徑向多結構特征下風力發電機冷卻性能研究

丁樹業 夏壘 劉建峰 王越 劉野

摘?要：為了提升風力發電機的通風冷卻性能，降低其運行時的溫升，以一臺3MW永磁風力發電機為例，結合發電機的通風冷卻性能及結構特點，在基本假設的基礎上，建立發電機定轉子流固耦合的三維物理模型，并給出求解條件。根據流體力學以及傳熱學理論，采用有限體積元法對電機內流體場與溫度場進行了數值計算。同時，對徑向通風溝提出了多種結構方案，并對不同方案下電機內流體流動特性及各主要部件溫升進行了對比分析。研究結果表明：在一定范圍內通過減小徑向通風溝的軸向尺寸，能有效提高電機的冷卻效果。當采用結構方案Ⅲ時，求解域內最高溫升較原模型低6.04K。

關鍵詞：風力發電機;流固耦合;徑向通風溝;多結構

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.011

中圖分類號： TM315

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）06-0057-05

Abstract：In order to improve cooling effects of permanent magnet wind generator and reduce the operation temperature?a 3MW permanent magnet wind generator was taken as an example?physical model of three dimensional stator and rotor fluid-solid coupled was established on the basis of the basic assumptions considering ventilation characteristics and structure feature of generator?and the solution conditions was given.?According to hydromechanics and heat transfer theory?temperature field and fluid field was calculated numerically using finite volume method.?At the same time?some structures were proposed in view of radial ventilation ducts?and the fluid flow performance and main components temperature of different schemes were analyzed.?The results indicate that?by reducing the axial size of the radial ventilation duct can effectively improve the cooling performance of the motor.?The maximum temperature rise in solution was 6.04K lower than the original one when adopt schemeⅢ.

Keywords：wind generator; fluid-solid coupled; radial ventilation duct; optimization

0?引?言

隨著人們對清潔能源需求量變大，風力發電技術在現代工業文明中顯得日益重要，風力發電機正朝著單機容量不斷擴大的方向發展[1]。而隨著發電機單機容量的增加，發電機內部各部件的損耗也隨之增加，導致了電機運行時溫升的提高，直接影響了電機的壽命與運行的穩定性[2]。因此對多種不同通風結構下電機的通風冷卻性能進行研究，找到最優的結構方案，從而降低電機運行時的溫升顯得十分必要。

近年來，專家利用有限體積元法[3-8]，根據流體力學理論對電機內部流體場及溫度場進了卓有成效的研究。文[9]對發電機定子、轉子域內的冷卻介質速度，溫升及運動跡線等流體流變特性做了詳細的分析。文[10]對結構特點為徑向通風方式的雙饋風力發電機內流體流動做了相關研究，得到了發電機內冷卻氣體風速以及其沿軸徑向的分布情況。文[11-13]分別通過改變大型汽輪發電機徑向通風溝數量、尺寸和端部氣隙隔板高度，對其內部傳熱特性進行了數值計算，得到了不同結構下的電機溫升分布。李偉力等基于流體與固體耦合的方法[14-15]，分析了轉子徑向通風溝數量與位置對轉子內流體流動與溫度的影響，以上都為電機內流體場與溫度場的計算奠定了一定的基礎。但是針對風力發電機徑向多結構下結合流體場與溫度場相研究的成果較少，所以結合流體流動與傳熱研究徑向結構對風力發電機通風性能的影響具有一定的工程實際價值。

本文以一臺3MW永磁風力發電機為例，采用有限體積元法、流固耦合模型對發電機流體場與溫度場進行了數值計算與分析。并在此基礎上通過調整定轉子徑向通風溝的結構尺寸，對不同結構方案的計算結果進行了對比分析，給出了最優設計方案。所得結論為永磁風力發電機的通風結構設計提供了理論參考。

