丁樹業(yè)，趙 楊，陳衛(wèi)杰，苗立杰

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兆瓦級徑向通風(fēng)電機內(nèi)流變特性數(shù)值模擬

丁樹業(yè)1，趙 楊1，陳衛(wèi)杰1，苗立杰2

(1. 哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱150080；2. 哈爾濱電氣集團公司，哈爾濱150040)

隨著風(fēng)力發(fā)電機單機容量的增加，發(fā)電機的通風(fēng)結(jié)構(gòu)和冷卻方式也變得越來越復(fù)雜，對電機內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)計算的精度要求也越來越高。本文根據(jù)流體力學(xué)基本理論，以一臺5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機為例，結(jié)合發(fā)電機通風(fēng)性能以及結(jié)構(gòu)特點，在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了1/4發(fā)電機整體域內(nèi)三維流體場物理模型。通過給出相應(yīng)的邊界條件，采用有限體積元法對發(fā)電機內(nèi)部的流體場進行了數(shù)值計算。最后對發(fā)電機內(nèi)部流體場的流動特性及分布規(guī)律進行了詳細(xì)分析，得出了一些有益的結(jié)論，為發(fā)電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及更大容量風(fēng)力發(fā)電機的通風(fēng)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機；徑向通風(fēng)；有限體積法

0 前言

隨著對風(fēng)力資源開發(fā)的深入發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機單機容量不斷提高[1]，同時對發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)也提出了越來越高的要求，這就需要對電機內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)進行準(zhǔn)確的計算，進而合理分配電機內(nèi)冷卻介質(zhì)，使電機的發(fā)熱部件得到良好的冷卻。同時良好的通風(fēng)系統(tǒng)也有助于降低噪聲，減小風(fēng)摩損耗，提高系統(tǒng)效率。

電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的通風(fēng)計算，理論上可以通過N-S方程及流體連續(xù)性方程求解，但實際上由于系統(tǒng)內(nèi)冷卻空氣的過流情況十分復(fù)雜，邊界條件不易確定，所以傳統(tǒng)計算一般采用近似計算法、等值風(fēng)路法及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)法[2]。重慶大學(xué)韓力等[3]提出了含有風(fēng)壓源復(fù)雜結(jié)構(gòu)風(fēng)路的閉環(huán)迭代解法計算風(fēng)路，獲得了較好的計算結(jié)果。哈爾濱電機廠蔡兵、李廣德[4]等采用分布集中參數(shù)構(gòu)成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，用函數(shù)風(fēng)阻法建立多回路非線性方程組，對發(fā)電機的通風(fēng)系統(tǒng)進行綜合的分析計算，得到通風(fēng)系統(tǒng)的總風(fēng)量及風(fēng)壓。

近幾十年來，隨著計算機技術(shù)發(fā)展，一些學(xué)者在流體力學(xué)理論、有限體積[5,6]及有限元方法[7]的基礎(chǔ)上，對大型發(fā)電機內(nèi)的流場進行了研究，如路義萍[8]等用計算流體力學(xué)對發(fā)電機轉(zhuǎn)子風(fēng)道結(jié)構(gòu)與流量分布的關(guān)系進行了研究；李偉力[9]等用有限體積法對大型同步發(fā)電機定子多元流體場分布進行了深入研究。

但是，綜合近年來的研究成果可以看出，流場計算常將電機的整體結(jié)構(gòu)分成幾部分分別計算，難以獲得工程分析所需的整體、精確的計算結(jié)果，而對大型風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)部整體流體場的研究成果相對較少，所以對大型風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)的整體流體場進行分析研究具有一定的現(xiàn)實意義和工程實際價值。

本文在吸收以往大型電機通風(fēng)計算經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以一臺5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機為例，建立了發(fā)電機半個軸向長度、半個周向內(nèi)通風(fēng)計算的物理模型，利用有限體積法對流體場進行了數(shù)值計算。對發(fā)電機內(nèi)的冷卻氣體風(fēng)速以及其沿軸徑向的分布特性進行了研究，得出了一些在風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中可以參考的研究結(jié)果?？蔀橥愋透笕萘康娘L(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計以及發(fā)電機可靠運行提供理論參考。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

在實際工程中，由于發(fā)電機內(nèi)氣體流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲速，空氣密度的變化是很小的，可以將氣體看作不可壓縮流體。由于發(fā)電機內(nèi)冷卻流體的雷諾數(shù)很大，因此發(fā)電機內(nèi)氣體屬于紊流。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，發(fā)電機內(nèi)流體的流動滿足質(zhì)量、動量守恒，相應(yīng)的三維控制方程[10]如下:

