永磁風力發電機通風系統計算與熱分析

劉麗紅

(沈陽職業技術學院，遼寧沈陽110045)

0引 言

電機內的各種物理場是互相影響、互相制約的，且有一定耦合關系的綜合場。電機內部的通風與溫度場是通過對流換熱的方式聯系在一起的［1］。對于半直驅永磁風力發電機，由于其通常位于機艙內，自然冷卻條件相對較差，需要采用附加的冷卻措施。本文將對一臺1 MW半直驅式永磁風力發電機通風系統進行計算分析。該永磁風力發電機通風系統的主要特點是:利用外加風機進行強迫風冷、并采用軸向式的通風結構;風力發電機定子鐵心背部形成軸向通風道，圓周方向一共有24個彼此分離的風道;發電機一側加鼓風機，驅動冷卻流體沿軸向流動到另一側，冷卻電機各部件，然后從電機內排出，冷卻空氣與電機內的發熱部件進行熱交換，散去電機產生的熱量。

由于電機結構的復雜性，電機內的通風系統很難精確計算。通風系統的工程算法是利用風路圖來代替實際管道，根據實驗結果或經驗估計氣體流動情況，做出風路圖并計算系統中的各個風阻和合成風阻，從總體上計算出電機的風量和風速［2-3］。這種計算方法雖簡單，但與實際情況差別較大，并且無法描述電機內部的實際風速分布狀況和局部漩渦流動。隨著計算機性能的不斷提高，計算流體動力學已經滲透到許多相關學科和工程應用之中。同時，計算流體動力學(以下簡稱CFD)在電機通風冷卻計算中已得到了應用。文獻［4］采用二維流體場計算了大型發電機單個定子徑向通風溝內的流體運動情況，在計算中忽略了流體流動在軸向的差異性。

本文采用CFD方法對發電機的通風系統進行三維流場計算，得到發電機內部的流量分配和風壓降，以及發電機內部的風速分布，為發電機通風系統的優化設計提供了優越的平臺。根據發電機內部的風速分布確定熱計算的邊界條件，采用等效熱網絡法計算得到發電機各部件的溫升值。

1電機內流場的數學模型

電機內冷卻空氣的狀態為定常粘性不可壓縮湍流［5］。根據流體動力學理論，在直角坐標系中采用時均法，湍流流體流動控制方程包含時均連續方程和時均Navier-Stokes方程，其張量形式如下［6］:

為使上述方程組封閉，通常需要引入新的湍流模型。其中，標準k-ε兩方程模型在工程中使用最為廣泛，它由湍動能k方程和耗散率ε方程構成。當流體為不可壓且不考慮用戶自定義的源項時，標準k-ε模型可描述:

式中:μt為湍動粘度;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能 k 的產生項;C1ε、C2ε、σk以及 σε為常數。

2確定風機數目

本文采用基于CFD方法的Fluent 6．5軟件對發電機內流體流動進行數值模擬，從而準確地計算出發電機內部的風速分布。實質上，Fluent軟件只是一個求解器，它本身不具有建模和劃分網格的功能。然而網格質量對CFD計算精度和計算效率影響很大，本文利用專用前處理軟件GAMBIT來生成網格。冷卻空氣在電機內的流動狀態為湍流，本文選取標準k-ε兩方程模型來計算冷卻空氣的流動情況。對于近壁區域流體流動問題，采用壁面函數法來進行處理。在發電機的入風口設置速度入口邊界條件來取代風機的作用，出風口采用壓力出口邊界條件。使用二階迎風格式離散控制方程，選擇壓力速度耦合求解器進行求解。

由于發電機的外形尺寸比較大，為了使冷卻空氣均勻地進入電機內部，本文采用數臺風機并聯運行的方式。運用CFD方法計算發電機定子軸向通風道入口處的風速分布，根據發電機軸向通風道入口處風速分布的均勻度(最大風速與最小風速之差)確定風機的數量。由于6臺風機在圓周方向上存在對稱性，選取單個風機對應的發電機端腔區域作為計算區域。這里以6臺風機為例來說明整個計算過程。圖1為單個風機所對應發電機端腔內的風速分布圖。從圖中可以清晰地看出，冷卻空氣在端腔內的流動速度分布情況。圖2為軸向通風道入口處的速度等值線圖，從圖中得到軸向通風道入口處的最大風速為20．3 m/s，最大風速發生在風機正對的通風道入口處。

