5 MW風機散熱器性能研究及流固耦合流場分析

李欽奉，宋霄，彭海軍

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

齒輪箱潤滑油冷卻系統是風電機組的重要部分，其散熱性能對于保證風機的正常運轉起到關鍵性的作用，因此潤滑油的冷卻問題不容小覷。國內外很多學者利用CFD相關理論知識[1-2]對散熱器風洞試驗進行了深入的研究和分析。張文文等[3]對風力發電機組外圍流場進行CFD分析。林謝昭等[4]對流固耦合數值分析模型進行優化。JANG Jiinyuh等[5]分析了散熱器迎面風速對散熱性能和空氣側壓降的影響。邵強等[6]用矩形翅片式散熱器分析了強迫風冷散熱所需的參考風量。NG E Y等[7]提出了新技術用于散熱器空氣流量的測量。姚登科等[8]通過流場模擬與實測分析了散熱器和風機盤管兩種不同散熱末端的特性以及對室內熱環境的影響。寇磊等[9]利用數值計算的方法分析了百葉窗開窗角度和翅片間距對散熱器散熱性能與空氣側摩擦阻力特性的影響。程鵬等[10]提出風冷散熱器優化設計后的實際結構。

本套齒輪箱潤滑油冷卻系統由油泵電機、齒輪油泵、過濾器、溫控閥、安全閥、散熱器和連接管件等組成，用于提供潤滑系統所需的壓力和流量，并控制系統的清潔度。設備裝有潤滑油散熱器，油泵供油后，潤滑油經過過濾器到溫控閥，溫控閥根據潤滑油的溫度控制潤滑油的流向。當油溫低于25℃時，潤滑油直接進入齒輪箱進行潤滑；當油溫高于25℃時，溫控閥使一部分潤滑油通過風冷散熱器冷卻后再進入到齒輪箱參與工作，但隨著溫度的逐漸升高，通過風冷散熱器的潤滑油流量也相應增大；當溫度高于40℃時，潤滑油全部經風冷散熱器冷卻后再進入齒輪箱。過程中安全閥可以防止高壓對系統造成的破壞。根據風機冷卻系統工作要求，這里分析了風速和潤滑油入口流量對散熱器性能的影響。

1 整體布局

1.1 工作環境

風機往往地處偏僻且環境惡劣的地勢，且多靠近沿海地區。本文風機項目的工作環境為海上鹽霧環境，其具體參數如表1所示。

表1 冷卻器工作環境參數

1.2 散熱器安裝位置

如圖1和圖2所示，風機外部主要由風機葉片、機艙罩殼、散熱器等部件組成，本文研究的散熱器安裝位置位于機艙罩殼的頂端、風機葉片的后部，暴露在空氣中。

圖1 5 MW風機整體圖

圖2 機艙局部放大圖

2 冷卻器表面風速變化規律

由于散熱器安裝于機艙罩殼頂端且位于風機葉片后面，風機的迎面風必須經過風葉擾流之后才能夠傳遞到散熱器的表面，因此，研究風機葉片對周圍風場的擾流情況，對計算散熱器表面的風速具有重要的意義。本文采用無網格流體分析軟件XFlow對整個5 MW風機流域進行分析研究，設定風洞尺寸為500mm×200mm×200mm，并使用地面參數，保持風力機模型坐標系與風洞坐標系一致，通過移動風洞位置保證風機塔柱體底部進入地面。設置+x方向為速度入口方向，風速大小為10m/s，它在空間高度方向需符合冪函數分布規律，入口風速u則可用式(1)表示。

(1)

式中：yref為參考高度；uref為參考高度的速度；y0為地面高度；α為剪切指數。選用默認的湍流模型，流體材料為空氣，體積黏度系數和動力黏度系數保持默認。需要將風機轉子部分的行為設置為剛體動力學屬性，采用自動計算慣性矩方式。根據實際情況，設置轉子質量為10 t，由于是單自由度運動，需要限制移動并解除x方向的自由轉動，壁面采用默認壁面模型，其表面粗糙度為0，塔體部分保持固定不變。設置仿真時間30 s，自定義時間步0.01 s，全局解析度為8 m，采用自適應細化算法，尾流部分細化采用0.5 m的尺度，風機轉子及塔體尾流部分細化同樣采用0.5 m的尺度，幀頻率設置為10 Hz。通過在風冷散熱器表面位置施加探針的監測方式，監測散熱器表面風速的變化規律。圖3所示為風葉在經風吹之后開始轉動，并對周圍的空氣流場進行擾動的情況。風機在10m/s風速驅動下，風葉轉角隨時間逐漸發生變化，如圖4所示。在理想10m/s恒定風速的吹動下，風葉轉動一周所需時間約為3.5s，由此可知風機轉速為17r/min左右。

