高功率密度籠型異步風力發電機通風結構優化分析

張禎海，　遲長春，　練正兵，　邵士良

(上海電機學院 電氣學院，上海　200240)

高功率密度籠型異步風力發電機通風結構優化分析

張禎海，遲長春，練正兵，邵士良

(上海電機學院 電氣學院，上海200240)

針對電機內的通風冷卻系統，以一臺2.5MW高功率密度籠型異步風力發電機為例，基于流體力學基本理論，研究了電機內的通風系統和流體的流動原理，對電機的通風結構進行流體場仿真計算。對電機使用的通風結構進行優化，改變電機轉子軸向通風道的數量，通過對不同方案的對比分析，最終得出了電機內流量和流速均勻分配的最優方案，限制了電機的溫升，提高了電機運行的可靠性。

籠型異步風力發電機； 通風冷卻； 高功率密度； 流體場； 軸向通風道;

0　引　言

近年來，風力發電在全球能源結構中的使用日益增大，風力發電機組也在不斷地向大容量、小體積的高功率密度方向發展[1]。電機功率密度的增大主要是通過提高負荷來實現的，但是增加負荷的同時也帶來了各種損耗的增加，導致電機的溫升會進一步變大，從而影響發電機的運行性能和經濟指標[2]。電機通風冷卻系統的合理設計可以有效帶走電機內部產生的熱量，使電機的溫度均勻分布[3]。因此，合理設計電機通風冷卻系統，尋求最好的通風冷卻效果，對于電機的溫度分布和運行性能有著重要的意義。

1　電機通風冷卻的基本原理

風力發電機所處的環境比較惡劣，并且大多工作于高空，所在環境的風力一般較大。發電機所產生的熱量分兩部分被冷卻空氣帶走，一部分是通過傳導方式傳到發電機外表面的熱量，由流過電機外表面的冷空氣帶走；另一部分熱量傳到冷卻風道內由流經風道內的冷卻空氣帶走[4]。

電機通風冷卻的實質是冷卻介質在電機的通風結構內進行流動將熱量帶走，并且冷卻介質的性質及流動狀態決定了發電機的通風冷卻效果；同時，電機通風結構及冷卻方式的不同也在一定程度上決定了流體的計算模型和計算方法的選擇[5]。因此，電機內冷卻氣體的工作原理實際上就是流體的流動。

1.1電機內流體特點

流體是液體和氣體的總稱，流體在不同的介質中有著不同的特性。電機通風屬于有壓輕流體運動，電機內的氣流速度基本都在50m/s內，產生的動壓基本在1500Pa以內，大氣壓力只占約1.6%，因此電機內氣體密度的變化非常小，可將電機通風近似看成不可壓縮流體的流動[6]。

電機穩定運行時物理參數恒定，故該冷卻過程是一定常過程。空氣溫度低于電機部件的溫度，熱量從電機逐漸傳給了空氣，冷卻氣體溫度逐漸升高，從而降低電機部件的溫度。

該風力發電機冷卻系統是由風扇強迫空氣冷卻電機，流體的流速直接影響到電機內的溫升，因此要考慮黏性流體對電機溫度的影響，可認為電機內的流體為黏性流體。

綜上所述，電機通風現象屬于黏性不可壓縮輕流體做不等溫定常流動[7]。

1.2流體控制方程

根據流體動力學基本原理，在直角坐標系中可以寫出相應的流體通用控制方程[8-9]：

div(ρuφ)=div(Γgradφ)+S

(1)

通用控制方程的展開形式為

(2)

式中：u——速度矢量；

u、v、w——速度矢量u在x、y、z方向上的分量，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3；

φ——通用變量，對于不同的控制方程，可以分別代表1、u、k(脈動動能)、ε(能量耗散率)以及TL(流體待求溫度)等求解變量；

Γ——廣義擴展系數；

S——廣義源項。

2　求解模型確定與計算

2.1通風冷卻結構

根據電機內冷卻介質流動的方向和路徑，異步電機內部常用的通風方式有軸向通風、徑向通風和徑向-軸向混合通風系統。為了增強電機的通風冷卻效果，有效降低因負荷增大帶來的電機發熱情況，本文研究的高功率籠型異步風力發電機采用的是軸向-徑向混合通風方式，如圖1所示。

