制潤滑油的流向。當油溫低于25℃時，潤滑油直接進入齒輪箱進行潤滑；當油溫高于25℃時，溫控閥使一部分潤滑油通過風(fēng)冷散熱器冷卻后再進入到齒輪箱參與工作，但隨著溫度的逐漸升高，通過風(fēng)冷散熱器的潤滑油流量也相應(yīng)增大；當溫度高于40℃時，潤滑油全部經(jīng)風(fēng)冷散熱器冷卻后再進入齒輪箱。過程中安全閥可以防止高壓對系統(tǒng)造成的破壞。根據(jù)風(fēng)機冷卻系統(tǒng)工作要求，這里分析了風(fēng)速和潤滑油入口流量對散熱器性能的影響。

1 整體布局

1.1 工作環(huán)境

風(fēng)機往往地處偏僻且環(huán)境惡劣的地勢，且多靠近沿海地區(qū)。本文風(fēng)機項目的工作環(huán)境為海上鹽霧環(huán)境，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 冷卻器工作環(huán)境參數(shù)

1.2 散熱器安裝位置

如圖1和圖2所示，風(fēng)機外部主要由風(fēng)機葉片、機艙罩殼、散熱器等部件組成，本文研究的散熱器安裝位置位于機艙罩殼的頂端、風(fēng)機葉片的后部，暴露在空氣中。

圖1 5 MW風(fēng)機整體圖

圖2 機艙局部放大圖

2 冷卻器表面風(fēng)速變化規(guī)律

由于散熱器安裝于機艙罩殼頂端且位于風(fēng)機葉片后面，風(fēng)機的迎面風(fēng)必須經(jīng)過風(fēng)葉擾流之后才能夠傳遞到散熱器的表面，因此，研究風(fēng)機葉片對周圍風(fēng)場的擾流情況，對計算散熱器表面的風(fēng)速具有重要的意義。本文采用無網(wǎng)格流體分析軟件XFlow對整個5 MW風(fēng)機流域進行分析研究，設(shè)定風(fēng)洞尺寸為500mm×200mm×200mm，并使用地面參數(shù)，保持風(fēng)力機模型坐標系與風(fēng)洞坐標系一致，通過移動風(fēng)洞位置保證風(fēng)機塔柱體底部進入地面。設(shè)置+x方向為速度入口方向，風(fēng)速大小為10m/s，它在空間高度方向需符合冪函數(shù)分布規(guī)律，入口風(fēng)速u則可用式(1)表示。

(1)

式中：yref為參考高度；uref為參考高度的速度；y0為地面高度；α為剪切指數(shù)。選用默認的湍流模型，流體材料為空氣，體積黏度系數(shù)和動力黏度系數(shù)保持默認。需要將風(fēng)機轉(zhuǎn)子部分的行為設(shè)置為剛體動力學(xué)屬性，采用自動計算慣性矩方式。根據(jù)實際情況，設(shè)置轉(zhuǎn)子質(zhì)量為10 t，由于是單自由度運動，需要限制移動并解除x方向的自由轉(zhuǎn)動，壁面采用默認壁面模型，其表面粗糙度為0，塔體部分保持固定不變。設(shè)置仿真時間30 s，自定義時間步0.01 s，全局解析度為8 m，采用自適應(yīng)細化算法，尾流部分細化采用0.5 m的尺度，風(fēng)機轉(zhuǎn)子及塔體尾流部分細化同樣采用0.5 m的尺度，幀頻率設(shè)置為10 Hz。通過在風(fēng)冷散熱器表面位置施加探針的監(jiān)測方式，監(jiān)測散熱器表面風(fēng)速的變化規(guī)律。圖3所示為風(fēng)葉在經(jīng)風(fēng)吹之后開始轉(zhuǎn)動，并對周圍的空氣流場進行擾動的情況。風(fēng)機在10m/s風(fēng)速驅(qū)動下，風(fēng)葉轉(zhuǎn)角隨時間逐漸發(fā)生變化，如圖4所示。在理想10m/s恒定風(fēng)速的吹動下，風(fēng)葉轉(zhuǎn)動一周所需時間約為3.5s，由此可知風(fēng)機轉(zhuǎn)速為17r/min左右。

圖3 風(fēng)機葉片周圍流場

圖4 風(fēng)葉轉(zhuǎn)角變化規(guī)律

通過設(shè)置探針，監(jiān)測到冷卻器表面風(fēng)速呈現(xiàn)如圖5所示的變化規(guī)律。從圖中可以看出，風(fēng)機剛啟動時對尾部產(chǎn)生擾流，散熱器表面風(fēng)速比較紊亂，當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后，散熱器表面風(fēng)速呈正弦函數(shù)周期性變化，且基本穩(wěn)定在8m/s～10m/s之間。

