馮國增，姚壽廣，熊正強，劉 飛，董招生

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船用發(fā)電機轉子耦合溫度場的數(shù)值模擬

馮國增，姚壽廣，熊正強，劉 飛，董招生

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

本文對某型船用發(fā)電機轉子及流體的耦合溫度場進行數(shù)值模擬，依據(jù)CFD（Computational Fluid Dynam ics）和數(shù)值傳熱學的基本原理，并結合該型船用發(fā)電機的結構特點，依次分別建立發(fā)電機轉子耦合溫度場的物理模型和數(shù)學模型，然后通過給定邊界條件，選擇RNG k-ε 計算模型對該型發(fā)電機轉子的溫度場進行數(shù)值模擬。在穩(wěn)定工況下，得到發(fā)電機轉子中流體域和固體域的溫度場分布，并對該型船用的轉子溫度場進行分析，得到一些有用的結論，這些結論為發(fā)電機的設計與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

船用發(fā)電機；轉子；溫度場；數(shù)值模擬

0 引 言

隨著船用發(fā)電機技術的進步，其向著單機大容量和小型化的趨勢發(fā)展，發(fā)電機在工作時產(chǎn)生的能量損耗增加，使得發(fā)電機內(nèi)各部件的溫度升高，直接影響發(fā)電機的安全性和可靠性。轉子作為船用發(fā)電機的高速旋轉的運動部件，目前還沒有直接有效的方法來測量其內(nèi)部的溫度分布情況，而采用數(shù)值模擬技術是對轉子內(nèi)部的溫度場進行數(shù)值分析的常用手段[1,2]。因此發(fā)電機的溫度場的數(shù)值模擬對該型船用發(fā)電機的設計、優(yōu)化與安全運行有至關重要的指導意義。

隨著計算技術的發(fā)展，目前主要的數(shù)值模擬方法為有限元法和有限體積法，劉清等[3]采用有限體積法計算了電機內(nèi)部的流場分布。邰永等[4]建立了感應電機的3D有限元模型，考慮熱源損耗對轉子、定子阻值和溫度分布的影響，模擬了電機在額定負載下的瞬態(tài)溫度場變化。丁樹業(yè)等[5]根據(jù)共軛傳熱原理，建立了包含散熱翅片與接線盒等結構部件的流動與傳熱的三維模型，在變頻供電的情況下，對永磁同步驅動電機內(nèi)各部件的溫升及流動進行數(shù)值模擬。佟文明等[6]采用有限體積法對高速永磁電機的流場與溫度場進行耦合計算，得到了電機內(nèi)空氣的流動特性和各部件的溫度分布。李東和等[7]基于CFD建立了電機熱仿真模型，通過有限元軟件仿真得到了額定工況下的電機內(nèi)部溫度分布規(guī)律。馮桂宏等[8]通過有限元方法進行了電機的三維穩(wěn)態(tài)溫升計算，獲得了電機整機及關鍵部件的溫度場分布。王曉遠等[9]建立了輪轂電機溫度場的分析模型，得到輪轂電機各部件的溫升曲線和溫度場分布。王越等[10]利用Ansys仿真計算了不同繞線方式的電機溫度場。賴林松等[11]基于Ansys建立了永磁直流電機的傳熱模型，計算得到電機的溫度場分布。

綜上所述，電機內(nèi)溫度場的數(shù)值模擬逐漸成熟，但是電機內(nèi)熱過程非常復雜，涉及電磁理論、結構學、流體力學、傳熱學等學科，包含了流場、溫度場、電磁場等多物理場，而各物理場相互影響、相互制約，具有一定耦合關系。然而目前針對電機溫度場與流場的研究主要集中在單一場的計算分析上，耦合場的研究還很少，而且邊界條件多采用經(jīng)驗公式，對計算結果造成一定的誤差。另外由于發(fā)電機的轉子在工作時高速旋轉，使得轉子內(nèi)部流動的氣體與固體壁面間的耦合傳熱進行分析求解變得更加復雜，這也是本文的困難之處。本文在前人工作的基礎上，采用有限體積的方法對船用電機的轉子和內(nèi)部冷卻空氣的耦合溫度場進行數(shù)值模擬。