圖1　發電機混合通風結構

在冷卻過程中，一部分冷卻空氣由轉子軸向通風孔進入，通過轉子徑向通風道，穿過氣隙，經由定子徑向通風道，在定子鐵心背部匯合并排出；還有一部分冷卻氣體從電機一端進入直接冷卻繞組端部，流過鐵心背部，從另一端流出[10-11]。

2.2電機物理模型

為了獲得較大的風壓，采用較大直徑的離心風扇作為內風路的驅動力，在電機轉子鐵心開有扇形通風孔以形成軸向通風道，與定轉子的徑向風道共同形成混合通風系統，完成電機的冷卻。帶有徑向通風道和扇形通風孔的轉子鐵心模型如圖2所示。

圖2　轉子鐵心模型

大量研究和試驗表明，定轉子徑向通風道各風道之間距離間隔影響著風道流體流量的分配，徑向風道的不均勻分布對冷卻氣體的流動有很大的影響[12-13]。針對圖1的混合通風系統，根據內風路中風量流動的情況，定轉子鐵心檔長度采用不均勻分布，風量大的部分減小鐵心長度，增大風道密度，風量相對較小的部分則提高鐵心長度，加大風道間距，如圖3所示。這樣，既可以保證流量分配的均勻，又使鐵心材料得到了有效利用。

圖3　定子徑向風道分布

2.3通風系統流體場仿真計算

為了獲得各風路的通風流量及分配情況，利用STAR-CCM+流體場仿真軟件對電機的通風結構進行CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真計算。

首先，對電機內風路進行仿真模擬，得到了冷卻空氣的流動情況，如圖4所示。

圖4　電機內風路流動示意圖

結合該電機的軸向-徑向混合通風系統，由圖4可知，冷卻氣體從安裝在發電機底部的冷卻器出來，進入電機，經過轉子鐵心軸向風道依次分配到轉子鐵心徑向通風道冷卻轉子鐵心和轉子線圈，然后通過氣隙進入定子徑向風道冷卻定子鐵心和定子線圈，最后從定子背部流經端部繞組后流出電機內部，進而完成對電機的通風冷卻，降低電機的溫升。

確定了電機內流量流動，對電機內風路的壓強分布、流動速度分布等進行仿真計算，結果如圖5、圖6所示。

圖5　電機內風路壓強分布

圖6　電機內風路速度分布

由圖5的壓強分布可以計算得到，整個風路的風阻約為2453Pa，內風路中冷卻空氣進風處和出風處壓強較大，是開始冷卻時風扇的吹風作用所致，冷卻器將氣體以較大壓強壓入電機內，冷卻空氣在內部結構中通過流通路徑與各種發熱源產生接觸，產生熱交換的空氣從出風口流出。

圖6是通風結構中流量速度分布，通過氣隙的空氣流量為0.135kg/s，為整個空氣流量的5.1%，剩下的大多數空氣均通過徑向風道冷卻定轉子繞組。相對于定子，轉子由于存在軸向風道，大多數冷卻氣體通過轉子軸向通風道流入氣隙直至定子徑向風溝內。因此，轉子處的通風速度明顯要比定子處大，這樣才能保證冷卻氣體的不間斷流動，防止電機各部件溫度發生突變，避免了因溫升而發生故障。

根據各風道內速度分布計算結果，得到從近期端開始從第1道到第17道的流量分配。

由圖7可明顯看出，從第1道至第17道流量速度從-0.05kg/s增大到0.16kg/s，并且不斷呈增大趨勢，流量在各風道的分配并不均勻，這樣將會造成電機內部不同風道位置的熱交換差異變大，溫度差也得不到很好的縮小，達不到好的通風效果。

圖7　轉子徑向風道流量分配

3　通風結構的改進與計算

通過分析可知，雖然各鐵心檔長度并不相等，徑向風道已是不均勻間隔分布，但是電機內各風道流體的分配還是不均勻，就有必要研究冷卻氣體的橫向風路： 軸向風道或者氣隙。傳統的通風改善方式是在氣隙添加擋板，控制進入氣隙的風量，從而改變進入定、轉子內的風量，改善通風效果[14]。但是在氣隙中添加擋板會影響氣隙特性，并且增加工藝難度，對電機的經濟性不利。

