龍英?！∴u強(qiáng)龍　張冬妮　徐瑞

摘 ? 要： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)散熱性能好壞對(duì)器件壽命和設(shè)備運(yùn)行可靠性具有重大影響。以某4 MW～5 MW功率等級(jí)的大功率異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，建立全過(guò)程運(yùn)行周期模型，通過(guò)數(shù)值方法獲得穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。仿真結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)溫度在周向上存在差異，線圈下部溫度顯著高于上部。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，表明原始定子外側(cè)框架、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得下部冷卻風(fēng)流動(dòng)阻力比上部大，冷卻風(fēng)量相對(duì)較少。據(jù)此，提出增加冷卻通道數(shù)、優(yōu)化通風(fēng)道寬度、調(diào)整通風(fēng)溝角度的改進(jìn)方案。優(yōu)化后，定子線圈最高溫升降低10 K，體積平均溫度溫升降低3 K。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電機(jī);散熱性能;溫度場(chǎng);全過(guò)程運(yùn)行周期模型;定子

中圖分類號(hào)：TM315 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 04-107-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.020

引言

風(fēng)能是一種無(wú)污染和可再生的清潔能源，越來(lái)越多的社會(huì)力量正將精力投入到風(fēng)能的開(kāi)發(fā)上[1]。同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量也在不斷提高，電磁負(fù)荷與損耗增加，使得電機(jī)散熱功率增加[2]。若不能及時(shí)散去這部分功耗，將導(dǎo)致電機(jī)溫度上升，嚴(yán)重影響器件壽命和運(yùn)行可靠性，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備損壞。因此，合理設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻通道，及時(shí)帶走電機(jī)工作產(chǎn)生的熱量，對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行控制，成為電機(jī)前期研發(fā)的重要工作之一。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)研究較多，其中魏靜微等[3]為2 MW功率等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)建立了1/12周期模型，對(duì)模型進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的分析和研究，指出了電機(jī)局部溫度過(guò)高的問(wèn)題并提出了改善措施。丁樹(shù)業(yè)等[4]以高海拔用雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，建立了1/8周期模型，得到了流場(chǎng)和溫度場(chǎng)相耦合的求解模型，通過(guò)求解分析、試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，為發(fā)電機(jī)在高海拔地區(qū)安全運(yùn)行和設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

本文對(duì)4 MW～5 MW功率等級(jí)的大功率異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。首先建立全過(guò)程運(yùn)行周期模型;然后通過(guò)數(shù)值方法研究發(fā)電機(jī)軸向和周向的溫度場(chǎng);最后提出散熱優(yōu)化方案，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 ?計(jì)算模型建立

1.1 ?數(shù)學(xué)模型

根據(jù)傳熱學(xué)理論[5-6]，在笛卡爾坐標(biāo)系下，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)求解域內(nèi)溫度場(chǎng)基本方程及其邊界條件滿足

（1）

其中，

T為物體的溫度，℃;

λx、λy、λz分別為求解域內(nèi)各材料沿x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·k）;

qv為求解域內(nèi)各熱源體密度之和，W/m3 ;

α為散熱面的散熱系數(shù)，W/（m2·k）;

Tf為散熱面周圍介質(zhì)的溫度，℃;

s1和s2分別為絕熱面和散熱面。

1.2 ?物理模型

以額定功率為4 MW～5 MW的大功率異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為分析對(duì)象，其物理模型如圖1所示，由風(fēng)扇、換熱器和發(fā)電機(jī)本體三部分組成。其中風(fēng)扇提供外部冷卻空氣，冷卻空氣經(jīng)換熱器與內(nèi)部高溫空氣換熱并帶走熱量，降低內(nèi)部空氣的溫度。

冷熱流體分為兩股，如圖2所示。其中深色箭頭代表熱流體流動(dòng)路徑，淺色箭頭代表冷流體流動(dòng)路徑，具體如下：

（1）冷流體從鼓風(fēng)機(jī)流入，從管子內(nèi)部流出;

（2）熱流體從電機(jī)兩端流入，在徑向風(fēng)扇的作用下，流過(guò)電機(jī)內(nèi)部帶走電機(jī)熱量，熱流體往上流動(dòng)通過(guò)換熱器，與管子內(nèi)部的冷流體進(jìn)行換熱，然后從換熱器兩端穿過(guò)，回到電機(jī)兩端，形成循環(huán)。

考慮到電機(jī)系統(tǒng)模型的復(fù)雜性，為了提高計(jì)算速度，這里將電機(jī)系統(tǒng)模型拆分成兩部分：第一部分包括風(fēng)扇及冷卻管路，用于計(jì)算冷卻流量;第二部分去掉了風(fēng)扇，計(jì)算時(shí)給定冷卻空氣流量，代替風(fēng)扇。

