葛云中，丁樹業(yè)，祝 琳，管紹軍

（1．中國人民解放軍96215部隊，廣西 柳州 545616；2．哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，哈爾濱 150080；3．中國人民解放軍第二炮兵司令部，北京 100085）

大功率風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度場數(shù)值仿真

葛云中1，丁樹業(yè)2，祝 琳3，管紹軍2

（1．中國人民解放軍96215部隊，廣西 柳州 545616；2．哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，哈爾濱 150080；3．中國人民解放軍第二炮兵司令部，北京 100085）

本文以一臺1.5MW雙饋風力發(fā)電機為例，研究發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)流體流動與傳熱問題。根據(jù)發(fā)電機通風結(jié)構(gòu)與傳熱的特點，建立轉(zhuǎn)子1/8區(qū)域的三維求解模型，并采用CFD技術(shù)對求解域進行耦合求解，得出發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)流體流動特點和溫升分布規(guī)律。

風力發(fā)電機; 溫度場; 流體場; CFD技術(shù); 數(shù)值仿真

引言

電機最高溫升直接影響電機運行的可靠性，目前對電機轉(zhuǎn)子的動態(tài)溫度測量有相當?shù)碾y度，即便實施，代價也較高，所以對電機轉(zhuǎn)子通風及溫升的研究始終是一個焦點[1-2]。

近年來許多專家學者對發(fā)電機的不同冷卻介質(zhì)、轉(zhuǎn)子流場、定子溫度場進行了卓有成效的研究[2-4]，都為電機內(nèi)物理場的計算奠定了一定的基礎(chǔ)。目前對大功率風力發(fā)電機，特別是兆瓦級風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度場的研究較少，本文的研究具有一定的價值。

本文以一臺1.5MW雙饋風力發(fā)電機為例，采用基于有限體積法的CFD軟件Fluent分析發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)流體場和溫度場。通過對轉(zhuǎn)子流體場與溫度場的耦合求解，得出電機轉(zhuǎn)子流體流動特性和溫升分布規(guī)律，并對轉(zhuǎn)子股線和轉(zhuǎn)子鐵心的溫升分布進行詳細的分析，對風力發(fā)電機的運行和大容量風力發(fā)電機的優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學模型

電機冷卻系統(tǒng)內(nèi)流體流動與傳熱滿足質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。如果流動處于紊流狀態(tài)，還要遵守附加的湍流運動方程，其守恒定律可以采用相應(yīng)的控制方程進行描述[5-6]。

1.1 控制方程

根據(jù)流體力學理論，采用標準ε-k方程模型對流體進行描述。當流體為不可壓縮且處于穩(wěn)定流動狀態(tài)時，采用通用控制方程[7]為：

式中：φ、V為通用變量；ρ為流體密度；Γ為擴展系數(shù)；S為源項。

1.2 三維熱傳導(dǎo)方程

針對各向異性材料，由傳熱學基本原理可以寫出求解域內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場基本方程及其邊界條件：

式中：T為固體待求溫度，oC；λx、λy、λz為求解域內(nèi)各種材料沿x、y以及z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K )；qV為求解域內(nèi)各體熱源密度之和，W /m3；α為散熱表面的散熱系數(shù)， W /(m2·K )； Tf為散熱面周圍流體的溫度，Co； Sj、 Ss分別為絕熱面和散熱面。

1.3 能量守恒方程

能量守恒定律是含熱交換過程的流動系統(tǒng)須滿足的基本定律，流體能量守恒方程如下：

式中：U為流體的速度矢量；u、v、w分別為流體的速度分量；h為流體的比焓；T為流體溫度；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；p為流體壓力；Sh為流體的內(nèi)熱源；Φ為由于粘性作用機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，稱為耗散函數(shù)。

2 求解域模型

2.1 發(fā)電機冷卻結(jié)構(gòu)簡介

由于風力發(fā)電機運行及安裝方式的特殊性，其冷卻結(jié)構(gòu)采用內(nèi)風路、外水路相結(jié)合的冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機冷卻系統(tǒng)

2.2 基本假設(shè)

根據(jù)電機結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)和傳熱的特點，作如下假設(shè)[2-4]：