質(zhì)量守恒方程為：

式中：、、—分別為、和方向的速度分量。

動量守恒方程：

1.2 發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)

本文以一臺5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機為例，冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 發(fā)電機整體通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

該發(fā)電機的通風(fēng)系統(tǒng)采用雙路徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，密閉式通風(fēng)冷卻方式。通風(fēng)系統(tǒng)依靠轉(zhuǎn)子自身旋轉(zhuǎn)作用驅(qū)動冷卻氣體在電機內(nèi)部循環(huán)流動，達到通風(fēng)冷卻的目的。

冷卻空氣從電機上部冷卻器的出口進入到電機的端部，經(jīng)轉(zhuǎn)子支架進入轉(zhuǎn)子本體部分，沿轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道冷卻轉(zhuǎn)子線圈本體部分，從轉(zhuǎn)子槽楔的出風(fēng)口出來，進入電機的氣隙，會同從氣隙進入的少量冷卻氣體，共同進入定子各通風(fēng)溝內(nèi)，冷卻定子鐵心后，從定子鐵心背部出來，經(jīng)冷卻器冷卻，帶出電機的損耗熱，重新回到電機的端部，完成一密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

1.3 基本假設(shè)及物理模型的建立

1.3.1 基本假設(shè)

根據(jù)電機通風(fēng)的特點，以及電機的結(jié)構(gòu)特征，做出如下假設(shè):

（1）電機內(nèi)流體的雷諾數(shù)很大(Re＞2300)，故采用湍流模型對電機內(nèi)的流場進行求解；

（2）電機內(nèi)流體場中，流體流速遠(yuǎn)小于聲速，即馬赫數(shù)(Ma數(shù))很小，故把流體作為不可壓縮流體處理；

（3）忽略通風(fēng)道內(nèi)流體的浮力和重力；

（4）由于電機的對稱性，計算可簡化為只計算半個軸向長度、半個周向電機有效部分的風(fēng)路；

（5）由于只研究發(fā)電機內(nèi)流體流速的穩(wěn)定狀態(tài)，即定常流動，因而控制方程不含有時間項。

1.3.2 物理模型的確定

根據(jù)5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點及基本假設(shè)，本文取發(fā)電機1/2圓周以及1/2軸向長度的冷卻氣體作為流體場求解的物理模型，所建模型包括發(fā)電機的內(nèi)部空氣、定、轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼。流體場的求解域模型如圖2所示，其中Z方向為電機軸向，發(fā)電機的半個軸向段區(qū)域包含了12個徑向通風(fēng)溝，轉(zhuǎn)子風(fēng)溝出口與定子風(fēng)溝入口相互對齊，定義靠近軸中心處的風(fēng)溝為1號風(fēng)溝，沿Z軸正方向依次定義，靠近端部處的風(fēng)溝編為12號。

圖2 三維流體場的求解域

1.3.3 邊界條件

邊界條件正確與否決定了數(shù)值計算的準(zhǔn)確性。本文結(jié)合電機的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)圖2發(fā)電機流體場數(shù)值計算求解域，給出以下邊界條件：

（1）入口為壓力入口邊界，數(shù)值為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；

（2）出口為壓力出口邊界，數(shù)值為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；

（3）軸中心徑向截面設(shè)為周期邊界條件，轉(zhuǎn)軸對稱面設(shè)為對稱邊界條件，其余的邊界面為無滑移邊界。

2 流變特性計算結(jié)果研究

2.1 整域內(nèi)流體場流量計算結(jié)果分析

表1為發(fā)電機內(nèi)各部分的風(fēng)量的計算結(jié)果。

表1 發(fā)電機通風(fēng)計算主要結(jié)果

從計算結(jié)果可以看出，冷卻氣體主要通過轉(zhuǎn)子支架進入電機內(nèi)部，進入轉(zhuǎn)子支架中的風(fēng)量占到總風(fēng)量的99.64%，而進入氣隙中的空氣極少，僅占總風(fēng)量的0.56%。這是由于電機在設(shè)計中，氣隙入口的過流面積極小，使氣隙入口處的風(fēng)阻很大。大量冷卻氣體經(jīng)轉(zhuǎn)子進入定子，有利于轉(zhuǎn)子的冷卻。而本臺電機為轉(zhuǎn)子帶線圈的隱極電機，對轉(zhuǎn)子的冷卻要求較高，可見這樣的電機設(shè)計有利于此類電機的冷卻。