3.1轉子軸向風道結構改進

本文所述電機在定子鐵心開有軸向扇形孔，并且為軸向-徑向混合通風系統，冷卻氣體大部分從軸向風道開始進入電機各風道內完成冷卻，所以，本文在不考慮氣隙改變的前提下，對轉子軸向通風孔進行優化設計。如圖8所示，為了限制進入軸向風道的冷卻氣體過多而導致其他部分風量減少而造成的流量分配不均，對轉子軸向扇形通風孔進行數量限制，每隔兩道添加擋板，使風道數從原有的12道變為8道。

圖8　改進后的轉子通風結構模型

3.2結構改進后仿真計算

對改進后的模型進行CFD仿真計算，并且給定與未改進前相同的求解條件和設置，對流體場中控制方程進行反復迭代，得到各通風道內壓強、速度和流量分布。

從圖9、圖10可看出，電機內風路的流量流動情況，電機內風路風阻為2245Pa，通過氣隙的空氣流量為0.14kg/s，為整個空氣流量的5%，剩下的大多數空氣均通過徑向風道。與改進前的仿真結果比較，整個風路的風阻從2453Pa降到了2245Pa，降低了208Pa，約為8%。這樣可以使電機內風路風壓加大，風量增多，獲得更好的冷卻效果[15]。

圖9　改進后電機內風路壓強分布

圖10　改進后電機內風路速度分布

3.3改進前后徑向風道速度的比較

改變轉子軸向風道數量后，流量的流動和分配都發生了一定的改變。由圖9和圖10可知，改進后的通風結構有利于風量的分配和電機的通風冷卻。下面取結構改進后各徑向通風道的局部風速，其分析結果如圖11所示。

圖11　改進后徑向風道流場局部速度分布

通過計算，各徑向風道的流量分配情況如表1所示。

表1　通過各徑向通風道的流量分配

由表1可知各徑向風道流量分配情況。結合改進前的分配曲線和最初設計鐵心均勻排布的曲線，各種情況下流量分配如圖12所示。

圖12　各種結構下徑向風道流量分配

通過圖12對比可知，相對于定子鐵心檔的均勻排布，根據流量大小適當改變通風道間距，可使風道內流量的流動相差變小；而通過改進轉子軸向風道數量，各徑向風道的流量流速更加均勻，最大流速與最小流速差值也變小，這樣可以調整整個鐵心部分的流量分配，使得電機內風路的流量分配更為合理。通過各風道內冷卻氣體的均勻分布，可使繞組各部分的溫升趨于均勻，從而使繞組材料得到最佳利用。

4　結　語

本文通過對2.5MW高功率密度籠型異步風力發電機的通風冷卻系統結構進行流體場仿真分析和計算，提出了一種結構優化方案。通過對電機轉子軸向風道的優化改進，可得到以下結論：

(1) 根據電機內風路不同部位的流量情況，改變鐵心檔長度，即改變電機徑向風道間距，使其根據流量不均勻分配可以使電機內流量的分配更加均勻。

(2) 電機轉子軸向通風道的改變可以改善電機的流量和速度分配。通過改善軸向風道數量和分布情況，使電機各徑向通風道的流量速度均勻分配，也保證電機溫度在內部的均勻分配。

這樣有效解決了該高功率電機由于負荷增大帶來的溫升高等問題，保證了發電機的運行可靠性，延長了電機使用壽命，達到了風力發電機的發展要求。

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Ventilation Structure Optimization Analysis of High Power Density Squirrel Cage Induction Wind Power Generator

ZHANGZhenhai,CHIChangchun,LIANZhengbing,SHAOShiliang

(Institute of electrical, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

Aiming at the ventilation and cooling system, taking a high power density squirrel cage induction 2.5MW wind power generator as an example, the theory of ventilation system and the fluid flow inside the generator was studied and the ventilation structure was calculated in fluid field based on the theory of fluid dynamics. The ventilation structure was optimized by changing the number of rotor axial ducts. The optimal project that the flow and the fluid speed distributed uniformly was reached by comparing and analyzing different optimum proposals. The temperature rise of the generator was limited preferably and the operational reliability of the generator was improved.

ventilation and cooling; high power density; fluid field; axial ducts; distributed uniformly

2014-09-18

TM 315

A

1673-6540(2015)04-0053-05