兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)電桿組件溫度場分析

潘躍林，陳紀(jì)軍，尹曾鋒

(海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411101)

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)電桿組件溫度場分析

潘躍林，陳紀(jì)軍，尹曾鋒

(海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411101)

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量不斷提高，發(fā)電機(jī)的功率損耗和溫升較為嚴(yán)重，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中導(dǎo)電桿組件的溫度變化較高，直接關(guān)系著整機(jī)的壽命和安全運(yùn)行。通過有限體積法，結(jié)合導(dǎo)電桿組件各部分傳熱，仿真分析了瞬態(tài)傳熱時導(dǎo)電桿組件的溫度場，結(jié)果表明，銅桿圓柱凸臺與環(huán)氧樹脂絕緣層存在最大的溫度變化，產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易損害導(dǎo)電桿組件。

風(fēng)力發(fā)電機(jī) 導(dǎo)電桿 瞬態(tài)傳熱 溫度場

0 引言

隨著大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的不斷增大，電機(jī)的發(fā)熱問題越來越引起設(shè)計者的關(guān)注。現(xiàn)階段，大型發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子溫度場方面的研究還不是很多[1-5]，針對導(dǎo)電桿組件的溫度場分析更不常見，大功率電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時導(dǎo)電桿出現(xiàn)損壞的情況時有發(fā)生，需要研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)電桿組件的傳熱特性。

1 模型建立與計算

1.1 數(shù)學(xué)物理模型

流體微元的能量增加率等于進(jìn)入該微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體做的功。可以得到以溫度T為變量的能量守恒方程為[6]：

式中：ρ為流體密度；t為流動時間；vx、vy、vz分別為流速在x、y和z方向上的分量；CP為流體比熱容；T流體為溫度；x、y、z分別為三維直角坐標(biāo)系的方向；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；ST為流體粘性耗散項，也就是流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

熱傳遞在導(dǎo)電桿組件內(nèi)為熱傳導(dǎo)，在其外表面為熱對流，在銅導(dǎo)桿和環(huán)氧樹脂層臨界面為熱傳導(dǎo)，因組件整體溫度較低，忽略熱輻射后。依據(jù)能量守恒關(guān)系，可得出導(dǎo)熱微分方程為[7]：

式中：qV表示均勻內(nèi)熱源的發(fā)熱率。

瞬態(tài)傳熱計算中，對于物理模型的建立最好采用多零件組合分析，該物理模型為轉(zhuǎn)軸、環(huán)氧樹脂絕緣套和銅桿組成，如下圖1所示。

圖1 求解域物理模型

1.2 仿真邊界條件

根據(jù)電機(jī)實際工作環(huán)境，電機(jī)內(nèi)部空氣溫度t0=40 ℃，轉(zhuǎn)軸外表面溫度tw=50 ℃，電機(jī)內(nèi)部空氣流速v=2 m/s，轉(zhuǎn)軸外徑d=0.21 m，空氣導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.0276 W/(m*k),空氣運(yùn)動粘度υ=16 ×10-6m2/s，空氣普朗特數(shù)Pr=0.69，空氣雷諾系數(shù)Rem，空氣努賽爾系數(shù)Num，

根據(jù)傳熱學(xué)公式計算轉(zhuǎn)軸表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。

通過計算得知，該段轉(zhuǎn)軸表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在傳熱計算中取值12.3 W/(m2·k)；環(huán)氧樹脂外殼伸出轉(zhuǎn)軸外部的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)經(jīng)計算為23.2 W/(m2·k)。

瞬態(tài)傳熱計算的具體邊界條件設(shè)計如下：

1）銅桿：生熱率9.8E3 W/m3；導(dǎo)熱率110 W/(M·K) ；比熱390 J/（kG·K）；密度8500 kg/m3；節(jié)點溫度60℃。

2）環(huán)氧樹脂外殼：環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱率0.188W/(M·K) ；比熱1100～1400 J/（kG·K）；密度1100 kg/m3；節(jié)點溫度55℃；表面對流傳熱系數(shù)23.2 W/(M2·K)；

3）鋼轉(zhuǎn)軸：導(dǎo)熱率52 W/(M·K) 比熱486 J/（kG·K）密度7800 kg/m3；表面對流傳熱系數(shù)12.3 W/(M2·K)；節(jié)點溫度50℃。瞬態(tài)傳熱計算時間設(shè)定為10 h。

2 瞬態(tài)傳熱計算結(jié)果與分析

根據(jù)導(dǎo)電桿組件的網(wǎng)格模型和設(shè)定的仿真邊界條件，我們可以得出整個組件在設(shè)定時間內(nèi)任意時刻的瞬態(tài)溫度場分布情況。現(xiàn)采集10 h內(nèi)，每2 h導(dǎo)電桿組件模型中心位置瞬態(tài)溫度場分布情況，如下圖2～圖7所示。