本臺電機需冷卻器帶走的損耗為134.6k，流體場計算所需冷卻介質(zhì)總流量為4.0788m3/s，發(fā)電機的計算總風(fēng)量為4.941m3/s，可見通風(fēng)系統(tǒng)基本能夠滿足電機的通風(fēng)冷卻要求。

2.2 徑向流場特性分析

在流體場的計算中，忽略了定轉(zhuǎn)子鐵心以及定轉(zhuǎn)子線棒等固體發(fā)熱的影響，對于流體場的分析主要考慮在發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)扇作用和發(fā)電機內(nèi)流體流速以及流體壓力的分布情況。假定電機逆時針方向旋轉(zhuǎn)為電機的正轉(zhuǎn)方向。圖3為風(fēng)溝1的中心截面壓力分布云圖。

圖3 徑向通風(fēng)溝中心截面的壓力分布

從圖3中可以看出，在徑向流域內(nèi)流體壓力變化很大，在轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)，壓力沿軸向不斷增大，達到轉(zhuǎn)子出口處壓力達到最大。在定子區(qū)域內(nèi)，壓力沿徑向逐漸減小，最低壓力發(fā)生在轉(zhuǎn)子支架附近轉(zhuǎn)子槽鋼徑向通風(fēng)溝內(nèi)。從以上規(guī)律可以看出，通風(fēng)槽鋼在旋轉(zhuǎn)過程中起到了離心式風(fēng)扇的作用，冷卻空氣從進風(fēng)口被吸入，轉(zhuǎn)動的通風(fēng)槽鋼起到了扇葉的作用，在轉(zhuǎn)動過程中槽鋼對氣體施加動力作用，提高氣體的壓力和速度，被加速的氣體在流動中把動能轉(zhuǎn)換為靜壓能，然后隨著流體的增壓，使靜態(tài)能又轉(zhuǎn)換為速度能。驅(qū)動冷卻氣體在電機內(nèi)的流動。

圖4給出了通風(fēng)溝1中心截面速度分布云圖。

圖4 徑向通風(fēng)溝中心截面的速度分布

從圖4中可以看出，轉(zhuǎn)子側(cè)流體速度沿徑向逐漸增大，主要是由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用使風(fēng)沿徑向不斷獲得機械能，從而使風(fēng)速不斷升高，在轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼徑向外圓以及氣隙內(nèi)的風(fēng)速最高。定子通風(fēng)槽鋼內(nèi)的風(fēng)速較低，定子鐵心與機殼間的風(fēng)速也較低在定轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼兩側(cè)流體流速存在一定的差別，槽鋼迎風(fēng)面的流體速度大于背風(fēng)面的流體速度，其中定子側(cè)的差別更加明顯。在定轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)，由于通風(fēng)支架的存在，流場流速在周向上的分布規(guī)律基本相同。

2.3 軸向流場特性分析

圖5為過定子槽、轉(zhuǎn)子齒中心線的軸向速度分布圖。

圖5 軸向截面的速度分布圖

從圖中可以看出：右側(cè)端部轉(zhuǎn)子線棒外圓附近的流體流速為最大值，可見端部轉(zhuǎn)子線棒的旋轉(zhuǎn)同樣起到離心風(fēng)扇的作用。下部轉(zhuǎn)子支架內(nèi)，入口處流體流速較大，沿軸向風(fēng)速逐漸減小。

圖6為各風(fēng)溝轉(zhuǎn)子入口和定子入口壓力對比曲線。從圖6中可以看出，轉(zhuǎn)子風(fēng)溝內(nèi)的靜壓力沿軸向逐漸上升，這是因為轉(zhuǎn)子支架內(nèi)摩擦阻力很小，可以認(rèn)為氣體在轉(zhuǎn)子支架內(nèi)的總壓是不變的，由于支架入口處空氣的速度較大，即動壓較大，根據(jù)伯努利方程可知，轉(zhuǎn)子支架入口處的靜壓較小。沿Z軸的負(fù)方向，空氣的流速逐漸減小，即動壓逐漸減小，所以靜壓沿軸向逐漸上升。從圖中還可以看出定子風(fēng)溝入口處的壓力沿軸向變化相對平緩。

