具有徑向通風結(jié)構(gòu)的5兆瓦雙饋風力發(fā)電機內(nèi)流熱特性

　　摘要：為了揭示具有徑向通風結(jié)構(gòu)電機內(nèi)流體流變特性及傳熱規(guī)律，以一臺5MW雙饋風力發(fā)電機為例，依據(jù)流體力學和數(shù)值傳熱學基本理論，結(jié)合電機通風結(jié)構(gòu)特征及冷卻方式，在建立三維流熱數(shù)學模型的基礎上，通過給定基本假設，確定了流體流動與傳熱特性研究的物理模型。采用有限體積法對具有密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)的徑向通風電機流體場和溫度場進行了數(shù)值求解，并對數(shù)值計算結(jié)果進行了詳細的數(shù)值分析。闡述了電機內(nèi)流體參數(shù)在軸向及徑向的空間分布特性，并以此為基礎研究了電機內(nèi)部的溫升分布特性，揭示了具有徑向通風結(jié)構(gòu)電機內(nèi)部流體流動及熱性能的耦合規(guī)律。

　　關鍵詞：有限體積法;雙饋風力發(fā)電機;流體場;溫度場;計算流體力學

　　《電機與控制應用》(月刊)創(chuàng)刊于1959年，由上海電器科學研究所(集團)有限公司主辦。為電機行業(yè)的技術性刊物。

　　0引言

　　我國的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，電機在電力行業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用，電機的發(fā)展水平直接關系到國民經(jīng)濟的發(fā)展速度。徑向通風電機由于其獨特的結(jié)構(gòu)特點被普遍應用在電力生產(chǎn)過程中。由于該類型電機的通風結(jié)構(gòu)及原理較為復雜，因此，對具有徑向通風結(jié)構(gòu)的電機進行流體場及溫度場的精確計算具有重要意義。對流體場和溫度場的準確可靠的研究，有利于提高該類型電機多物理場的計算精度，改善徑向通風電機的通風效果，進而提高電機運行的安全性、可靠性及穩(wěn)定性。由此可見，對徑向通風電機內(nèi)流型演化及傳熱規(guī)律的研究顯得格外重要。

　　目前，對于徑向通風電機多物理場計算研究較少，影響其發(fā)展的因素主要有下面兩方面，由于定轉(zhuǎn)子徑向通風槽鋼的存在，當電機運行時，轉(zhuǎn)子槽鋼可作為離心式風扇的扇葉，不僅增加了電機機械結(jié)構(gòu)復雜度，而且使電機內(nèi)部多種物理場相互關系更加錯綜復雜，因此，對于徑向通風電機流體場及溫度場的研究需要解決這兩方面的問題。近年來，國內(nèi)外的諸多專家學者對電機結(jié)構(gòu)以及電機內(nèi)的流體場、溫度場以及流-熱耦合場進行了卓有成效的研究，為本文對徑向電機的研究提供了理論指導。在對通風冷卻結(jié)構(gòu)的研究中，國內(nèi)學者袁益超教授做了深入的研究工作，并以電機的軸向及徑向通風道結(jié)構(gòu)為重點對其理論及仿真方法進行了深入剖析和解讀。

　　本文建立了三維流熱數(shù)學模型和物理模型，采用有限體積法對一臺具有徑向通風結(jié)構(gòu)的5MW雙饋風力發(fā)電機的流體場和溫度場進行數(shù)值研究。在明確了流量及流速等參數(shù)在電機軸向及徑向空氣域內(nèi)空間分布特性的基礎上，進一步研究了電機內(nèi)部的溫升特性。為具有徑向通風結(jié)構(gòu)電機的通風結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及熱性能分析提供了理論依據(jù)。

　　1求解域物理模型及數(shù)學模型

　　1.1數(shù)學模型

　　電機內(nèi)流體流動受到物理守恒定律的約束。當流體流動狀態(tài)為不可壓縮且處于穩(wěn)定流動狀態(tài)時，在直角坐標系中流體流動質(zhì)量、動量以及能量守恒方程可分別表示為：