圖2 0.1 h中心面溫度場

圖3 2 h中心面溫度場

圖4 4 h中心面溫度場

從以上溫度場中可以看出，導(dǎo)電桿組件中的銅桿溫度一直在升高，由初始的溫度60℃升高到166.425℃，并且銅桿溫度上升的最大值遠(yuǎn)不止166.425℃。導(dǎo)電桿組件的塑料絕緣層采用環(huán)氧樹脂材料，銅桿凸圓臺與絕緣層連接處溫度變化很大，溫度范圍為18.492℃～166.425℃。黃銅的熱膨脹系數(shù)約為1.8×10-5/K，而環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)約為6.7×10-5/K，兩者相差近3.7倍，銅和環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)相差較大，并且，在10 h內(nèi)黃銅的溫升為106.425 ℃，環(huán)氧樹脂的溫升約為37 ℃，銅和環(huán)氧樹脂的熱膨脹量不同，所以，銅桿凸圓臺與絕緣層結(jié)合處產(chǎn)生的熱應(yīng)力會很容易破壞絕緣層。

圖5 6 h中心面溫度場

圖6 8 h中心面溫度場

圖7 10 h中心面溫度場

根據(jù)計算結(jié)果，利用與黃銅熱膨脹系數(shù)相近的材料制作絕緣套，可以保證兩種材料的接合面不會出現(xiàn)熱應(yīng)力損害。但是一般塑料的熱膨脹系數(shù)都比金屬大2～10倍，無法找到一種絕緣材料能直接與黃銅匹配。在黃銅桿與環(huán)氧樹脂絕緣層間添加一層1 mm厚的熱膨脹系數(shù)為3.5×10-6/K的電瓷材料絕緣層，電瓷材料的低熱膨脹性可以中和環(huán)氧樹脂的高熱膨脹性，將新型導(dǎo)電桿組件安裝到風(fēng)場上的試驗電機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)兩年未出現(xiàn)損壞。

3 結(jié)論

本文針對3 MW大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)電桿組件的瞬態(tài)傳熱仿真研究，得出如下結(jié)論：

1）大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)電桿組件內(nèi)部的溫度場分布較為均勻，各零件接觸面存在較大溫差，銅桿存在最高的溫度；

2）導(dǎo)電桿組件內(nèi)部存在較大的溫差，尤其是銅桿凸圓臺與絕緣層結(jié)合處溫差約為148℃，此處產(chǎn)生的熱應(yīng)力很容易損壞絕緣層；

3）在黃銅和環(huán)氧樹脂間增加一層電瓷材料絕緣套，可以有效解決導(dǎo)電桿組件的熱應(yīng)力損害問題。

[1] Krefa M P, Wasynczuk o. A finite element based state model of solid rotor synchronous machines[J]. IEEE Trans. On Energy Conversion, 1987,EC-2(10：21-30.

[2] Armor A F. Transient three-dimensional finiteelement analysis of heat flow in turbinegeneratorotors[J]. IEEE-PAS, 1980, PAS-99(3): 934-946.

[3] 李德基, 鄧立平. 汽輪發(fā)電機(jī)間接冷卻轉(zhuǎn)子三維溫度場計算[J]. 大電機(jī)技術(shù).1986, (3): 23-30.

[4] 李偉力, 項歡. 汽輪發(fā)電機(jī)徑切兩向空冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)子溫度場的計算[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1988, (2): 15-18.

[5] 李偉力, 周封.大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場的有限元計算及相關(guān)因素的分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2002, （22）：85-90.

[6] 周俊杰, 徐國權(quán), 張華俊. FLUENT工程技術(shù)與實例分析[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2010.

[7] 姚仲鵬, 王瑞軍. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2003.

Analysis on Temperature Field of Megawatts Double Feedback Wind Generator's Wire

Chen Jijun, Pan Yuelin,Yin Zengfeng
（Ocean Wind power Technology and Detection State Key Laboratory, Xiang Tan 411101, Hunan, China）

Since the capacity of wind generator increase gradually, the loss of power and the temperature rise of wind generator become serious, and the temperature of its wire module rises to affect generator's life and operation. With the method of finite volume and the result of different heat transfer, we simulate and analyze the temperature field of transient heat transfer. The result shows that the maximum temperature change appears at edge of wire module and epoxy resin which is easily damaged by heat stress.

wind generator; wire module; transient heat transfer; temperature field

TM315

A

1003-4862（2015）06-0078-03

2015-04-29

潘躍林（1977-），男，工程師。主要從事大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究與開發(fā)。