圖3 風機葉片周圍流場

圖4 風葉轉角變化規律

通過設置探針，監測到冷卻器表面風速呈現如圖5所示的變化規律。從圖中可以看出，風機剛啟動時對尾部產生擾流，散熱器表面風速比較紊亂，當轉速穩定之后，散熱器表面風速呈正弦函數周期性變化，且基本穩定在8m/s～10m/s之間。

圖5 冷卻器表面風速變化圖

3 冷卻器散熱流場數值模擬分析

由分析可知高溫油進入散熱器，經過散熱管道，從出口流出到潤滑系統繼續工作，已知入口油泵的工作流量在70L/min～140L/min，散熱器表面平均風速穩定在8m/s～10m/s，現就定風速變入口流量和變風速定入口流量兩種工作情況對散熱器的整體工作性能展開研究。

表2為材料為AL6061的散熱器相關參數設置。由于本款散熱器具有對稱性且中間散熱管道呈線性排列分布，因此為了便于計算，此次截取中間3條管道進行數值模擬分析，邊界采用對稱邊界條件，網格采用ICEM CFD進行結構體網格劃分，網格數量172萬，如圖6所示。

表2 散熱器相關參數

圖6 網格劃分圖

3.1 穩定風速下變入口流量情況

設置入口風速穩定在9m/s，溫度控制在274K。現就入口油泵的工作范圍，將高溫潤滑油的入口流量分別設置為70L/min、100L/min、140L/min，入口油溫為320K，得到散熱管道內部流域溫度分布云圖，如圖7所示。

圖7 潤滑油3種入口流量下溫度分布云圖

由圖8可知,在散熱器表面穩定風速9m/s下，高溫潤滑油的入口流量分別為70L/min、100L/min、140L/min時，散熱器的出口平均溫度分別為293K、297K、300K，即19.85℃、23.85℃、26.85℃。當風速恒定時，隨著潤滑油入口流量的增大，其出口溫度也相應增高，散熱器的工作效率降低。雖然均能夠滿足工作潤滑的需求，但是當溫度>25℃時，潤滑系統中的溫控閥開始工作。為提升整體工作效率，風速穩定在9m/s時，高溫潤滑油入口流量低于140L/min為最佳選擇。

圖8 潤滑油3種入口流量下出口平均溫度

3.2 穩定入口流量下變風速情況

設置潤滑油入口流量穩定在100L/min，溫度控制在320K，風洞入口風速分別為8m/s、9m/s、10m/s，其溫度控制在274K，分析得到不同風速下散熱管道內部流域溫度分布云圖，如圖9所示。

圖9 3種入口風速下潤滑油溫度分布圖

由圖10可知,在高溫潤滑油入口流量穩定在100L/min的時候，對于8m/s、9m/s、10m/s的入口風速情況，散熱器的出口平均溫度分別為299K、297K、292K，即25.85℃、23.85℃、18.85℃。在入口風速8m/s，潤滑油入口流量100L/min時，散熱器的出口溫度高于25℃，此時溫控閥即將開始工作。為提升整個潤滑系統的工作效率，建議低風速時采用較低的入口流量。當潤滑油入口流量恒定時，隨著入口風速的增加，散熱器的出口平均溫度越低，散熱效果越好。

圖10 3種入口風速下出口平均溫度

4 結語

本文運用CFD流體軟件對5 MW風機潤滑冷卻裝置的性能進行數值模擬分析，并分析在不同情況下散熱器的

工作狀態，研究散熱器的散熱性能，具體歸結如下：

1) 利用無網格流體分析軟件XFlow對5 MW風電機組在10m/s風速下進行模擬分析，獲取風機葉片在風力驅動下的轉動特性和17r/min轉速，并通過在機艙罩頂部風冷散熱器表面施加探針方式，監測散熱器表面風速的變化規律，并確定風經風葉擾流后流至冷卻器表面風速穩定在8m/s～10m/s之間。

2) 基于CFD技術監測高溫油液在冷卻器內部的散熱效果及整體的溫度變化規律，并通過分析定風速變流量和定流量變風速兩種情況，得出穩定風速下：潤滑油入口流量越小，散熱器出口溫度越低，散熱效果越好；穩定流量下，散熱器迎面風速越大，散熱器出口溫度越低，散熱效果越好。