船用發電機內部多物理場耦合數值分析

馮國增，姚壽廣，劉 飛，陳 勇

(江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

隨著市場對電機單機容量需求的增大，電機運行過程中的損耗也隨之提升，致使電機運行時的溫升也不斷升高，因此針對電機散熱問題的研究至關重要[1]。電機定子、轉子內部通風溝的存在對電機的散熱起著關鍵性的作用，由于電機結構的復雜性，在過往的研究中，通常將冷卻介質流過流道對電機運行過程中溫度場的影響轉化成散熱系數[2–4]，并在電機溫度場的計算過程中作為邊界條件，且認為冷卻介質在流道內溫度與速度呈線性變化[5]。再者由于電機定轉子之間氣隙內流體復雜的流動情況，多是把電機轉子與定子部分的溫度場分開進行計算[6–8]，把定轉子之間的熱交換轉化為散熱系數加載，且很多是以一個徑向風溝作為研究對象[9–11]，這造成了一定的誤差。

本文通過Fluent對某型船用發電機定、轉子的流場與溫度場進行了耦合數值分析，避免使用經驗公式把冷卻介質對溫度場的影響轉化為散熱系數進行加載，并且同時對電機定子、轉子以及流場流道建立模型，氣隙作為流道的一部分，分別與電機定子、轉子部分發生對流換熱，準確地得到電機通風溝內流體的流動狀態與溫度分布、電機固體部件的溫度分布，并進行分析。

1 物理模型的建立

本文選取的研究對象為某船用發電機，并將電機的定子鐵芯、轉子鐵芯、定子繞組、轉子繞組、內部流道、轉軸作為計算區域，采用三維軟件Pro Engineer 5.0按實際尺寸進行建模，其結構尺寸參數如表1所示。

表 1 電機的基本尺寸Tab. 1 The basic parameters of the marine generator

由于該型船用發電機結構復雜緊湊，在不考慮其端部效應的情況下，需要物理模型做出合理的簡化，進而簡便計算，以下是對該電機模型做出的幾點簡化：

1）分別將發電機的定子鐵芯與轉子鐵芯建立成一個整體。電機的定子鐵芯、轉子鐵芯由硅鋼片在強大的壓力下疊壓而成，使得各硅鋼片之間無縫隙地緊密接觸，可以看作一個整體。

2）分別將嵌于定子鐵芯、轉子鐵芯槽內的定子繞組、轉子繞組當作一個整體處理，由于繞組是由多匝線圈纏繞而成，各線圈之間緊密接觸，所以建模時將其看成是一個長方體的細長銅條。

3）將鐵芯與轉子間的鍵槽忽略。鍵槽結構實現了轉軸和轉子之間的動力傳遞，而其與轉子鐵芯和轉軸采用同種灰鑄鐵材料，而且尺寸比較小，所以忽略鍵槽結構對溫度場的計算結果影響甚微。

4）將定轉子鐵芯以及繞組之間存在細小縫隙忽略，建立物理模型時看作無縫接觸。

根據上述簡化，得到船用發電機整體模型圖，如圖1所示。由圖可知，該型發電機在結構上有著高度的對稱性，并且各個物理場具有周期性分布，轉子12個軸向風道，為了提高計算效率和精度，選擇周向1/12模型（見圖2）進行分析。由于模型的復雜性，為了保證計算的可行性，在保證計算準確性的前提下對發電機的流場與溫度場做如下假設：

1）流場區域

① 發電機采用的是風扇冷卻定、轉子，所以是強制對流。風扇將熱空氣沿軸向抽出，所以冷卻空氣定子的沿徑向流入徑向風道，經過定子與轉子之間的氣隙，然后進入轉子的徑向風道，最后匯聚到軸向風道被抽出，起到了冷卻的作用。

圖 1 發電機整體模型圖Fig. 1 The general model of the marine generator

圖 2 發電機流固熱耦合分析模型圖Fig. 2 The fluid-solid heat coupled analysis model of the marine generator