1 物理模型

本文以某型船用發(fā)電機的轉子作為研究對象，轉子整體的3D模型圖如圖1所示，圖2所示為轉子的結構簡圖，從圖中可以看出，該轉子的通風道是徑-軸向混合式冷卻風道，冷卻空氣從定子與轉子之間的氣隙層，垂直于轉子柱表面的入口沿徑向流入徑向風道，與轉子表面發(fā)生強制對流換熱，最后冷卻空氣匯集在軸向風道，沿著其排出，帶走熱量，起到冷卻作用。冷卻空氣的流向如圖2中箭頭所示。

由于該型發(fā)電機的轉子在結構上具有高度的對稱性和周期性，在不影響計算結果準確性的前提下，為了計算方面快捷，選取轉子整體的1/12作為計算區(qū)域。另外，有幾何模型到物理模型，需要進行合理的簡化，本文主要從以下幾個方面進行簡化：

1）把由疊壓的硅鋼片組成的轉子鐵芯段作為整體來考慮。轉子鐵芯是在強大的沖擊力的作用下由一片片的硅鋼片疊壓而成，使得硅鋼片之間緊固的接觸，將形成的鐵芯段作為一個整體考慮。

2）將轉子線圈槽內(nèi)的多匝線圈也作為整體考慮并忽略轉子的端部效應。轉子繞組的兩端結構尺寸小而復雜，而且不與冷卻空氣發(fā)生對流換熱，所以在建模時將其忽略不考慮，對結果的影響不大。

3）忽略轉子鐵芯與轉軸之間鍵槽結構的影響。鍵槽結構實現(xiàn)了轉軸和轉子之間的動力傳遞，而其與轉子鐵芯和轉軸采用同種灰鑄鐵材料，而且尺寸比較小，所以忽略鍵槽結構對溫度場的計算結果影響甚微。

4）假設轉子繞組與轉子鐵芯之間緊密接觸，忽略其中的細小縫隙。

經(jīng)過上述的簡化后，模擬船用發(fā)電機轉子溫度場的3D物理模型如圖3所示，該計算物理模型主要包括冷卻風道中的流體部分和轉子鐵芯、連接筋、轉子繞組3個固體部分。

2 數(shù)學模型

在柱坐標系中建立數(shù)學模型相對容易，根據(jù)冷卻風道中冷卻空氣的穩(wěn)態(tài)流動特性，分別建立流動與傳熱的穩(wěn)態(tài)控制方程，主要包括連續(xù)方程、N-S方程以及能量守恒方程[12]，并依據(jù)上述的簡化步驟對數(shù)學模型進行簡化。本文采用Fluent工具進行模擬，考慮到冷卻流體的湍流特性以及轉子的結構特點，本文采用湍流的模型。

3 網(wǎng)格劃分及邊界條件的確定

3.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的質量直接影響結果的準確性，由于該計算區(qū)域有固體和流體部分，存在流體和固體接觸、固體和固體接觸的情形，所以本文采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法，這樣不僅能保證整個計算區(qū)域采用的是COOPER網(wǎng)格類型，而且也能極大地降低網(wǎng)格數(shù)量，還可以減小計算誤差，確保正確性。

3.2 邊界條件的確定和載荷的施加

1）入口邊界：本文入口為速度入口，發(fā)電機冷卻風扇的基本結構參數(shù)和轉速如表1所示，按照參考文獻[13]中的經(jīng)驗計算公式，得到轉子出口處風扇帶走冷卻空氣的體積流量Q=1.714 m3/s，已知入口尺寸得到入口面積為0.132 4 m2，推算出在徑向上垂直于入口的平均速度為13 m/s，同時轉子旋轉會對入口速度產(chǎn)生影響，由轉子的轉速得到冷卻氣流在周向上的速度為21 m/s。