由圖7可以看出：隨通風(fēng)溝編號的增加，轉(zhuǎn)子和定子中的冷卻氣體流量逐漸增加，這是由于在轉(zhuǎn)子支架內(nèi)，靜壓沿軸向逐漸增大。轉(zhuǎn)子風(fēng)溝流量最大值為0.0959 m3/s，定子風(fēng)溝流量最大值為0.0950 m3/s。同時從圖中還可以看出，定轉(zhuǎn)子各風(fēng)溝入口處的流量相差很小。這是由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)以及氣隙的過流面積較小，使氣隙中的軸向風(fēng)阻很大，各風(fēng)溝中的氣體沿氣隙軸向的流動較少，從轉(zhuǎn)子風(fēng)溝出口流出的氣體基本直接進入到相對的定子風(fēng)溝中。

圖6 定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝內(nèi)壓力沿軸向分布特性曲線

圖7為定轉(zhuǎn)子風(fēng)溝入口流量對比曲線。

圖7 定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝內(nèi)流量沿軸向分布特性曲線

3 相關(guān)影響因素對流體內(nèi)流變特性的影響

因轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼的形狀尺寸的影響，電機逆時針旋轉(zhuǎn)和順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼的扇風(fēng)作用是不同的，因此本文對電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工作狀態(tài)下的流體特性進行了計算。

圖8為不同工作狀態(tài)下電機轉(zhuǎn)子各風(fēng)溝入口流量對比曲線。從圖8中可以看出，電機在兩種工作狀態(tài)下，靠近端部風(fēng)溝內(nèi)的流量基本相同，但隨著向軸中心位置的靠近，風(fēng)溝內(nèi)流量的差距逐漸變大。可以看到，電機反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子的攜風(fēng)能力更強。這是因為轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼的彎曲設(shè)計，使電機在正反轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子具有不同的壓頭壓力。為使電機達到更好的冷卻效果，可嘗試改變槽鋼的彎曲方向來提高電機正轉(zhuǎn)時的攜風(fēng)能力。

圖8 正反轉(zhuǎn)時風(fēng)溝內(nèi)流量特性對比曲線

4 結(jié)論

本文通過對5MW大型雙饋風(fēng)力發(fā)電機流體場的數(shù)值計算和特性分析，主要可以得到如下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼在運行過程中產(chǎn)生的風(fēng)量為4.941m3/s，能夠滿足電機冷卻的要求；

（2）流體流速在徑向上變化十分劇烈，其中位于轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)的流速較高；在軸向上流速變化相對平緩，端部流速大于軸中心處流速；

（3）進入轉(zhuǎn)子支架中的風(fēng)量占總風(fēng)量的99.64%，進入定轉(zhuǎn)子氣隙中的風(fēng)量占總風(fēng)量的0.56%；

（4）電機反轉(zhuǎn)時機內(nèi)的冷卻效果更好，因此可以考慮改變轉(zhuǎn)子槽鋼的彎曲方向。

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Numerical simulationof rheological propertiesof megawatt generatorwith Radial ventilation structure

DINDING Shuye1, ZHANG Yang1, CHEN Weijie1, MIAO Lijie2

(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China; 2.Harbin Electric Corporation, Harbin 150040, China )

Ventilation structure and cooling method of wind generator get complex and complex with the increasing of its capacity, while the accuracy requirements of ventilation system calculated are also increasing. The paper is based on hydromechanics theory, a 5MW large doubly-fed wind generator was take as an example, physical model that describe three dimensional fluid field of the 1/4 generator was established on the basis of basic assumptions considering ventilation characteristic and structure feature of generator. The fluid field inside generator was calculated numerically using finite volume method by giving corresponding boundary conditions. Finally, fluid flow characteristic and distribution performance of generator were analyzed in detail, and some useful conclusions were achieved, by which a theory gist for structure optimization of the generator and ventilation design of the larger capacity wind generator is provided.

large doubly-fed wind generators; radial ventilation; finite volume method

TM301.4+1

A

1000-3983(2014)04-0018-05

2013-05-22

國家自然科學(xué)基金（51277045）；黑龍江省自然科學(xué)基金（QC2012C109）；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（12531112）。

丁樹業(yè)(1978-)，2008年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機與電器專業(yè)，獲博士學(xué)位；現(xiàn)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)和哈爾濱電氣集團聯(lián)合培養(yǎng)博士后；主要研究方向為電機綜合物理場數(shù)值計算及特種電機理論研究，副教授。

審稿人：李廣德