1?求解模型與基本假設

1.1?數學模型

當發電機穩定運行時，電機內流體流動屬于定常、粘性、不可壓縮的紊流流動。根據流體力學基本原理，采用標準k-ε湍流模型進行計算，在直角坐標系中可寫出相應的控制方程[16]如下：

1.2?基本假設

為了合理簡化求解過程，做出以下基本假設：

1）電機內流場中，流體流速遠小于聲速、雷諾數Re>2300，將流體看成不壓縮流體，并采用湍流模型對電機內的流場進行求解;

2）只探究發電機內流體流速的穩定狀態，即定常流動，因而控制方程不含有時間項[18];

3）認為渦流效應對每根股線的影響相同，定子繞組端部是直的;

4）槽內所有絕緣的熱性能相同[19];

5）冷卻氣體對整個圓周區域的冷卻效果相同。

1.3?物理模型

根據電機的結構特點及基本假設，取發電機的半個軸向段，周向以發電機定子的一個整槽兩個半齒所對應的圓弧區域為研究對象，建立計算域模型，如圖1所示。

1.4?邊界條件

根據發電機的基本結構以及傳熱特性，求解域內的邊界條件給定如下：

1）內外風路入口均采用速度入口邊界條件，內風路入口速度為4.85m/s，外風路入口速度為33.4m/s，出口采用壓力出口邊界條件;

2）圖1中S1、S2 和S3（軸向中心截面）為絕熱面，其余表面均為散熱面;

3）流體除入口與出口的邊界條件之外，其余與固體的接觸面都設為無滑移邊界。

2?原始結構計算結果分析

通過數值計算得到求解域內流體流速分布如圖2所示。

從圖中可以看出外風路流體流速分布均勻且流速較大，這是由于外風路形狀規則，風阻較小。而內風路中的流體流速分布復雜，在轉子氣腔中，從入口到軸中心處呈不斷下降趨勢。空氣從轉子氣腔進入徑向通風溝中速度有所增加，定子徑向風溝內空氣速度大于轉子徑向風溝中的空氣速度。由于定轉子徑向通風溝比較狹窄，同時存在繞流性物體，流體在定子徑向通風溝出口處出現顯著的渦流。

圖3為整個求解域內的溫升分布圖。從圖中可以看出，定子鐵心及定子繞組溫升較高，而轉子鐵心與轉子磁鋼溫升相對較低。由數值計算結果得到求解域內最高溫升處于定子繞組下層股線上，達到了73.95K，其平均溫升為70.21K。轉子鐵心的最高溫升為35.45K，平均溫升為31.3K，轉子鐵心的溫升略低于轉子磁鋼的溫升。

3?多種結構方案的計算結果分析

3.1?結構方案概述

通過對永磁風力發電機原始結構流體場與溫度場的分析得出，徑向通風溝的結構尺寸對電機通風冷卻效果有著重要的影響。因此，對徑向通風溝結構提出了4種研究方案。方案Ⅰ、方案Ⅱ是在電機沿軸向總長度不變、損耗不變的條件下改變定、轉子徑向通風溝及定轉子鐵心的軸向尺寸;方案Ⅲ、方案Ⅳ是在每段鐵心延軸向長度不變、電機總損耗不變的條件下僅改變定、轉子徑向通風溝的軸向尺寸。4種結構方案的尺寸調整如表1所示。

3.2?不同結構方案流體場的計算與分析

由于電機內各部件的散熱效果受流體流速影響，且定子徑向風溝內空氣流速較大，因此對不同方案下定子徑向通風溝內流體流動情況的分析有重要意義。這里以靠近軸向中心截面的第一個定子徑向通風溝為研究對象，在繞組一側通風溝內做一條采樣直線AB，如圖4所示，得到各方案采樣直線處風速分布情況，如圖5所示。

從圖4中可以看出，不同方案下定子通風溝內流體流速分布趨勢基本一致，最高流速位于槽楔附近，徑向通風溝內空氣速度均隨著徑向高度的增加呈下降趨勢;方案Ⅰ和方案Ⅲ的徑向風溝內流體流速大于原方案，而方案Ⅱ和方案Ⅳ的徑向風溝內流體流速低于原方案。表明在一定范圍內，徑向通風溝的軸向尺寸越小，流體通過時速度越大。