　　1.2基本假設

　　為了簡化求解過程，作如下假設：

　　1)由于僅研究電機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時的流體流動情況，為定常流動，因而不考慮時間項;

　　2)電機內(nèi)流體流動為紊流流動，計算時采用標準k-ε模型;

　　3)計算域內(nèi)流體流速小于聲速，因而不考慮空氣的壓縮性;

　　4)對端部股線采用平直化處理，絕緣與導體接觸緊密;

　　5)對定、轉(zhuǎn)子股線絕緣、層間絕緣以及主絕緣等效為一個絕緣體;

　　6)電機各部分浸漆均勻，絕緣良好;

　　7)定、轉(zhuǎn)子上下層股線施加熱源相同，忽略其集膚效應。

　　1.3物理模型

　　本文所研究的發(fā)電機沿軸向有24個徑向通風道，且轉(zhuǎn)子與定子通風道寬度相等且軸向?qū)R排布。在強迫風機作用下，冷卻空氣從兩端電機端部，對電機進行冷卻，從電機流出的熱空氣經(jīng)冷卻器冷卻降溫后，再次循環(huán)進入電機，構(gòu)成整個內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，從而帶走電機內(nèi)部的熱量，達到降低電機溫升的目的。根據(jù)該電機通風結(jié)構(gòu)的對稱性特征，因此對電機流體場求解時可以采用電機四分之一結(jié)構(gòu)單元，即采用沿圓周方向1/2電機單元、軸向1/2電機單元作為基本求解域。其中計算域內(nèi)電機端部包含有定、轉(zhuǎn)子端部線棒，轉(zhuǎn)子計算域沿周向分布有27個轉(zhuǎn)子槽，定子計算域沿周向分布有36個定子槽。為了便于研究，將流體域分為兩部分，即轉(zhuǎn)子部分的旋轉(zhuǎn)流體域及機殼腔及定子區(qū)域中的固定流體域，其物理模型如圖1所示。

　　由圖1可知，冷卻介質(zhì)經(jīng)由電機端部空氣域上部進入，冷卻電機內(nèi)部各結(jié)構(gòu)件后，經(jīng)定子鐵心徑向風溝流出。為了保證電機內(nèi)部各結(jié)構(gòu)件得到充分的冷卻，在出風口與人風口的交界處放置一個擋風板，擋風板本身不隔熱。另外，該區(qū)域包含12個徑向通風道，從1號到12號依次編號。

　　同理，為簡化計算過程，對于溫度場的計算采用如圖2所示的軸向1/2、周向1/6的物理模型。

　　2求解條件

　　2.1電機基本數(shù)據(jù)

　　本文以一臺5MW雙饋風力發(fā)電機為例，該發(fā)電機基本參數(shù)如表1所示。

　　根據(jù)電機參數(shù)對電機電磁場進行計算，得到電機各部分損耗如表2所示。

　　將電機在額定狀態(tài)下的損耗作為熱載荷，施加在電機定轉(zhuǎn)子鐵心及繞組部分，從而對電機進行溫度場求解。

　　2.2邊界條件

　　結(jié)合該風力發(fā)電機通風結(jié)構(gòu)特點，將電機流體場數(shù)值計算求解域的邊界條件設置為：

　　1)人口采用壓力人口邊界條件，設為1atm;

　　2)出口采用壓力出口邊界條件，設為1atm;

　　3)軸向各截斷面均設為Symmetry，周向的各截斷面設為Periodic，其他各壁面設為無滑移壁面邊界條件。

　　另外，將電機溫度場數(shù)值計算求解域邊界條件設置為：

　　1)人口采用速度人口邊界條件，速度大小設為0.52m/s：

　　2)出口采用壓力出口邊界條件，設為1atm;

　　3)電機軸向各截斷面均設為Symmetry，其余各壁面均設為絕熱壁面;