表1 風扇結構參數(shù)表Tab. 1 The table of fan's structural parameters

2）出口邊界：給定出口邊界為壓力出口，出口的相對壓力設置為900 Pa。

3）固壁邊界：固壁與氣流之間采用無滑移邊界條件，空氣的周向流速等于固壁的轉速（750 r/m in）。

4）周期性邊界：由于計算模型是整體轉子的1/12，所以計算區(qū)域兩徑向切面邊界設置為周期性邊界條件。

5）將流體和固體接觸面、固體和固體導熱的接觸面均定義為耦合邊界，在耦合面上能夠實現(xiàn)各個物理量的耦合傳遞。

6）高溫的轉子的柱表面與四周環(huán)境對流換熱，根據(jù)文獻[13]中的理論公式計(算得到，)轉子柱表面向環(huán)境的散熱系(數(shù)為2)12.24，端面的散熱系數(shù)222.6。

7）將發(fā)電機轉子的繞組損耗（主要是基本損耗和附加損耗）當作體積熱源處理，假設熱源項分布均勻，由文獻[13]得到熱源密度為7 047 450 W/m3。

4 計算結果及分析

本文采用FVM對耳釘工況下船用發(fā)電機轉子的求解域進行三維耦合溫度場的求解，本文的結果為采用SIMPLE算法獲得，計算得到了轉子內(nèi)部的溫度場分布云圖，如圖4所示。

在圖4中，左端面為封閉端，右端面則為冷卻氣流的出口端，從溫度分布云圖可以看出轉子的整體溫度介于320 K～377.7 K之間，而且沿軸向上，轉子的溫度變化不是非常明顯，但出口端附近區(qū)域的溫度略低于封閉端區(qū)域的溫度，其主要原因是由于出口端的冷卻氣流的流速相對較快，導致對流換熱作用較強，熱量更多地傳遞給冷卻空氣，所以在出口端附近區(qū)域的溫度略低。

圖5所示為與轉子鐵芯接觸位置處（z=0）連接筋截面上的溫度分布云圖，圖6所示為與冷卻空氣接觸位置（z=0.03）處連接筋在截面上的溫度分布云圖，將連接筋從左至右依次編號為1～6號。從連接筋的溫度分布圖中看出，連接筋整體溫度介于342.7 K～368.4 K之間。另外，3號、4號連接筋的溫度明顯高于1號、6號連接筋，造成這種現(xiàn)象的的原因主要是中間的連接筋距離轉子繞組近，繞組位于其正下方，起到熱源加熱作用，所以繞組對該處的連接筋加熱作用明顯。通過比較圖5和圖6發(fā)現(xiàn)轉子鐵芯固體域中的連接筋溫度高于冷卻風道中與流體接觸的連接筋部分。相比圖6，圖5中連接筋的溫度在徑向上出現(xiàn)了溫度分布不均的情況，主要原因是該處連接筋處在冷卻風道中，冷卻空氣繞流連接筋，迎風面的對流換熱強度要高于背風面，所以出現(xiàn)迎風面的溫度要低于背風面。

圖7為與轉子鐵芯接觸處（z=0）繞組的截面溫度場分布，圖8為冷卻風道中與冷卻空氣接觸的繞組部分（z=0.03）的截面溫度場分布。本文將繞組的損耗作為轉子的熱源項進行處理，起到加熱轉子的作用，所以其溫度比較高，溫度范圍為371.7 K～377.7 K。轉子繞組的溫度分布情況與連接筋的類似，繞組中上下兩側的溫度明顯低于中間區(qū)域的溫度，這是由于兩側的繞組與轉子鐵芯發(fā)生導熱現(xiàn)象或者與冷卻空氣發(fā)生對流換熱，將熱量傳遞給鐵芯或者空氣，所以兩側的溫度要相比中間的低。通過圖7和圖8的比較分析發(fā)現(xiàn)，固體域中的中間繞組和流體域中的中間繞組溫度分布范圍和大小基本相同，但是由于z=0.03處的繞組和冷卻空氣發(fā)生對流作用，導致繞組的熱量傳遞給空氣，而且由于迎風面的風速大于背風面，所以迎風面的溫度要略低于背風面。