② 徑向風道的圓柱形結構決定了其高度對稱性，所以假設冷卻空氣從各方向上沿著徑向均勻地輸送到電機內部，各方向的冷卻空氣溫度、流速大小都相同。

③ 本文只考慮發電機在穩定工況下運行的情況，所以假定轉子不轉動。

④ 由于空氣的物性參數在電機運行的過程當中變化不大，對最后計算結果影響較小，可以忽略。

2）溫度場區域

① 忽略定子、轉子繞組外面的絕緣物質，而且繞組作為發電機發熱熱源。

② 繞組產生的熱負荷，均勻的加載到鐵芯上。

③ 由于發電機各部分接觸良好，忽略它們之間的接觸熱阻。

根據以上條件及假設，建立的該船用發電機的模型圖，如圖2所示。

2 網格剖分

本文該船用發電機的結構相當復雜，若取整機模型進行計算，則增加了計算的難度。從建立模型可以看出，該模型高度對稱，因此本文選取了模型的1/12進行研究。模型存在幾何尺寸較小的區域（如定轉子之間的氣隙），為了保證計算結果的準確，采用六面體網格進行劃分。計算區域由流體域和固體域構成，在劃分網格時采用分區劃分。剖分網格圖如圖3～圖6所示。

圖 3 模型整體網格圖Fig. 3 The mesh plot of the physical model

圖 4 流場區域網格圖Fig. 4 The mesh plot of the fluid regin

圖 5 轉子鐵芯網格圖Fig. 5 The mesh plot of the rotors'cores

圖 6 定子鐵芯網格圖Fig. 6 The mesh plot of the stator'score

3 計算模型及邊界條件的確定

3.1 計算模型的確定

本文主要目的是模擬船用發電機的溫度場、流場，而且該模型的流場和溫度場相互耦合，流體域和固體域不僅發生熱傳導，而且發生著對流換熱現象，所以求解動量方程時要耦合能量方程。發電機工作時，其流道內冷卻空氣的風速遠小于當地聲速，流道內的冷卻空氣被看作不可壓縮流體。另外由于空氣的粘性對流場影響較大，所以不能忽略空氣粘度的影響。在參考文獻[12]中，作者根據傳統方法計算得到流體速度，通過計算冷卻空氣的雷諾數，判定冷卻空氣在流道內為湍流，故采用紊流模型對內部流場進行求解，本例選擇 RNG k-ε紊流模型[13]。

綜上所述，通過分析得出，流道內的冷卻空氣為不可壓縮、有粘性、紊流流動的流體，選擇RNG k-ε紊流模型與傳熱模型進行耦合求解。

3.2 邊界條件的確定

針對本文建立的模型，其邊界條件有入口邊界、出口邊界、壁面邊界、耦合邊界和內部熱源5種[14]。其中內部熱源以生熱率的方式加載在鐵芯和繞組上。邊界條件詳細設置如下：

1）入口邊界

冷卻空氣入口的邊界定義為速度入口邊界條件，根據連續方程可以求得空氣入口處的速度為：V=6.87 m/s；入口處冷卻空氣的溫度設為45 ℃。

2）出口邊界

將流場的出口邊界條件定義為壓力出口邊界條件，由于出口處風扇的抽吸作用，根據參考文獻[15]，給定出口的相對壓力為900 Pa。

3）耦合邊界

耦合邊界的設定，模型建立時存在2個體共用一個面的情況，例如冷卻流體與固體對流接觸面，固體與固體之間的導熱接觸面，均需要定義為耦合面，耦合面上能夠實現各個物理量的耦合傳遞。

4）單邊壁面邊界

該電機模型求解域內除了耦合面外，還存在一些面只屬于單個體，即電機物理模型的外表面都屬于這類面。其中由于對稱性，該電機計算域的兩切面為絕熱的邊界條件；其他的單邊壁面與外界環節發生熱交換，所以處理這類壁面的邊界條件時只需定義對流換熱系數即可，由參考文獻[14]的經驗公式計算得：轉子兩端面換熱系數116.18 W/（m2·k），定子外表面及兩端面散熱系數 10 W/（m2·k）。