　　4)將轉(zhuǎn)子區(qū)域的流體轉(zhuǎn)速設為電機的額定轉(zhuǎn)速，為1200r/min。

　　3三維流體場計算及分析

　　3.1流體場整體分析

　　發(fā)電機轉(zhuǎn)子徑向風溝內(nèi)的槽鋼在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中具有離心式風扇的作用，在電機內(nèi)產(chǎn)生壓頭，加之強風風機的作用，促進電機內(nèi)冷卻流體不斷循環(huán)流動帶走電機熱量。為了全面了解整機內(nèi)流體流動過程，求出電機內(nèi)流體流線圖，如圖3所示。

　　由圖3可知，冷卻氣體由進風口進入電機端部氣腔內(nèi)，人風口附近流速較低，到氣腔后速度逐漸升高，其內(nèi)部定轉(zhuǎn)子區(qū)域流體形態(tài)并不完全一樣，且與電機底部區(qū)域流速相比，靠近電機人口的上層區(qū)域流速較大，并且與轉(zhuǎn)子流域相比，定子流域內(nèi)流速變化更為明顯。這是因為電機在穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子處于以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，而定子與機殼處于相對靜止的狀態(tài)，此時，電機頂部與底部的相對位置對轉(zhuǎn)子流域內(nèi)影響不大，但對定子流域內(nèi)流體流動的影響較為顯著，致使端部空氣域內(nèi)定轉(zhuǎn)子部分流體流速及空間壓力分布不一致。冷卻空氣進入端部空氣域后，經(jīng)各軸向風道沿軸向流動，受到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響，轉(zhuǎn)子徑向通風溝內(nèi)流體流速較大，受到的壓力較大。冷卻空氣經(jīng)氣隙進入定子徑向通風道后，受到沿程阻力的影響，流速顯著降低，受到的壓力減小。并且定子流域內(nèi)存在回流，冷卻空氣在徑向風道內(nèi)發(fā)生碰撞，能量損失嚴重。

　　提取數(shù)值計算結(jié)果可以知道，電機計算域內(nèi)總流量為4.941m3/s，總流量的理論值為4.0788m3/s。鑒于此，可以初步判斷，該風力發(fā)電機的徑向通風結(jié)構(gòu)滿足其通風要求。

　　3.2電機軸向各徑向通風溝流場對比分析

　　電機徑向通風溝內(nèi)冷卻氣體流量沿軸向長度的增加而發(fā)生變化，但是沿軸向方向轉(zhuǎn)子徑向風道出口及定子徑向風道人口面積均不變，造成冷卻氣體沿軸向流速將發(fā)生變化。為了研究徑向風溝內(nèi)沿軸向方向流體流變特性，分別取1號和12號通風溝中心截面作為采樣面，流速分布如圖4所示。

　　由圖4可知，從軸向上來看，流體的速度分布規(guī)律一致，即1號通風溝流速最大，12號通風溝流速最小，即在軸向方向上，電機中部流量最大，越靠近端部流量越小。

　　同時可以看出，轉(zhuǎn)子區(qū)域流體速度明顯大于定子區(qū)域。徑向長度越大，轉(zhuǎn)子流速也將越大，且迎風面和背風面流速不同，在氣隙處達到最大值。針對定子通風槽鋼而言，其迎風面與背風面流體流速相差較大，迎風面流體流速較大，但從徑向上來看流體速度變化緩慢。這是由于冷卻氣體從人風口進入端部氣腔，而后進入各徑向通風溝，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用，轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)風速不斷增大，最大值位于轉(zhuǎn)子風道出口與氣隙的交界處。定子區(qū)域受人風口流速及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)影響較小，故徑向上流速變化較小。

　　為了具體研究徑向通風溝內(nèi)流體流速變化情況，表3給出了各個徑向通風溝的最大流速。

　　為了進一步分析沿軸向方向徑向風溝內(nèi)流體分布特性，取轉(zhuǎn)子徑向風溝出口流量及定子徑向風溝進口流量，圖5給出了定轉(zhuǎn)子通風溝流量分布曲線圖。