（1）電機內(nèi)流場中，流體流速遠小于聲速，即馬赫數(shù)很小，故把流體作為不可壓縮流體處理。

（2）由于電機內(nèi)流體的雷諾數(shù)很大（Re＞2300），屬于紊流，因此采用紊流模型對電機內(nèi)流場進行求解。

（3）由于電機結(jié)構(gòu)周向?qū)ΨQ，認為轉(zhuǎn)子槽中心面和齒中心面是絕熱的。

（4）不考慮風扇實際存在，端部繞組用直線段取代。

2.3 計算區(qū)域及網(wǎng)格剖分

由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子區(qū)域的流動與換熱問題在圓周方向具有對稱性，為了減小計算規(guī)模，取整個轉(zhuǎn)子的1/8部分作為分析對象，建立了三維實體模型，求解域物理模型如圖2所示。求解域剖分圖如圖3所示。

圖2 求解域模型

圖3 求解域剖分圖

圖4為轉(zhuǎn)子繞組截面圖，槽內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組分上下兩層，分別有7根股線疊壓，由槽口至槽底分別為上層1-7號股線和下層1-7號股線。

2.4 邊界條件

給定流體場及溫度場耦合求解的邊界條件為：

（1）環(huán)境溫度為27℃（300K），入口給定為速度入口邊界，根據(jù)給定的流量數(shù)值，可求得入口速度值。

（2）出口給定為壓力，壓力大小為1個標準大氣壓。

（3）發(fā)電機氣隙外圓及轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓為散熱面，給定散熱系數(shù)和周圍的空氣溫度：散熱系數(shù)參考一般空冷電機設(shè)計經(jīng)驗給出[8]，求解域兩側(cè)徑向截面，設(shè)為周期性邊界，其余與固體接觸的面均視為無滑移邊界。

（4）電機在運行過程中有熱量交換，因此在轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組上需附加能量源項。

圖4 轉(zhuǎn)子繞組截面圖

3 轉(zhuǎn)子內(nèi)流體場分析

圖5為轉(zhuǎn)子內(nèi)速度分布圖。

圖5 流體速度分布圖

通過對圖5流體速度分布以及計算數(shù)值結(jié)果分析，可以知道：

空氣入口截面較大，入流速度較低，冷空氣繞過非風扇端的端部繞組進入轉(zhuǎn)子通風孔和氣隙中；在電機中空氣沿軸向流過轉(zhuǎn)子通風孔和氣隙，由于氣隙入口狹長表面積較小，空氣流動入口風阻大，能量損失嚴重，空氣在氣隙中最大速度為 21.22m/s，風量占空氣總流量的10.43%；空氣在流入轉(zhuǎn)子通風孔時空氣的流動阻力系數(shù)相對較小，空氣入口面積大，風阻較小，空氣在轉(zhuǎn)子通風孔的最大速度為 48.30m/s，風量占空氣總流量的89.57%；當空氣到達風扇端區(qū)域，空間變大，空氣的速度降低，風速沿軸向截面的位置不同而不同；帶著能量的空氣由端部的離心式風扇帶到電機機殼中。

4 轉(zhuǎn)子溫度場分析

轉(zhuǎn)子線圈及轉(zhuǎn)子鐵心所產(chǎn)生的熱量及定子熱量的一部分主要靠內(nèi)風路的循環(huán)空氣帶到機殼內(nèi)，通過對流換熱傳遞給機殼，再與機殼中的循環(huán)水對流換熱最終將熱量帶到電機外部。由于轉(zhuǎn)子部分的熱量要經(jīng)過兩次對流換熱才能傳到了電機外部，因此，相對來說轉(zhuǎn)子部分的冷卻條件要惡劣得多，因而在該電機的研制中轉(zhuǎn)子部分的傳熱是一個較為突出的問題。

根據(jù)上述基本假設(shè)和給定邊界條件，采用流動與傳熱問題的數(shù)值分析CFD技術(shù)及Fluent軟件對模型進行求解，計算得到轉(zhuǎn)子溫升分布規(guī)律。

4.1 轉(zhuǎn)子鐵心溫升分布

圖6為轉(zhuǎn)子鐵心溫升分布圖。

圖6 轉(zhuǎn)子鐵心溫升分布

從圖中可以得出轉(zhuǎn)子鐵心的溫升分布規(guī)律：轉(zhuǎn)子齒部溫升高，軛部溫升較低；風扇端溫升高于非風扇端溫升。

轉(zhuǎn)子溫升最大值在齒部，最高溫升為 62K。轉(zhuǎn)子齒部溫升較高，有必要對轉(zhuǎn)子齒部溫升進行分析，圖7為轉(zhuǎn)子齒部不同高度溫升分布。

