水冷冷卻器散熱風扇角度優(yōu)化的研究

國華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風電有限公司 黃 凱

隨著新能源技術(shù)的突破發(fā)展，風力發(fā)電機組額定功率越來越大[1]，風電已經(jīng)進入后市場時代，早期變流器設計時沒有充分考慮到國內(nèi)的運行環(huán)境，加熱、除濕、防塵，散熱設計存在缺陷，變頻器發(fā)熱量越發(fā)增大。除此之外，外企對我國地方電網(wǎng)高諧波沒有充分考量，對于我國國情的適應能力、適應強度均不夠,難以妥善適合風力發(fā)電場運行環(huán)境。

近來隨著國內(nèi)風電技術(shù)的穩(wěn)步進步，國產(chǎn)化替代趨勢興起推動了風電行業(yè)技術(shù)研發(fā)，通過賀德克水冷系統(tǒng)外散熱器扇葉國產(chǎn)化替代，減少機組因散熱系統(tǒng)故障而導致的停機事件發(fā)生，提高機組的發(fā)電能力，降低設備總體維護成本，提高機組可用率，保證機組安全可靠運行。眾所周知變流器功率模塊受到的負載越來越大，從而產(chǎn)生的熱量也越來越多，高溫直接影響風電機組中電子元器件的使用年限，大大降低元器件使用壽命，特別是變流器中IGBT模塊。

根據(jù)客戶反映，每年夏季高溫季節(jié)全功率變流器頻報“變流器網(wǎng)側(cè)逆變器溫度高故障”，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，水冷系統(tǒng)的外散熱器冷卻效率低、系統(tǒng)管路堵塞、溫控閥失效、柜體環(huán)控系統(tǒng)失效都會導致變流器功率模塊高溫告警，直接影響風力發(fā)電機組出力，影響風電場發(fā)電效益，同時給現(xiàn)場運維人員帶來極大困擾。所以大功率風電機組變流器的散熱冷卻問題是迫切需要解決的。該系列風扇的應用非常廣泛，可靠性和耐久性是兩個最重要的參數(shù)，用于礦用卡車之類的工程機械冷卻總成。

關(guān)于導致風力發(fā)電機組變流器過溫問題的原因，我們針對性的進行了系統(tǒng)性研究，對其的外散熱器效率低問題進行剖析，發(fā)現(xiàn)原水冷系統(tǒng)外散熱器扇葉存在設計缺陷。冷卻風扇在運行過程中扇葉高速旋轉(zhuǎn)，空氣高速從扇葉間隙中流過，扇葉兩側(cè)形成壓力差，可將冷卻器中的熱量帶出，實現(xiàn)散熱功能。目前市場上扇熱風扇主要分為兩種形式，一種為軸流式風扇，另一種為徑流式散熱風扇，即氣體運動方向沿軸向的是軸流式，延徑向運動的為徑流式。還有一種不常見的形式，異性風扇旋轉(zhuǎn)過程中氣體運動方向同時存在于軸流式和徑流式之間，我們稱之為斜流式風扇，主要應用在鐵路、礦山行業(yè)中。

目前市場上運行風力發(fā)電機組水冷變流器冷卻系統(tǒng)工作原理如下[2]：在高壓循環(huán)泵的作用下恒定壓力和流速的冷卻水源源不斷流經(jīng)發(fā)熱的變流器模塊帶走熱量，溫升冷卻水由高壓循環(huán)泵的進口經(jīng)冷卻器與冷空氣進行熱交換[3]，散熱后冷卻水再循環(huán)進入發(fā)熱的變流器模塊。冷卻器在水冷散熱系統(tǒng)中作用尤為重要，其散熱效率低下嚴重影響變流器散熱，直接導致風力發(fā)電機組變流器出現(xiàn)過溫故障停機，并且加速變流器內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)件老化進程。

早期引入到國內(nèi)的散熱風扇設計廠家忽略冷卻器堵塞問題，還是采用進口原圖的波紋設計。國外的散熱風扇廠商在設計風扇時是以建立理想的阻力水平，控制空氣的流速為設計條件，這樣的設計形式是有利于空氣在波紋葉片上充分流動的。國外設計的波紋扇葉往往都有破壞邊界層流的設計，這也是為了增加冷卻器的換熱能力而做的專門設計。同時，國外的設計條件會要求冷卻器比較清潔，如果顆粒度偏高會影響氣體流動，從而扇熱性能降低。

1 影響外置冷卻器散熱效率的研究

影響外置冷卻器散熱效率的主要原因包括風扇角度、電機功率、散熱片堵塞程度等[2]。其中電機根據(jù)機組配置已確定，更換成本較大；同時運維人員在正常維護過程中會定期清洗散熱片，影響程度不大；風扇在設計初期無預留角度無法調(diào)節(jié)，所以通過更換新制風扇、優(yōu)化旋轉(zhuǎn)角度、增加通風量從而提升冷卻器散熱效率。如果完全更換冷卻器總成，成本巨大。另外扇葉參數(shù)對性能的影響主要有一下幾個方面：

