風電機艙溫度場-流場仿真及優化研究

華電河南新能源發電有限公司 李 強 索連帥 劉征遠 朱文會 華電電力科學研究院有限公司 楊 帥 張銀龍

1 前言

風電是一種具有巨大潛在發展和相對成熟的可再生能源。對減少溫室氣體和應對氣候變化的新形勢下，風能受到了世界各國的高度重視。隨著風電裝機容量的高速擴大，它給企業帶來了非常其明顯的經濟效益和社會效益，但同時也面臨著一系列的設備問題，如齒輪箱、發電機、控制柜產生的熱量大量積聚，至使機艙內溫度不斷上升的問題已經出現了多年，相關人員還沒有找到經濟有效的處理辦法，因此尋找可靠有效的散熱方法的非常必要的。

沈陽工業大學閆闖[1]等人針對目前風電機組單機容量提升所帶來的機艙溫升問題，以目前市場上廣泛應用的機艙類型作為研究對象，尋求通過對機艙內的氣流組織進行優化，實現降低機艙內的平均溫度，優化溫度場分布，削弱多熱源間的影響，增強機艙的散熱性能的目的，對通過改變風電機艙結構達到最佳散熱效果具有參考意義。

陳子新[2]等人通過對風電組機艙內的主要熱源分析，提出了一種基于自動控制的智能控溫系統。分析了散熱槳葉在不同功率下，機艙內氣流對散熱性能的影響。對優化機艙內流場具有參考意義。

應華冬[3]等人以存在散熱問題的機組作為研究對象，從科學的重新規劃氣流組織，降低系統吸風阻力等方面入手，對機組的散熱系統進行改造。同時用計算機輔助軟件對改造結果進行評估，驗證了良好的改造結果，為機艙散熱性能優化提供了依據。

馬鐵強[4]等人在以散熱布局結構優化中發現“下送尾排”式機艙散熱布局結構的基礎上，提出了“下送側排”式、“側送尾排”式和“側送側排”式3種機艙散熱布局結構；然后通過改變送風口與排風口的位置，運用CFD軟件對4種機艙散熱布局結構進行溫度場數值模擬。

由于強對流風冷在目前風電機艙散熱系統中運用十分廣泛，所以國內文獻中的大部分學者都是通過有限元分析建立流速場和溫度場[5]，在比較溫度效率值找出最佳散熱方案的，以上文獻均有提到通過改變進/排風口數量、尺寸，選取不同表面等方法優化氣流質量改善溫度場分布不均引起的“熱短路”問題。由于以上文獻已做過大量數據分析和比對。結合以上文獻基于“下進側排”方式，發現在齒輪箱上方隔板可以有效的解決機艙尾部“熱短路”的問題，并再文獻原有散熱性能上得到大幅提升。

N Kang[6]根據某3MW風力發電機組的機房結構、環境運行要求以及各部件的散熱情況，對其機房的熱平衡進行了研究。對機艙熱負荷進行了分析，建立了基于有限體積法的物理模型。

Ningqiang Shi[7]設計了一種散熱系統。確定了換熱器與散熱器的組合結構，以及內外循環隔離換熱的散熱方式，提出了以西門子PLC為核心的控制方法和運行方式，采用計算流體力學方法設計了散熱系統的空冷換熱器和液冷散熱器。

本文主要通過有限元仿真模擬的方法，對風電機艙內的不同結構布局來改變機艙內的氣流組織情況，得到不同情況下的機艙溫度場云圖，通過對溫度云圖的分析優化機艙散熱、降低艙內平均溫度、削弱由于機艙呈軸線布局結構帶來的局部熱量積聚問題。該方法可以通過改變機艙結構及布局影響流速場的變化，在通過散熱系數可以直觀地分析出氣流對于散熱差異，大大的降低了實驗成本和分析難度。

2 散熱問題評價方法與有限元方法理論基礎

2.1 風電機艙傳熱方式

2.1.1 熱傳導

物體各部分之間不發生相對位移時，依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱能傳遞稱為熱傳導，熱傳導的規律總結為傅里葉定律：

