杜 亮，趙 晶，閻明印，王世杰

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

近些年來，風能已成為一種高效便捷且符合綠色環保的新型能源，但中小功率風電機組內部空間布局緊密、發熱設備較多，這部分熱量都基本耗散在機艙內，會對機組整機和部件穩定運行帶來一些問題，所以機艙的內部環境溫度一直是行業內需要解決的問題之一。目前普遍采取的措施是限功率運行或停機保護，這樣不僅浪費了風能資源，降低了機組的可利用率，而且過高的溫度也會影響周圍敏感部件(電線、油管道、橡膠件等)的性能，出現老化速度加快、電路接觸不良、零部件磨損加劇、潤滑油性能變差等現象。

目前國內外學者在風力發電機艙散熱問題上已經進行了一定的研究，在國內，有對機艙內發熱部件的獨立研究，如齒輪箱冷卻系統的研究，也有對機艙內流場和溫度場的仿真模擬。本文針對某1.5 MW風力發電機艙的通風系統,運用理論分析和數值計算相結合的方法進行數值模擬，找出原有機艙內溫度異常的區域并得出冷卻氣流流速和方向的變化，以便提出改進方案，從而提高艙內的散熱性能。

1 原有機艙布局

某1.5 MW風力發電機機艙內有齒輪箱、發電機、控制柜、齒輪箱散熱器、各種支架及管道線路等部件，各部件縱橫交錯，十分復雜，但布局緊湊，如圖1所示。

圖1 風力發電機機艙內的布置

2 建立機艙三維模型

為了能夠得到比較準確的仿真結果，需要對模型進行合理的簡化：①模型盡量保留機艙內的所有發熱部件(齒輪箱、發電機、電控柜等)，這些設備按照實際大小尺寸進行設置，外形簡化為簡單的幾何形狀，忽略復雜的細小結構，如一些凸臺、倒角等裝飾特征；②考慮到計算機的性能及工作量，適當省去對空間氣體流動產生作用較小且對溫度影響不大的部件和管線。簡化后的機艙模型如圖2所示。

1-電控柜；2-上方端蓋出口2；3-風扇；4-風扇散熱通道；5-上方端蓋出口1；6-前端輪轂間隙進風口；7-前底座；8-齒輪箱；9-發電機

由于艙內的空氣流動是自然對流和強迫對流共同作用的湍流對流換熱問題，艙內的流動是低速流動，為了獲得準確的模擬，做如下假設：①艙內整個流場的空氣流動為穩態湍流，忽略控制方程中的時間項；②計算域中的流體為不可壓縮流體且密度符合Boussinesq假設，且不考慮重力的影響；③不計艙內空間空氣與各部件壁面間的輻射傳熱。

3 求解方法設置及邊界條件

由于機艙內部結構相對復雜，且空氣流動會受到艙內零部件幾何邊界的影響，可能多處存在渦旋等現象，為了準確模擬艙內流場情況，采用帶有旋流修正的Realizablek-ε模型。在此基礎上，控制方程采用有限體積法和網格交錯法進行離散，計算時采用壓力修正法即SIMPLE來求解壓力與速度的耦合問題，湍流動能、湍流耗散項和動量方程都采用二階迎風差分格式。具體的邊界條件如下：

(1) 進口邊界設定為Velocity-Inlet速度入口邊界。

(2) 流場出口設置為Pressure-Outlet壓力出口，默認大小為0 Pa。

(3) 艙體內部的發熱部件(齒輪箱、發電機與控制柜)通過其表面散熱，根據第二類熱邊界條件采用熱流密度邊界條件，散熱量除以總的散熱面積可以得到熱流密度。

(4) 風扇運動數學模型選用MRF模型，只需設定其運動的相對坐標、轉軸及轉速(Rotation Speed)等參數即可模擬旋轉區域。

4 流場分析

圖3為仿真得到的機艙內部氣體的流動狀況。空氣從前部輪轂間隙進入機艙，之后由上方各個出口部分排出機艙。從圖3中可以清晰看出，機艙前端形成多處繞流，阻礙了空氣流動，并且空氣流動主要集中在前底座外圍，只有很少的氣體流向機艙底部及尾部；艙內空氣在越靠近風扇的位置運動越劇烈，速度也越快，由于風扇的抽吸及頂部的出風口，使得機艙頂部的氣流比底部的氣流要多且密集，并且速度快；齒輪箱位于前底座內，由于前底座的分隔，冷卻氣流很難流向齒輪箱，只有極少量的氣體流向齒輪箱表面，齒輪箱產生的熱量沒有被及時帶走，不利于齒輪箱散熱。

