MW級(jí)鼠籠發(fā)電機(jī)匹配冷卻器和試驗(yàn)

李倩倩

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

電機(jī)溫升與其匹配的冷卻器有著不可分離的緊密關(guān)系。匹配良好的冷卻器不僅可以帶走電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱、降低溫升，提高電機(jī)使用壽命，同時(shí)還可以降低電機(jī)整體成本。因此冷卻器對(duì)于解決電機(jī)溫升問題至關(guān)重要[1]。

隨著電機(jī)效率的提高，提升了電機(jī)的單機(jī)容量，其電負(fù)荷和磁負(fù)荷也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致電機(jī)的各項(xiàng)損耗隨之增大。這一系列參數(shù)變化會(huì)直接導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重發(fā)熱，將電機(jī)內(nèi)部熱量及時(shí)有效地傳遞到電機(jī)外部顯得至關(guān)重要[2]，對(duì)提高電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的散熱效率，提出新的挑戰(zhàn)。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在電機(jī)冷卻介質(zhì)溫升計(jì)算、電機(jī)冷卻器優(yōu)化設(shè)計(jì)、內(nèi)外風(fēng)路流場(chǎng)分析等方面做了大量的研究和實(shí)驗(yàn)工作。文獻(xiàn)[3]中采用CFD方法對(duì)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析。吳徳義學(xué)者對(duì)135 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)分析，方法采用電機(jī)得定子和轉(zhuǎn)子整體仿真，計(jì)算電機(jī)本體的介質(zhì)流速，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了整體建模的必要性以及可靠性[4]。文獻(xiàn)[5]通過給定冷卻氣體不同初始溫度并結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，分析了電機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)方式的不同而產(chǎn)生的變化。

上述國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究大都針對(duì)電機(jī)本體的參數(shù)進(jìn)行研究，而未考慮電機(jī)與冷卻器的匹配問題，并未達(dá)到真正意義上的整體仿真。由于電機(jī)和冷卻器整體仿真難度較大，對(duì)電腦以及網(wǎng)格劃分有較高要求，所以一般電機(jī)和冷卻器分開進(jìn)行三維仿真。本文針對(duì)鼠籠發(fā)電機(jī)對(duì)電機(jī)與冷卻器的匹配問題進(jìn)行整體仿真和試驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證電機(jī)和冷卻器分開計(jì)算的可靠性。

1 流體流動(dòng)特性分析方法

本文采用有限元法仿真計(jì)算電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的氣流速度和壓力分布。軟件版本號(hào)：Star-CCM+12.06。

電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)有雙重冷卻系統(tǒng)，使得其內(nèi)部冷卻通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部冷卻流體的流動(dòng)特性多變難控。因此，對(duì)電機(jī)流體場(chǎng)的理論分析和數(shù)學(xué)物理模型建模提出必要的假設(shè)和邊界條件[6]。

1.1 邊界條件

電機(jī)入口風(fēng)速計(jì)算如下：

(1)

(2)

式中：Q為電機(jī)流量；S為入口面積；P為電機(jī)損耗；CV為流體比熱容；ΔT為流體溫度變化。

1.2 控制方程

結(jié)合電機(jī)內(nèi)部介質(zhì)的特點(diǎn)，可總結(jié)出流體流動(dòng)的控制方程，分析如下：

(1) 質(zhì)量守恒方程[7]

即流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程，任何介質(zhì)的流動(dòng)都遵循質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒方程為：

(3)

式中：ρ為流體的密度；t為時(shí)間；u、v和w分別為速度矢量在x、y和z方向上的分量。

由于電機(jī)內(nèi)冷卻流體作定常流動(dòng)，且流體為不可壓縮，流體的密度ρ是常數(shù)。因而電機(jī)內(nèi)部流體場(chǎng)三維模型下的不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)質(zhì)量守恒方程為：

(4)

(2) 動(dòng)量守恒方程[8]

動(dòng)量守恒方程為：

(5)

式中：ρ為流體的密度；p為流體微元體上的壓力；u、v和w分別為速度矢量在x、y和z方向上的分量；μ為動(dòng)力黏度；Su、Sv、Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

(3) 能量守恒方程

對(duì)于轉(zhuǎn)子本體及通風(fēng)道內(nèi)流，可寫出通用形式的能量守恒方程：

▽(ρuT)=▽(ΓgradT)+ST

(6)

式中：u為絕對(duì)速度；T為溫度；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；ST為單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與cp的比值。

1.3 湍流模型[9]