式中：q—熱流密度，W/m2；λ—導熱系數，W/（m·K）；“-”表示熱量流向溫度降低的方向。

導熱系數λ是用來表征物體材料導熱能力優劣的物性參數。不同材料的導熱系數一般不同，同種材料在不同溫度條件下其導熱系數也會隨溫度變化而變化。一般情況下金屬材料的導熱系數最大，液體次之，氣體最小。當材料導熱系數隨溫度變化不大時，可以將導熱系數做常數處理。

2.1.2 熱對流

熱對流是由于流體的宏觀運動而使各部分流體產生了相對位移，導致冷熱流體相互摻混產生熱量傳遞的過程。對流傳熱可分為兩大類：流體冷熱部分密度不同而引起的自然對流；泵、風機和其他壓力差造成的強制對流。對流傳熱用牛頓冷卻公式表示為：

式中，q—熱流密度，W/m2；h—表面傳熱系數，W/（m2K）；ΔT—壁面和流體的溫度，℃。

2.1.3 熱輻射

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。熱輻射特點是可以在真空中傳遞，采用斯忒藩-玻爾茲曼定律來計算表面輻射傳熱的情形。

式中：Φ—熱流量，W；ε1—物體的發射率，其值總是小于1，與物體的類別和狀態有關；σ—斯忒藩-玻爾茲曼常數，其值為5.67×10-8W/（m2K4）；A1—輻射面1的面積，m2；T1—為輻射面1的絕對溫度，K；T2—為輻射面2的絕對溫度，K。

2.2 機艙散熱性能評價方法

2.2.1 基于溫度效率的機艙散熱性能評價方法

基于溫度效率的機艙散熱性能評價方法[8]，已知空氣溫度變化負荷分為兩部分：顯熱指無相變的溫度變化；潛熱指相變熱。

溫度效率指顯熱交換效率，也稱顯熱回收效率。風電機艙的溫度效率越高其散熱能力越強。

式中：Te—排風口溫度值；T0—進風口溫度值；Tz—機艙內的平均溫度值。

2.2.2 基于溫度值標準差的機艙散熱性能評價方法

溫度標準差指所有的溫度結果與平均溫度值的分散程度[9]，若溫度標準差越大說明機艙內溫度場分布不均勻，反之則說明機艙內大部分溫度與平均溫度值相近，其溫度場分布情況也越好。

式中：σ—標準差；μ—溫度的算數平均值；N—選取對比溫度節點數；x—選取節點溫度。

2.3 仿真過程中有關單元的有限元方法

2.3.1 有限元微分方程

在機艙傳熱模擬的過程中，使用的有限元計算微分方程如下[10]：

q—單位體積的熱生成；hf—對流換熱系數；TB—計算流體溫度；δT—溫度的虛變量；S2—熱通量的面積；S3—對流面積

2.3.2 氣流組織控制方程

機艙內氣體的流速一般約為3m/s，風電機艙內氣流組織的統一控制方程如下。

（1）機艙內氣體為不可壓縮流體，滿足流體連續性方程：

（2）機艙內氣體在各個速度分量方向上，滿足動量守恒方程：

（3）不考慮機艙內氣體的黏性耗散，滿足能量守恒方程：

式中：u—艙內氣體瞬時流速；p—氣體壓力；cp—氣體比熱容，λ—氣體傳熱系數；T—氣體溫度。

（4）艙內氣體湍流模型

已知雷諾數是判斷氣體為層流還是湍流的無量綱數，其數值為慣性力與粘性力的比值。由于風電機艙內部件眾多，自然環境中空氣的粘性力很小，在風電機艙內進行強制對流的情況下機艙內部呈現為湍流狀態，所以在風電機艙內空氣流動的仿真分析中采用k-epsilon湍流模型：

式中：Gk—氣體層流速度梯度所產生的湍流動能；Gb—浮力產生的湍流動能；YM—可壓縮氣體流動由湍流導致的波動，此處研究氣體為不可壓縮流體故此處忽略不記；Sk、Sε—用戶定義的源項，通常也忽略不計；?k、?ε—為方程k和方程ε的湍流普朗特數。

