兆瓦級風力發電機在極限工況下流體場與溫度場數值分析

葛云中

(中國人民解放軍96215部隊，廣西 柳州545616)

0 引言

近年來，風力發電產業迅速發展，大容量的風力發電機組不斷投入運行。但是，隨著發電機單機容量的增加，電機溫升也大幅度地提高，影響電機的安全運行和使用壽命。目前，國內外研究風力發電機溫度場和流體場的相對較少，特別是對高海拔惡劣環境條件下運行的風力發電機溫度場和流體場的研究甚少。因此，本文從中國高原地區風力發電現狀進行分析，研究風力發電機在海拔4 km地區極限工況下流體流變特性和電機熱特性。

1 數學模型

電機冷卻系統內流體流動滿足質量守恒、動量守恒和能量守恒定律［1］。

1.1 k－ε湍流模型

對于湍流則采用標準的k－ε湍流模型，可統一表達為以下形式:

圖1 發電機冷卻系統

1.2 三維熱傳導方程

在直角坐標系下，三維熱傳導方程為

式中:T為固體待求溫度，oC;kx、ky、kz分別代表x、y、z方向的導熱系數，W/(m·K);q為內部熱源密度，W/m3。

2 求解域模型確定

2.1 電機冷卻系統結構

本文以一臺雙饋水冷風力發電機為研究對象，該發電機具有內外兩路冷卻系統。內冷卻系統，即空氣由設在電機端部的風扇強迫通風實現封閉式冷卻。外冷卻系統，發電機機殼內設有水循環系統，冷卻水經過與一次冷卻的熱空氣進行能量傳遞，將發電機運行時產生的熱量帶到外部。發電機冷卻系統如圖1所示。

2.2 基本假設

根據電機結構、傳熱和冷卻系統的特點，作如下假設［2-5］:

1)將電機上層繞組和下層繞組分別按整體加以考慮。

2)電機各部件緊密接觸，所有絕緣材料性質相同。

3)不考慮風扇實際存在，端部繞組用直線段取代。

4)由于電機中流體的雷諾數很大(Re＞2 300)，屬于紊流，因此采用紊流模型對電機內流場進行求解。

2.3 計算區域

根據電機基本數據，在基本假設下，建立電機圓周方向1/8個區域為求解模型，求解域物理模型如圖2所示。電機的基本參數如表1所示。

表1 電機的基本參數

圖2 求解域物理模型

2.4 邊界條件

邊界條件為:

1)入口1及入口2為速度入口。

2)出口1及入口2為壓力出口。

3)發電機機殼外圓及轉子內圓為散熱面，散熱系數的確定有文獻給定［6］。

4)冷卻介質的特性由發電機所處的具體海拔高度確定。

3 流體特性分析

采用有限體積法對電機內三維流體場和溫度場進行耦合求解，得出電機內流體速度分布。

3.1 空氣速度分布

圖3為電機內空氣速度分布。

圖3 空氣速度分布圖

通過對圖3流體分布以及計算數值結果分析，空氣在轉子通風孔的速度最大，為49.96 m/s。電機端部空氣流通空間大，流動速度相對較小，在流通空間變化大的區域速度變化較大，并有渦流產生。

3.2 水速度分布

圖4為水冷系統中冷卻水的流線分布。

圖4 水流場流線圖

從圖4可以看出:在求解域外冷卻系統中冷卻水在冷卻過程中速度較低，其數值為2.27 m/s。在實際的電機中，電機的出入口均為一個，即在電機整個外冷卻系統中水的最大速度也為2.27 m/s。

4 溫升特性分析

4.1 電機整體溫升分布

圖5為風力發電機在高原極限工況下溫升分布。

圖5 電機溫升分布圖

從圖5可見，電機風扇端定子股線受散熱條件的影響，定子端部股線溫升明顯高于電機的其它部分，最高溫升達100.9 K。其次是轉子區域溫升，最高溫升為100.1 K。由于轉子股線和鐵心緊密接觸，因此，相對應的轉子鐵心溫升也較高。另外，空氣在電機內流動到風扇端的過程中溫度不斷變高，所以，電機風扇端的溫升明顯高于非風扇端的溫升。

由于液體工質的密度與比熱容都遠遠大于氣體工質，帶走熱量能力強，因此，機殼以及定子區域溫升低于轉子區域。

4.2 轉子溫升分布

圖6為轉子最熱區域軸向截面溫升分布圖，圖7為轉子股線沿軸向長度溫升分布圖。

從圖6、圖7中可以看到:

1)轉子槽內溫升高于其它各個部分，槽口、齒根和軛部溫升較低。

2)平面內的溫升最高點位于槽中心線上，沿著兩側絕緣層溫升快速下降，在鐵心位置趨于穩定，并且沿著周向呈對稱分布。

3)股線和鐵心緊密接觸，轉子股線的最熱位置與鐵心的最熱位置相對應。

4)槽內上層股線溫升高于下層股線，除在風扇端外，雙層繞組變化規律基本一致，溫升差約為2.9～4.1 K。轉子端部股線產生的熱量主要由端部流動的空氣帶走，上層繞組在背風區，散熱較下層繞組困難，上層繞組溫升下降慢，上下層繞組溫升相差最大為6.2 K。

4.5 水溫升分布

圖8為機殼中水循環系統的溫升分布。

圖8 水溫升分布圖

從圖8可以看出:在求解域水冷系統中水的溫升較低，最大溫升為1.8 K，出水口平均溫升為1.22 K。

通過對圖4和圖8的對比分析，水循環系統內速度分布與溫升分布是相對應的。在渦流區和水流動較慢的區域水的溫升較高;而水流通暢的區域水的溫升低。

5 結論

通過上述建立的風力發電機數學模型與實際使用風力發電機的性能分析計算對比，其結果為:

1)平原地區工作的發電機的性能與本次實驗的發電機的性能數值誤差為4.24%，滿足運行要求。

2)在高原極限下運行時，電機最高溫升為100.9 K，遠小于F級絕緣條件所允許的最高溫升。由此表明電機適應高原環境風速變化，在極限工況下，可以安全、可靠運行。

3)電機氣隙熱阻大，徑向溫差大，整體溫升分布呈現出了兩個溫差較為明顯的區域:轉子溫升區和定子溫升區。

［1］周俊杰，徐國權，張華俊.FLUENT工程技術與實例分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2010:14-17.

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