由于冷卻氣體的冷卻效果不僅受其速度影響也與其溫度密切相關，因此考慮空氣的溫度也顯得很重要。圖6為不同方案下定子徑向通風溝內的空氣溫度分布情況。

從各方案徑向風溝內的空氣溫度分布可以看出，繞組尾部區域溫度最高，這是由于定子繞組相當于繞流性物體，氣流在其尾部形成渦流而造成的;方案Ⅰ和方案Ⅲ中徑向風溝內空氣的溫升大于原方案，而方案Ⅱ和方案Ⅳ中徑向風溝內空氣的溫升小于原方案。由計算結果得到原始方案槽底與槽口處氣體平均溫差為10.85K ，方案Ⅰ和方案Ⅲ中槽底與槽口處氣體平均溫差高于原方案，差值分別為11.27K、11.37K，同時這兩種方案中徑向風溝內流體流速也大于原方案，因此這兩種方案中的冷卻氣體經過定子部分能帶走更多的熱量，冷卻效果好于原始方案;方案Ⅱ和方案Ⅳ中在槽底與槽口處氣體平均溫差分別為10.37K與9.98K，且流體流速小于原方案，因此方案Ⅱ和方案Ⅳ的冷卻效果較差。

3.3?不同結構方案電機溫度場的計算與分析

為了更加直觀的看出不同結構方案的散熱效果，取各方案軸向中心截面鐵心段內定子槽中心線位置處的溫升進行對比分析，溫升沿徑向高度的變化曲線如圖7所示（徑向高度：轉子氣腔底部至外風路底部）。

從圖中可以看出，各方案定子槽中心線處的溫升分布趨勢基本一致。徑向高度在0.4m附近區域處空氣溫升略高，這是由轉子氣腔內在此區域的空氣回流所引起的，轉子部分溫升沿徑向變化不大，定子下層股線溫升最高。方案Ⅰ與方案Ⅲ的定轉子部分溫升均比原方案低，同時這兩種方案中定子軛部上方的空氣溫升較大，表明冷卻空氣經定轉子后帶走了更多的熱量，顯然方案Ⅰ與方案Ⅲ的冷卻效果較好，與前面流體分析結論一致。

為了進一步探究不同方案下電機的通風冷卻效果，根據各方案的計算結果，得到了電機內部各主要部件的最高溫升與平均溫升，分別如表2、表3所示。

由表2、3可以看出：

1）不同方案中定子股線處的最高溫升與平均溫升均最高，轉子鐵心的最高溫升與平均溫升均最低;

2）方案Ⅰ、方案Ⅲ中電機內各主要部件的最高溫升和平均溫升與原結構方案相比均有所降低，其中方案Ⅲ降低較多，冷卻效果更好;

3）對比各方案可以發現在一定范圍內，徑向通風溝的軸向尺寸越小，電機的通風冷卻性能越好。

4?結?論

本文以一臺3MW永磁風力發電機為研究對象，對電機徑向多結構特征下電機內的流體場與溫度場進行對比分析，得到如下結論：

1）方案Ⅰ和方案Ⅲ的徑向風溝內冷卻空氣流速高于原方案，冷卻空氣經電機內各主要部件加熱后的溫升也較高，方案Ⅰ和方案Ⅲ的冷卻效果均優于原方案;

2）在合理范圍內通過減小電機徑向通風溝的軸向尺寸能有效提升電機通風冷卻性能，降低電機溫升，從而提高電機運行穩定性以及電機的使用壽命;

3）當采用方案Ⅲ時，電機內各主要部件溫升最低，求解域內最高溫升較原結構方案降低最多，為6.04K，且徑向風溝內風速提升明顯，因此本文建議采用方案Ⅲ。

參 考 文 獻：

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（編輯：關?毅）