1.3 ?仿真模型

從電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中提取換熱器及冷卻通道模型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

模型包括轉(zhuǎn)子、定子和換熱器三部分，其中轉(zhuǎn)子和定子的個(gè)別組件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征較小，不利于網(wǎng)格劃分。為考慮計(jì)算收斂性，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，盡量減少對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，轉(zhuǎn)子、定子簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

1.4 ?網(wǎng)格劃分

換熱器計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖5所示，總網(wǎng)格量4 800萬(wàn)。

定子和轉(zhuǎn)子網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，面網(wǎng)格以四邊形為主，劃分結(jié)果如圖6所示。

2 ?仿真結(jié)果討論

2.1 ?參數(shù)輸入

發(fā)電機(jī)各部分材料物性輸入如表1所示。

2.2 ?風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口流量

風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口流量隨迭代時(shí)間步的變化曲線如圖7所示。可以看出，出口流量變化越來(lái)越小，可認(rèn)為結(jié)果收斂，此時(shí)出口流量為7.29 m3/s。

2.3 ?電機(jī)溫度分布

對(duì)原始冷卻通道模型和優(yōu)化冷卻通道模型進(jìn)行了分析，圖8的發(fā)電機(jī)徑向截面溫度分布給出了原始冷卻通道模型發(fā)電機(jī)線圈最高溫度發(fā)生位置?？梢钥闯?，在周向上，高溫發(fā)生在線圈下部。主要原因分析如下：

（1）與定子外側(cè)框架有關(guān)。框架形成阻擋，不利于部分冷卻通道內(nèi)的氣流流動(dòng)，導(dǎo)致線圈溫度升高;

（2）與發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。在周向上，上端離換熱器近，氣流經(jīng)線圈后可直接流入到換熱器內(nèi)，流動(dòng)路徑短、阻力小;下端離換熱器遠(yuǎn)，氣流流過(guò)定子線圈后在發(fā)電機(jī)底部形成紊流，需要消耗較多動(dòng)力，因此往下的氣流速度小于往上的氣流，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)下部的溫度偏高。

2.4 ?改進(jìn)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)原始冷卻通道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即增加冷卻通道數(shù)、優(yōu)化通風(fēng)道寬度、調(diào)整通風(fēng)溝角度降低周向上定子線圈最高溫度和平均溫度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化冷卻通道后，模型的定子線圈最高溫升降低10 K，體積平均溫度溫升降低3 K。因此，優(yōu)化發(fā)電機(jī)的冷卻通道與形狀可以明顯降低發(fā)電機(jī)的最高溫度。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了溫升測(cè)試，測(cè)試工況及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與仿真保持一致。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)大功率異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，通過(guò)數(shù)值方法獲得了冷卻通道模型的溫度分布，發(fā)現(xiàn)了高溫產(chǎn)生的根源。發(fā)電機(jī)定子線圈在周向上的溫度不可避免地存在差異，降低發(fā)電機(jī)底部的流阻有利于提升發(fā)電機(jī)周向溫度的均衡性。據(jù)此，通過(guò)增加冷卻通道數(shù)、優(yōu)化通風(fēng)道寬度、調(diào)整通風(fēng)溝角度，使得定子線圈最高溫升降低10 K，體積平均溫度溫升降低3 K，達(dá)到了散熱目的。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

龍英睿（1982—），通信作者，女，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，高級(jí)工程師，在江蘇中車電機(jī)有限公司從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作。

E-mail： 28223155@qq.com

（收稿日期：2020-06-30）

Analysis and Optimization of Thermal Performance for High-Power Asynchronous Wind Turbine

LONG Ying-rui1， ZOU Qiang-long1， ZHANG Dong-ni1， XU Rui2

（1. Jiangsu CRRC Electric Co.， Ltd， Zhuzhou 412001， China;

2. Yi Duo Information Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201108， China）

Abstract： The thermal performance of wind turbine has a significant impact on device life and equipment operation reliability. Taking a 4 MW～5 MW high-power asynchronous wind turbine as the research object， the whole period model is established， and the steady-state temperature field is obtained by numerical method. The simulation results show that there are differences in the generator temperature around the circumferential direction， and the temperature in the lower part of the coil is significantly higher than that in the upper part. The simulation results show that the original stator outer frame and generator system structure make the lower cooling air flow resistance larger than the upper part， and the cooling air volume is relatively less. Based on this， the improvement scheme of increasing the number of cooling channels， optimizing the width of ventilation channel and adjusting the angle of ventilation channel are put forward. After the optimization， the maximum temperature rise of stator coil is reduced by 10 K， and the average temperature rise of volume is reduced by 3 K.

Key words： Wind Turbine; Thermal Performance; Temperature Field; Whole Period Model; Stator