圖1 風速分布圖

圖2 風速等值線圖

圖3為選擇6個風機時，單個風機所對應的4個軸向通風道入口處的風速分布情況。選擇不同的風機數目分別計算，計算結果表明當選擇6個風機并聯運行時，各通風道內最大風速與最小風速之差百分比為14%;選擇4個風機時，各通風道內最大風速與最小風速之差的百分比將超過20%。通風道內風速分布的不均勻會引起發電機溫升分布不均勻。本文最終確定6臺風機并聯運行。

圖3 通風道入口處風速分布

3通風系統計算

圖4 靜壓等值線

在進行通風計算時，由于發電機的6臺風機在圓周方向存在對稱性，選取單個風機對應的發電機內冷卻空氣作為計算的求解區域進行建模，將模型對稱面設置為周期性邊界條件。圖4為計算區域的靜壓等值線圖。從圖中可以看出，發電機的靜壓為1 080 Pa，發電機總壓降為1 267 Pa。

圖5為發電機求解區域的風速分布，通過觀察風速分布圖，發電機內的最大風速為32．8 m/s，最大風速位于發電機定子軸向通風道的入口處。冷卻器空氣的流速沿著軸向通風道方向逐步減小，但是變化幅度較小。

圖5 風速分布圖

通過以上計算得到通風系統總風壓降為1 267 Pa，冷卻空氣流量為2．216 1 m3/s，為風機的選型提供了依據。根據計算結果，選擇合適的風機對風力發電機進行冷卻。

4熱分析

發電機的溫升計算需要確定發電機各部件的對流散熱系數。本文根據上述CFD通風系統計算得到的發電機內部風速，確定各部件的對流散熱系數。表1列出了發電機各部件的對流散熱系數。

表1 對流散熱系數

采用等效熱網絡法對發電機進行熱計算，計算得到發電機各部件的溫度分布如表2所示。由計算結果可以看出，發電機繞組沿軸向的溫升分布是不均勻的，發電機的最高溫升為78．8 K，位于靠近出風口側的定子上層繞組處。

表2 計算結果

5結 語

本文采用CFD法對發電機進行了通風計算，確定采用6臺外加風機對發電機進行冷卻，計算出通風系統總風壓降為1 267 Pa，冷卻空氣流量為2．216 1 m3/s，為風機的選型提供了依據。根據通風計算，確定熱計算的邊界條件，采用等效熱網絡法對發電機進行熱計算，得到發電機各部件的溫升值。由計算結果可以看出，發電機繞組沿軸向的溫升分布是不均勻的，發電機的最高溫升位于靠近出風口側的上層繞組處，發電機的最高溫升值為78．8 K，說明該通風系統能夠滿足溫升要求。

［1］ 溫嘉斌，孟大偉，周美蘭，等．大型水輪發電機通風發熱場模型研究及通風結構優化計算［J］．電工技術學報，2000，15(6):1-4．

［2］ 魏永田，孟大偉，溫嘉斌．電機內熱交換［M］．北京:機械工業出版社，1998:230．

［3］ 陳世坤．電機設計［M］．北京:機械工業出版社，2000．

［4］ 李偉力，丁樹業，勒慧勇．基于耦合場的大型同步發電機定子溫度場的數值計算［J］．中國電機工程學報，2005，25(13):129-134．

［5］ 王福軍．計算流體動力學分析［M］．北京:清華大學出版社，2004．

［6］ Nerg J，Rilla M，Pyrhonen J．Thermal analysis of radial-flux electrical machines with a high power density［J］．IEEE Transaction on industrial electronics，2008，55(10):3543-3554．