葉片曲率：在一定范圍內(nèi)，葉片曲率越大，相同轉(zhuǎn)速下氣體動能也就越大，即風量與風壓越大；同時，葉片所受的阻力也越大，要求電機的扭力更大；葉片傾角：傾角越大，葉片上下表面間壓力差越大，相同轉(zhuǎn)速下風壓越大。但上表面壓力過大，可能產(chǎn)生回流現(xiàn)象，反而降低風扇性能，因此葉片傾角也應在一定限度內(nèi)提升；葉片間距：葉片間的距離過小，會導致氣流擾動，增加葉片表面的摩擦，降低風扇效率。葉片間的距離過大，則會導致壓力損失增大，風壓不足。

葉片數(shù)目：各種規(guī)格風扇葉片的截面曲線、傾角等基本相若，每片葉片寬度往往取決于扇葉的高度。為了保證葉片間距不致過大、影響風壓，徑高比較小（即相對較薄）的風扇多采用增加葉片數(shù)目的方法彌補；葉片弧度：扇葉除了在截面上具有一定曲率外，在俯視平面內(nèi)也并非沿著徑向筆直延伸，而是向著旋轉(zhuǎn)方向略有彎曲，呈一定弧度。如果葉片沿徑向筆直延伸，風扇旋轉(zhuǎn)所帶動的氣流在出風口一側(cè)將呈散射狀，送風距離短，且“力量”不集中。如現(xiàn)行產(chǎn)品版略帶弧度，則可保證吹出氣流集中在出風口正前方的柱狀空間內(nèi)，增加送風距離與風壓。

葉片光滑度：這是一項非設計因素影響的指標，基本上取決于生產(chǎn)者的模具成形與后期處理工藝。在設計曲線之外，葉片上的不平整會在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生紊流，增加摩擦，降低風扇效率，折損風扇性能，增大工作噪音；葉端間隙：如何調(diào)整扇葉與外框之間所存在的間隙是風扇設計中的一大難題。間隙過小會令此間氣流與葉片、外框發(fā)生摩擦，增大噪音。增大間隙則會由于反激氣流等影響而降低風扇效率。

葉片阻力：外翅道在運行數(shù)年后被塵土和植物纖維污染物完全阻塞，阻塞后很難清洗。配套的風扇全壓低，在翅道發(fā)生阻塞后風量迅速減小，當冷卻器的迎面風速值低于3米時，冷卻功率不足。迎面風速低還導致空氣通流速度低，自清潔污染物的效果很差。內(nèi)翅道阻力值高，結(jié)構(gòu)緊密。受到空氣中顆粒物的阻塞影響，氣體的運動流量逐步減低。冷卻器熱源和冷源兩側(cè)的流量均不可逆的減少，冷卻器的運行功率已不能滿足齒輪箱油液冷卻需要。

抗污能力：風機冷卻器內(nèi)各個接頭部位的漏液、冷卻液揮發(fā)和空氣中的顆粒物雜質(zhì)等污染源均需要經(jīng)冷卻器通過。長時間污染物的積存會阻塞外翅道通道截面，導致空氣通流量明顯減少，冷卻器工作功率下降后無法滿足設計功率，不能滿足風機多年運行后總發(fā)熱量增加后新的功率需求。在炎熱天氣時，外置冷卻器接受大量的太陽輻射熱量，冷卻器溫度升高，整體熱負荷增加很明顯。進入冷卻器的新風溫度升高，冷卻器進出兩側(cè)溫差減小，冷卻器的運行功率不達標。

2 技術(shù)方案

風扇結(jié)構(gòu)。葉片采用玻纖增強聚酰胺材質(zhì)，耐溫-40℃～110℃，耐腐蝕、重量輕，高原、海洋環(huán)境設備中正常使用壽命5年以上。將原風扇葉片角度由25°改為35°，增加通風量從而提升冷卻器散熱效率。原冷卻風扇扇葉容易形成局部渦流，所以在選配扇葉時應根據(jù)風冷卻器功率水平和特點選擇風扇型號，選型不精確直接導致風扇的性能不能完全發(fā)揮出來，通風量不足，散熱器的整體能力也就滿足不了系統(tǒng)散熱需求。在風扇功率滿足要求的情況下，增大扇葉角度更容易形成效應。常見的冷卻器外形大多為矩形，而風扇有效工作面出口是個圓形，原來設計中是為了均衡氣體流經(jīng)面積，雖然風扇的吸風平面距離冷卻器的外面存在安全距離，但還是會在方形的風扇罩內(nèi)形成渦流效應，影響散熱效率。