5）內部熱源

銅損、鐵損以及其他附加損耗是電機運行過程中溫度升高的主要原因。其中定轉子繞組、定子鐵芯是最主要的生熱部件。由參考文獻[14]計算公式分別得到內部熱源載荷的大小，其中定子繞組的生熱率為886 469.975 W/m3，定子鐵芯的生熱率為 33 664.225 W/m3，轉子繞組的生熱率為 197 605.218 W/m3。

4 模擬結果及分析

通過Fluent計算工具對該船用發電機進行流固熱耦合數值模擬分析，采用SIMPLEC算法作為求解器，得到分析結果。

如圖7所示，速度矢量圖顯示流場通道內空氣的流動狀態，其分布符合過流面積越小其流速越大，且在流道出口端的速度最大的規律。

圖 7 流場區域速度分布圖Fig. 7 The velocity distribution of the fluid region

壓力云圖顯示流道內部隨著空氣的流動壓力的變化情況，如圖8所示。從入口端到出口端壓力逐漸減小，符合沿著空氣行程，其流速逐漸增大，壓力逐漸減小的規律，且在出口端壓力達到最低。

圖 8 流場區域壓力分布圖Fig. 8 The pressure distribution of the fluid region

圖9顯示了發電機定子鐵芯、定子繞組、轉子繞組、轉子鐵芯及轉軸、內部流道內流體的溫度整體分布情況，整機模型的溫度介于318 K～394 K，定子以及定子繞組的溫度明顯高于轉子。

圖 9 整體模型溫度分布圖Fig. 9 The temperature distribution of the analysis model

圖 10 定子鐵芯溫度分布圖Fig. 10 The temperature distribution of the stators' cores

圖 11 轉子鐵芯溫度分布圖Fig. 11 The temperature distribution of the rotors' cores

圖10與圖11分別顯示了定子鐵芯以及轉子鐵芯的溫度分布。對比定轉子鐵芯溫度分布云圖，可以看出定子鐵芯兩端溫度較高，最高溫度為394 K，轉子鐵芯的高溫區域則出現在中心區域，并且沿軸方向，沿兩邊減小。定轉子間的氣隙使得定子、轉子表面發生對流換熱，由溫度分布云圖可以看出，定轉子表面溫度發生明顯變化，氣隙與定子繞組和轉子對流換熱熱阻占主導作用，使得高溫區域均出現在靠近氣隙一側。

圖12顯示了發電機內部通道內空氣的溫度分布情況，冷卻空氣流體與各部件表面進行對流換熱，溫度沿流動方向逐漸上升。由于氣隙兩端封閉，空氣流動受阻，造成氣隙中空氣溫度較高，且最高溫度為366 K。傳統的把氣隙的作用作為散熱系數加載于定轉子表面會帶來一定的誤差，并不能很好地反應出實際情況。

圖 12 流場區域溫度分布圖Fig. 12 The temperature distribution of the fluid region

綜上可得，定轉子表面溫度發生明顯變化，定子繞組與轉子鐵芯的溫度最高區域均在靠近氣隙一側。流道內空氣沿著行程方向，速度逐漸升高，壓力逐漸降低。

5 結 語

本文通過對某型船用發電機定子、轉子的溫度場及內部流道流場與溫度場進行了流固熱耦合數值分析，得到如下結論：

1）在以往的三維研究中，大多采用單個鐵芯段與流道作為研究對象進行分析，本文對該船用電機進行整機分析，包括軸向所有的鐵芯段與空氣流道。通過對電機三維流場與溫度場的耦合計算，確定了冷卻空氣在流道內的溫度與速度分布。

2）空氣在定轉子之間的氣隙及內部流道內的流動復雜，壓力、流速分布不均勻，沿著空氣行程的方向，其速度逐漸升高，壓力逐漸降低。

3）定轉子之間的氣隙與定子和轉子的表面進行對流換熱，熱阻主要存在于空氣側，所以高溫區域均出現在靠近氣隙一側，定子鐵芯兩端溫度最高為366 K，轉子繞組中間溫度最高為337 K。

4）本文選取整機作為研究對象，合理簡化模型，將溫度場與速度場耦合計算，計算方法更加合理，計算結果更加可靠，為進一步優化該型船用電機提供了理論依據。