2.4 網格劃分的誤差

在穩態問題研究中，對網格的劃分會影響到計算結果。已知在實際情況中，穩態的實際溫度要高于網格上結點溫度，當網格劃分越密集其計算結果與真實溫度越接近，但計算量也隨之增大，且當網格增加到一定值后對計算結果并無明顯影響，故不需要對網格進行過細的劃分，增加額外的計算量。仿真模擬存在誤差，故網格的劃分需要根據實際情況改變。

2.5 風電機組傳熱模型

利用軟件建立風電機艙流固耦合傳熱模型，主要分為以下幾個步驟：機艙模型的建立、材料的選擇、固體和流體傳熱邊界條件設置、湍流條件設置、網格劃分、物理場選擇、求解計算設置。

為合理簡化求解，根據機艙環境溫度、絕對壓力、送/入風口設定邊界條件。若邊界條件不合理會直接影響分析結果。

3 風電機組高溫原因分析

由于齒輪箱的阻隔作用，齒輪箱后面的流場呈現較明顯的分割效果，使得氣流流通效果差。綜合來看風電機艙艙內空氣流動性較差，機艙內平均流速約為1m/s，由于流體流動總是沿著阻力最小的方向進行，導致冷卻空氣沒有與齒輪箱和發電機等發熱部件充分接觸后就排出機艙，造成了熱短路的問題。

4 改進措施及效果

4.1 增設擋流板

當機艙內的空氣進入機艙后，大部分氣流通過機艙頂部的流道流出機艙，使得齒輪箱、發電機和控制柜區域氣流流量較小造成氣流的短路。合理的機艙內部空氣流動路徑應使得冷卻空氣多流經熱源表面，針對機艙上部氣流組織短路問題在其上部設置導流擋板，改變機艙內空氣流動路徑，優化機艙散熱。

在加入導流擋板后冷卻空氣從機艙底部進入帶動周圍空氣流動，在機艙頂部由于導流擋板的作用，冷卻空氣從齒輪箱后部向下流動，然后經過發電機與控制柜區域，最后在機艙尾部艙口流出。

由圖1可以得出加入導流板后機艙殼體的溫度為20.37℃，機艙內氣體的平均溫度為20.83℃、齒輪箱的溫度為64.31℃、發電機的溫度為67.34℃，加入導流擋板之前各個部分溫度均有顯著的下降，由機艙內空氣流道的改變，使得冷卻氣流盡可能的流經熱源流動阻力加大，此時機艙內空氣的平均流速約為1.19m/s。

圖1 加入導流板后機艙內空氣與機艙殼體溫度場

5 結語

5.1 結論分析

由模擬仿真可知，在機艙底部加送風口、對齒輪箱底部加裝導熱片和在機艙頂部設置導流擋板的方法，使齒輪箱及發電機的熱量明顯降低，提高風電機艙散熱的能力。需要注意的是增加的送風口風速不能大于機艙內主氣流的風速，避免兩股氣流在機艙內相互沖突無法表現出對機艙內散熱能力的提升。

5.2 建議

本文通過增加隔板改變了氣流路徑，使冷卻空氣成功流經控制柜和發電機，解決了由齒輪箱阻擋冷空氣無法到達機艙尾造成熱短路的問題，但無嚴謹的數學模型對進/排風口的大小，位置及送風量進行計算，如：進風口的位置不僅決定了冷卻空氣進入機艙后的流通路徑，也決定了冷卻空氣的氣流組織狀態。如果進風口位置不合理，則會引起高強度的湍流，導致高溫氣體在機艙內滯留，難以排除機艙外。所以在對機艙氣流組織布局設計時，應進行嚴謹的數據計算；進風口的進風量與尺寸相關，當進入機艙的冷卻空氣流量一定時，進風口尺寸的增大將引起進風速度的減小，進風口尺寸的減小將引起進風口風速的增大。所以應當通過嚴謹的數學模型及分析選出最合理的方案。