將質(zhì)量力或在重力場(chǎng)中壓力項(xiàng)代表流體動(dòng)壓力忽略不計(jì)時(shí)，即流體可視為不可壓縮流體，可采用包含湍流方程的瞬時(shí)N-S方程、雷諾方程和時(shí)均連續(xù)方程建立整體的控制方程組，通過推導(dǎo)得到如下的兩方程湍流k-ε控制方程組，數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

(7)

2 計(jì)算流體域及網(wǎng)格剖分

為便于對(duì)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，根據(jù)電機(jī)為單風(fēng)路的初步設(shè)計(jì)方案，確認(rèn)出風(fēng)口為單側(cè)大離心風(fēng)扇。

電機(jī)內(nèi)部冷卻空氣的良好循環(huán)是確保電機(jī)滿足溫升考核標(biāo)準(zhǔn)的前提。簡(jiǎn)化起見，三維模型如圖1所示，只計(jì)算冷卻空氣對(duì)應(yīng)的流體域，忽略電機(jī)定轉(zhuǎn)子及壓圈對(duì)應(yīng)的固體域及其對(duì)流體域的熱影響，故得到如圖2所示的計(jì)算流體域。

圖1 三維電機(jī)本體和冷卻器模型及網(wǎng)絡(luò)

圖2 電機(jī)本體流體域

進(jìn)口邊界條件：

對(duì)于本計(jì)算涉及的電動(dòng)機(jī)，表1給出了計(jì)算時(shí)空氣的物性參數(shù)。

表1 空氣物性參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min工況下的模擬仿真。為了計(jì)算電機(jī)的P-Q曲線，計(jì)算時(shí)其進(jìn)口流量設(shè)置分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 kg/s。

圖3給出電機(jī)本體的壓力云圖和速度云圖。

圖3 電機(jī)本體速度云圖

從圖3壓力云圖可以看出，出口處的離心風(fēng)扇可以產(chǎn)生很高的壓頭帶動(dòng)電機(jī)內(nèi)部氣體流動(dòng)，從而帶走電機(jī)本體產(chǎn)生的熱源。從速度云圖可以看出，機(jī)座壁開孔有利于電機(jī)內(nèi)部氣體流通，從而減小風(fēng)阻增大帶走的熱量。

電機(jī)本體計(jì)算風(fēng)阻的結(jié)果如表2所示。

表2 電機(jī)本體風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果

上表為電機(jī)本體風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果，上圖數(shù)字中正值為風(fēng)阻，負(fù)值為風(fēng)壓。為了方便看出其變化趨勢(shì)將其轉(zhuǎn)化為圖的形式，如圖4所示。

分析電機(jī)配套的冷卻器風(fēng)阻情況。由圖4計(jì)算結(jié)果可知，冷卻器風(fēng)阻在130 Pa附近時(shí)，電機(jī)流量為2.8 kg/s。由于冷卻器網(wǎng)格量較大，并且冷卻器風(fēng)路結(jié)構(gòu)是圓周對(duì)稱的，因此采用冷卻器的四分之一進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)口流量給0.7 kg/s。

圖4 電機(jī)本體風(fēng)阻曲線

(1) 采用三維計(jì)算軟件Starccm+計(jì)算冷卻器內(nèi)風(fēng)路風(fēng)阻，四分之一流量輸入為0.7 kg/s，冷卻器風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果為150 Pa。由此得出，一定誤差范圍內(nèi)，冷卻器內(nèi)風(fēng)路計(jì)算結(jié)果可靠。

(2) 冷卻器外風(fēng)路試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)如圖5所示。

圖5 冷卻器試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)

圖5中，所標(biāo)位置為試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)。采用三種探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。記錄后的數(shù)據(jù)以及計(jì)算后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果為冷卻器外風(fēng)路結(jié)果。測(cè)量結(jié)果為外風(fēng)路流量大于內(nèi)風(fēng)路流量，符合外風(fēng)路流量大于內(nèi)風(fēng)路流量的空-空冷卻器規(guī)律。

4 結(jié)論

(1) 在額定轉(zhuǎn)速下，根據(jù)電機(jī)本體計(jì)算出的P-Q曲線及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可推測(cè)出匹配冷卻器的風(fēng)阻范圍值。冷卻器風(fēng)阻在130 Pa附近時(shí)，電機(jī)流量為2.8 kg/s。

(2) 采用CFD方法仿真匹配的冷卻器，計(jì)算結(jié)果表明，冷卻器風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果為150 Pa。由此得出，一定誤差范圍內(nèi)，冷卻器內(nèi)風(fēng)路計(jì)算結(jié)果可靠。

(3) 根據(jù)冷卻器試驗(yàn)結(jié)果得出，外風(fēng)路流量大于內(nèi)風(fēng)路流量。符合外風(fēng)路流量大于內(nèi)風(fēng)路流量的空-空冷卻器規(guī)律。