轉子鐵芯截面（z=0）的溫度分布圖如圖9所示，從圖中可知鐵芯的溫度范圍為321.3 K～377.4 K，而且鐵芯中的高溫區(qū)域主要集中在與轉子繞組接觸的部分，主要由于繞組的加熱作用造成。另外，溫度沿圖中箭頭方向逐漸降低，原因是與繞組的距離變遠，軸向風道與鐵芯的對流換熱作用在逐漸增強，所以溫度降低；而在軸向風道下方，鐵芯的溫度變化很小，這是由于流場中的氣流帶走了大部分熱量的緣故。

轉子內(nèi)部冷卻空氣的溫度分布如圖10所示，其溫度范圍是320 K～334.4 K。圖11和圖12則分別是靠近軸向風道區(qū)域和繞組區(qū)域的溫度分布的局部放大圖。綜合圖10～圖12可知，在徑向風道中，繞組背風面的冷卻空氣的溫度都比較高，主要由以下2個原因造成：1）該區(qū)域靠近繞組，而且與鐵芯接觸，繞組和鐵芯對冷卻空氣的綜合加熱作用比較強；2）該區(qū)域位于繞組的背風面，相比于迎風面，對流換熱作用不強，所以溫度相對迎風面較高。在軸向通風道中，上壁面的溫度高于其他區(qū)域，其主要原因是冷卻氣流由徑向風道流入軸向風道時，冷卻空氣的運動狀態(tài)發(fā)生改變，在此處形成渦流，下壁面處的冷卻空氣的流速相對上壁面大，所以換熱效果好，下壁面溫度較上壁面低。

5 結 語

本文以某型船用發(fā)電機的轉子為研究對象，采用有限體積法對發(fā)電機轉子與冷卻空氣的耦合溫度場進行模擬，模擬結果為優(yōu)化該型船用電機溫度提供理論依據(jù)，并得到如下結論：

1）發(fā)電機穩(wěn)態(tài)工作時轉子的最高溫度為377.7 K，最低溫度為320 K，轉子的溫度在軸向上變化不大，而在徑向上溫度變化較大。

2）發(fā)電機連接筋的溫度介于342.7 K～368.4 K之間，繞組的溫度范圍為371.7 K～377.7 K。這2個部分的溫度呈現(xiàn)中間高，兩邊低。由于繞組的加熱作用，所以繞組溫度高于其他部分，但是由于兩邊的繞組對流換熱比中間強，所以溫度較低。而中間部分的連接筋溫度高，主要是由于中間部分的連接筋靠近熱源。兩者的溫度呈現(xiàn)迎風側的溫度低于背風側，由于迎風側的對流換熱強度大。

3）鐵芯的溫度范圍為321.3 K～377.4 K，而且鐵芯中的高溫區(qū)域主要集中在與轉子繞組接觸的部分，主要是由于繞組的加熱作用造成的。

4）冷卻流體的溫度范圍是320 K～334.4 K，在徑向風道中，繞組背風面的冷卻空氣的溫度都比較高，在軸向風道中，靠近風道上壁面的溫度高于其他區(qū)域。

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Coup led numerical simulation of temperature field of marine generator's rotor

FENG Guo-zeng, YAO Shou-guang, XIONG Zheng-qiang, LIU Fei, DONG Zhao-sheng
(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The coupled temperature field of marine generator’s rotor and fluid was simulated numerically. Based on the fundamental of CFD and numerical heat transfer, the physical and mathematical temperature field model in the solution domain of marine generator’s rotor are built respectively on the basis of the structural features of marine generator. RNG k-ε model is used to simulate the temperature field of marine generator’s rotors numerically by the given boundary conditions in the domain. The temperature distributions of fluid part and solid parts of marine generator’s rotors and fluid regions are obtained under the condition of stable condition. Then the temperature distributions are analyzed. And some useful conclusions,which provide the theoretical basis for the optimization and design of marine generator, were got.

marine generator；marine generator rotor；temperature field；numerical simulation

TM 31

A

1672–7649(2017)12–0153–05

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.032

2016–10–09；

2017–01–16

馮國增(1971–)，男，碩士，副教授，主要從事兩相流理論與技術、船舶制冷與空調等方面的研究。