圖5 冷卻器表面風(fēng)速變化圖

3 冷卻器散熱流場數(shù)值模擬分析

由分析可知高溫油進入散熱器，經(jīng)過散熱管道，從出口流出到潤滑系統(tǒng)繼續(xù)工作，已知入口油泵的工作流量在70L/min～140L/min，散熱器表面平均風(fēng)速穩(wěn)定在8m/s～10m/s，現(xiàn)就定風(fēng)速變?nèi)肟诹髁亢妥冿L(fēng)速定入口流量兩種工作情況對散熱器的整體工作性能展開研究。

表2為材料為AL6061的散熱器相關(guān)參數(shù)設(shè)置。由于本款散熱器具有對稱性且中間散熱管道呈線性排列分布，因此為了便于計算，此次截取中間3條管道進行數(shù)值模擬分析，邊界采用對稱邊界條件，網(wǎng)格采用ICEM CFD進行結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量172萬，如圖6所示。

表2 散熱器相關(guān)參數(shù)

圖6 網(wǎng)格劃分圖

3.1 穩(wěn)定風(fēng)速下變?nèi)肟诹髁壳闆r

設(shè)置入口風(fēng)速穩(wěn)定在9m/s，溫度控制在274K?，F(xiàn)就入口油泵的工作范圍，將高溫潤滑油的入口流量分別設(shè)置為70L/min、100L/min、140L/min，入口油溫為320K，得到散熱管道內(nèi)部流域溫度分布云圖，如圖7所示。

圖7 潤滑油3種入口流量下溫度分布云圖

由圖8可知,在散熱器表面穩(wěn)定風(fēng)速9m/s下，高溫潤滑油的入口流量分別為70L/min、100L/min、140L/min時，散熱器的出口平均溫度分別為293K、297K、300K，即19.85℃、23.85℃、26.85℃。當風(fēng)速恒定時，隨著潤滑油入口流量的增大，其出口溫度也相應(yīng)增高，散熱器的工作效率降低。雖然均能夠滿足工作潤滑的需求，但是當溫度>25℃時，潤滑系統(tǒng)中的溫控閥開始工作。為提升整體工作效率，風(fēng)速穩(wěn)定在9m/s時，高溫潤滑油入口流量低于140L/min為最佳選擇。

圖8 潤滑油3種入口流量下出口平均溫度

3.2 穩(wěn)定入口流量下變風(fēng)速情況

設(shè)置潤滑油入口流量穩(wěn)定在100L/min，溫度控制在320K，風(fēng)洞入口風(fēng)速分別為8m/s、9m/s、10m/s，其溫度控制在274K，分析得到不同風(fēng)速下散熱管道內(nèi)部流域溫度分布云圖，如圖9所示。

圖9 3種入口風(fēng)速下潤滑油溫度分布圖

由圖10可知,在高溫潤滑油入口流量穩(wěn)定在100L/min的時候，對于8m/s、9m/s、10m/s的入口風(fēng)速情況，散熱器的出口平均溫度分別為299K、297K、292K，即25.85℃、23.85℃、18.85℃。在入口風(fēng)速8m/s，潤滑油入口流量100L/min時，散熱器的出口溫度高于25℃，此時溫控閥即將開始工作。為提升整個潤滑系統(tǒng)的工作效率，建議低風(fēng)速時采用較低的入口流量。當潤滑油入口流量恒定時，隨著入口風(fēng)速的增加，散熱器的出口平均溫度越低，散熱效果越好。

圖10 3種入口風(fēng)速下出口平均溫度

4 結(jié)語

本文運用CFD流體軟件對5 MW風(fēng)機潤滑冷卻裝置的性能進行數(shù)值模擬分析，并分析在不同情況下散熱器的

工作狀態(tài)，研究散熱器的散熱性能，具體歸結(jié)如下：

1) 利用無網(wǎng)格流體分析軟件XFlow對5 MW風(fēng)電機組在10m/s風(fēng)速下進行模擬分析，獲取風(fēng)機葉片在風(fēng)力驅(qū)動下的轉(zhuǎn)動特性和17r/min轉(zhuǎn)速，并通過在機艙罩頂部風(fēng)冷散熱器表面施加探針方式，監(jiān)測散熱器表面風(fēng)速的變化規(guī)律，并確定風(fēng)經(jīng)風(fēng)葉擾流后流至冷卻器表面風(fēng)速穩(wěn)定在8m/s～10m/s之間。

2) 基于CFD技術(shù)監(jiān)測高溫油液在冷卻器內(nèi)部的散熱效果及整體的溫度變化規(guī)律，并通過分析定風(fēng)速變流量和定流量變風(fēng)速兩種情況，得出穩(wěn)定風(fēng)速下：潤滑油入口流量越小，散熱器出口溫度越低，散熱效果越好；穩(wěn)定流量下，散熱器迎面風(fēng)速越大，散熱器出口溫度越低，散熱效果越好。