5 溫度場分析

仿真得到的電控柜表面、發電機表面和齒輪箱表面溫度分布分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖3 機艙內部氣體的流動狀況 圖4 電控柜表面溫度分布

電控柜位置處于機艙尾部，由圖4可以看出，由于機艙尾部距離進風口偏遠，冷卻氣流不易到達，形成通風死角而又靠近發熱部件，氣體流動性較差，熱氣流不能及時排除，導致了局部區域溫度達到33.5 ℃左右；同時冷空氣會把齒輪箱產生的部分熱量帶到機艙尾部附近，下部的冷空氣無法正常流入機艙尾部區域，呈現出左側溫度明顯高于右側的狀態。

圖5 發電機表面溫度分布 圖6 齒輪箱表面溫度分布

由圖5可以看出，發電機表面溫度分布比較均勻，靠近電控柜一側溫度較高，最高溫度達到39.5 ℃，發電機和電控柜之間空間狹小，冷空氣無法到達，熱量不能及時散開，積聚在表面，形成高溫區域；發電機上方存在出風口，有利于艙內散熱。

由圖6可以看出，齒輪箱前端優先接觸冷空氣，表面的熱空氣在冷空氣帶動下向后運動，由于氣體流速越來越小，導致部分熱氣流停滯在前底座內，這部分氣體溫度很高，使該區域出現反復的升溫，從而形成積熱，最高溫度達到了約60 ℃，超出了預定的目標溫度，所以這樣不利于齒輪箱的散熱，影響整個風力發電機的正常工作運行，該區域熱空氣排出不及時，造成部分高溫氣體的積聚，大部分表面的溫度在40 ℃左右，呈現出兩端涼、中間熱的狀態，導致整個機組不能正常運行。

通過以上計算與分析發現：機艙內設備溫度較高，特別是齒輪箱表面出現局部高溫區域，現有的通風結構不能完全滿足齒輪箱的散熱要求，因此必須要對機艙的通風散熱結構進行改進。

6 機艙散熱結構改進及仿真分析

本文采用在機艙底部增設一個進風口，并在不影響前底座機械安裝的前提下，在其側面開一個方口，以增加冷空氣的流量和氣體流動速度，使其能夠與機艙前底座內堆積的熱氣體進行熱量交換。改進后的機艙幾何模型如圖7所示。

1-進風口；2-前底座

運用相同的分析條件對改進方案進行仿真分析，得到的機艙流場分布和齒輪箱溫度分布如圖8、圖9所示。機艙結構改進前、后性能對比見表1。

圖8 改進后機艙流場分布 圖9 改進后齒輪箱表面溫度分布

表1 機艙結構改進前、后性能對比

由圖8可以看出，改進后明顯增加了艙內整體的冷空氣流量，流速也明顯加快，齒輪箱與發電機中間區域及齒輪箱周圍的冷空氣流量增多，特別是流過齒輪箱表面的冷空氣較改進前增多，積聚在表面的熱量被及時散開進行熱量交換，同時也使通風不易到達的地方氣體流量有所改善，加強了熱空氣的流動和置換，溫度分布均勻，有利于機艙散熱。

由圖9可以看出，在機艙底部增加進風量后，齒輪箱溫度有明顯的下降，可以清楚看出表面的高溫區域占據整個表面區域的極小部分，大部分溫度維持在49.6 ℃左右，整個表面溫度分布均勻性顯著，局部溫度集中也得到了改善，大約降低了10 ℃左右，改進后的通風散熱結構使艙內的齒輪箱處于適宜的工作溫度。

7 結語

本文利用CFD技術對機艙內流場和溫度場進行數值計算，得到機艙內流場和溫度場分布，能量化地判斷出艙內溫度異常的位置，為艙室結構的設計和艙室內設備的布置提供了有效的參考。改進機艙底結構后，艙內齒輪箱區域及機艙尾部區域的散熱效果有了明顯改善，不同部件的表面溫度下降了約6 ℃～10 ℃。

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