外部環(huán)境。在風機運行期間，散熱器也會吸入大量的輻射熱。空氣中污染物主要是灰塵，植物纖維性的污染物較多。當冷卻功率不足時，迎面風速低還導致空氣通流速度低，自清潔污染物的效果很差。受到空氣中中顆粒物的阻塞影響，氣體的循環(huán)流量逐步減低。冷卻器熱源和冷源兩側(cè)的流量均不可逆的減少，冷卻器的運行功率已不能滿足水冷系統(tǒng)冷卻需要。當單位載荷值較低時，冷卻液氧化后比熱容減小，攜帶熱量的能力減弱，潤滑特性惡化，同樣載荷條件下氣體運動過程中沖擊增加。這也會導致冷卻液的攜帶熱量的能力減弱。如果冷散熱器生了污染和外翅道阻塞，阻力水平繼續(xù)升高，風量會繼續(xù)減小。風量減小會導致冷卻器的工作功率明顯降低。

圖1 風扇結(jié)構(gòu)圖

風扇選型。其最重要的環(huán)節(jié)是根據(jù)冷卻器的運行阻力來選配風扇，配置的風扇不能只滿足冷卻器的需要，還要兼顧電動機的需要。波型的扇葉更容易引起旋轉(zhuǎn)區(qū)拐點的局部阻力渦流，所以在選配風扇時根據(jù)風扇罩和流程阻力水平和特點選擇風扇的形態(tài)及材料。在設計扇葉時需考慮更科學的流體結(jié)構(gòu)，再匹配合理的電動機功率。關(guān)于風扇的有效旋轉(zhuǎn)尺寸和外觀質(zhì)量須按照行業(yè)標準進行研制，更合理的運用簡化模具，保證扇葉材料固定在動模端，確保分型面處于扇葉的最大截面處，否則會增加研制成本，更會導致散熱效率降低。研發(fā)設計的扇葉應遵循運轉(zhuǎn)噪音低、風量大的原則。

失效性。在風扇設計中需要充分考慮產(chǎn)品失效性，常見可以分為早期失效、偶然失效、耗損失效。當前進行的設計是在偶然失效期，通過采取合理措施延長偶然失效期的時間，達到設備使用延壽的目的。如風扇一旦進入損耗失效期將無法阻止其快速老化報廢，所以只能在損耗失效期到來之前的偶然失效期采取提前預防措施。據(jù)統(tǒng)計當溫度增加10℃，風扇使用壽命將降低5倍。

在新型扇葉設計時應該適當?shù)目紤]電氣負載因素。扇葉是冷卻系統(tǒng)的輔助設備，也是執(zhí)行組件，其設計方案和路徑要符合冷卻器運行的特點，不能本末倒置只追求扇葉的成本最優(yōu)或者是局部數(shù)據(jù)優(yōu)異，要綜合考慮冷卻器的需求和運行特征，更了解扇葉的特性才能設計出更適當?shù)男滦蜕热~。避免引發(fā)多種電氣類的故障，無端增加設備負載引起散熱效率降低問題。

風扇安裝方式。材質(zhì)采用壓鑄鋁合金，使用軸聯(lián)接方式時，需要將扇葉安置在軸肩上，然后通過端蓋和螺打?qū)L扇圍定在電機軸上，也可采用沉頭螺釘在徑向上固定。通過鍵和鍵槽傳遞轉(zhuǎn)矩，帶動風扇轉(zhuǎn)動。

性能驗證。通過熱循環(huán)載荷、疲勞試驗、風洞實驗、性能驗證、仿真模擬測試、噪聲實驗等，實現(xiàn)風扇扇葉角度優(yōu)化探究。軸流風扇扇葉的設計和安裝,應充分考慮其空氣動力性能，扇葉變形會影響其空氣動力性能,因而扇葉應具備足夠的剛度，綜合成本、周期及有效性,在風扇扇葉的開發(fā)階段,采用數(shù)值分析的方法是必要的。

圖2 疲勞試驗

圖3 熱循環(huán)載荷

3 結(jié)語

本文針對水冷冷卻器散熱問題進行研究，主要涉及冷卻器散熱風扇角度優(yōu)化的研究。針對機組變流器所使用的水冷冷卻器散熱風扇進行的相關(guān)分析探索，通過對水冷冷卻器散熱風扇進行通風量特性的比對分析，在原散熱風扇的基礎上進行了扭偏角的優(yōu)化和材質(zhì)更換，并對冷卻器風量進行風洞實驗分析。

該系列風扇葉片扭偏角可在合理區(qū)間內(nèi)調(diào)整，以滿足客戶的不同的應用要求。這種風扇的優(yōu)點是平衡性能優(yōu)異、組裝速度快，適合大量生產(chǎn)。通過熱傳導學的相關(guān)研究和探索，為研究水冷冷卻器散熱風扇角度優(yōu)化的進一步研究提供有力依據(jù)。隨著新能源水冷散熱技術(shù)的日益成熟，水冷散熱技術(shù)也要進行設備的改進和散熱效率的提升。不斷優(yōu)化風力發(fā)電機組變流器水冷散熱系統(tǒng)，為變流器提供有利溫度工況環(huán)境，從而降低功率器件失效炸機率，提升機組整體運行穩(wěn)定性。