　　由圖5可知，轉(zhuǎn)子徑向風溝出口及定子徑向風溝進口流量相差不大，且分布趨勢大致相同，均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，1號通風溝處流量最大，轉(zhuǎn)子風溝流量最大值為0.1926m3/s，定子風溝流量最大值為0.19m3/s。

　　3.3電機徑向通風溝流場速度分析

　　電機定轉(zhuǎn)子通風槽鋼對電機內(nèi)部流體流型演化有很大的影響，根據(jù)3.1節(jié)和3.2節(jié)可知，針對定轉(zhuǎn)子通風槽鋼而言，徑向長度的不同會導致流體流速產(chǎn)生變化，且迎風面、背風面流體流速也不同。為具體分析定轉(zhuǎn)子槽鋼兩側(cè)冷卻氣體分布情況，將采樣線設置在1號、6號及12號通風溝內(nèi)定、轉(zhuǎn)子槽中。

　　圖6中(a)為定子區(qū)域AB、EF及CD采樣線位置，迎風面處的采樣線為AB，背風面處的采樣線為凹，槽軛部中間位置為EF，圖6中(b)、(c)、(d)為所采樣位置處的流體流速變化曲線。

　　分析圖6可得，隨著軸向長度增加，3個采樣位置的定子通風溝內(nèi)流速均減小，且最大流速位于1號風溝，最小流速位于12號風溝，但是定子槽鋼迎風面相比于背風面而言流速減小趨勢不明顯。其中，AB處流速最高，CD處流速次之，丑F處流體速度最低。

　　這是由于槽軛部中間位置兩側(cè)空氣在定子槽尾部匯集，存在渦流，使定子徑向通風溝內(nèi)流體能量損失較多。另外，流體流速較小的位置出現(xiàn)在定子通風溝人口附近及齒部，定子軛部處的速度急劇增加，導致這種現(xiàn)象的原因是冷卻空氣在定子齒部處受到定子股線的阻礙，且受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響，相比于迎風面，背風面流速明顯下降。當流體到達定子風道出口附近，由于流動區(qū)域陡然變大，流速迅速降低。

　　同樣地，對轉(zhuǎn)子區(qū)域流體進行相同的研究分析，轉(zhuǎn)子區(qū)域采樣線為ab、ef及cd，如圖7中(a)所示，其中ab為迎風面，cd為背風面。

　　由圖7可知，在軸向上，隨著軸向距離的增大，轉(zhuǎn)子各徑向通風溝內(nèi)流速逐漸減小，其變化趨勢與定子徑向風溝內(nèi)流體變化趨基本相同，不再贅述。轉(zhuǎn)子風溝內(nèi)流體流動變化更加激烈，呈非線性變化趨勢。在徑向方向上，隨著徑向長度的增加，轉(zhuǎn)子徑向風溝內(nèi)流體與定子內(nèi)流體變化狀態(tài)不再相同，而是出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在股線區(qū)域流速出現(xiàn)拐點，且在背風面cd區(qū)域越靠電機端部，流體流速減小越明顯。當流體達到風溝出口時，迎風面a6區(qū)域的流體流速突然降低，而背風面cd區(qū)域的流體突然升高，即流體在該區(qū)域均出現(xiàn)拐點，在出口附近，背風面流體流速明顯高于迎風面。

　　4三維溫度場計算及分析

　　基于電機基本假設，根據(jù)徑向通風電機結(jié)構(gòu)特點及傳熱特性，建立電機三維物理模型。為節(jié)省計算時間，根據(jù)電機整體結(jié)構(gòu)的對稱性，在電機軸向上選取1/2區(qū)域、在周向選取1/6區(qū)域作為物理模型，周向上包括12個定子槽和9個轉(zhuǎn)子槽。