圖7中分別為齒頂處、距齒頂1/4處、距齒頂1/2處、距齒頂3/4處及齒根處沿軸向長度溫升分布，從圖中可以看出轉(zhuǎn)子齒不同高度沿軸向長度變化一致，最高溫升在同一軸向截面上；轉(zhuǎn)子齒部沿軸向不同截面最高溫升約在距齒頂1/4處；雖然齒頂距離轉(zhuǎn)子通風孔最遠，向轉(zhuǎn)子通風孔傳熱最為困難，然而齒頂處溫升卻不是太高，最大值為58.3K，是由于齒頂處和槽楔緊密接觸，槽楔雖然導(dǎo)熱能力差，但是不產(chǎn)生熱量，齒頂?shù)囊徊糠譄崃肯虿坌▊鲗?dǎo)，又由于氣隙中流動的空氣也能帶走一部分熱量；齒根處距離轉(zhuǎn)子通風孔最近，散熱條件好，能夠及時將自身產(chǎn)生的熱量和傳導(dǎo)過來的熱量傳導(dǎo)給轉(zhuǎn)子通風孔中的空氣，在轉(zhuǎn)子齒軸向截面中溫升最低；從距齒頂1/4處至齒根處，溫升逐漸降低。

圖7 轉(zhuǎn)子齒不同高度溫升分布

4.2 轉(zhuǎn)子繞組溫升分布

轉(zhuǎn)子繞組是轉(zhuǎn)子溫升的主要熱源，為詳細分析轉(zhuǎn)子繞組溫升的分布規(guī)律，分別給出轉(zhuǎn)子上下層繞組溫升分布如圖8所示。圖9、圖10為轉(zhuǎn)子上下層繞組內(nèi)股線沿軸向長度溫升分布。

圖8 轉(zhuǎn)子股線溫升分布

圖9 轉(zhuǎn)子上層繞組沿軸向長度溫升分布

圖10 轉(zhuǎn)子下層繞組沿軸向長度溫升分布

最高溫升在上層繞組的第5和第6號股線上，最大值為74.3K；上層繞組第1號股線在槽楔下面，散熱條件好，產(chǎn)生的能量及時的向齒和槽楔傳導(dǎo)，槽楔頂端和齒頂有空氣在氣隙中流動，能夠帶走一部分熱量。下層繞組最高溫升位置在第1和第2號線上，此處為下層線棒傳熱最差的區(qū)域；7號股線在槽底散熱條件好，能及時的將產(chǎn)生熱量傳導(dǎo)出去。上下層繞組最高溫升位置與轉(zhuǎn)子鐵心最高溫升位置對應(yīng)。

圖11為轉(zhuǎn)子溫升最大位置處軸向截面溫升分布，由圖可以看出，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)溫升分布隨槽中心線對稱分布，最高溫升位于股線中心線上，沿銅塊周圍絕緣層溫升下降明顯，槽底和槽楔頂端散熱條件較好，溫升略低。

圖11 轉(zhuǎn)子股線軸向最熱面溫升分布圖

5 結(jié)論

溫度場計算的結(jié)果與發(fā)電機的設(shè)計要求吻合，文中所采用的流固耦合方法求解溫度場以及所確定的求解域切實可行；其結(jié)果為風力發(fā)電機的通風設(shè)計和運行提供參考依據(jù)；得出轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子線棒溫升分布規(guī)律；從計算結(jié)果上看，電機層間絕緣上下股線的溫升較高，由層間絕緣至槽頂和槽底溫升逐漸降低，說明層間絕緣處熱量最不易被導(dǎo)出。

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[3] 焦曉霞, 管春偉, 李偉力．汽輪發(fā)電機不同冷卻介質(zhì)對定子傳熱特性的影響[J]．電機與控制學報,2011, 15(2): 54-62．

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[8] 丁舜年．大型電機的發(fā)熱與冷卻[M]．北京: 科學出版社, 1992．

審稿人：安志華

Numerical Simulation of Rotor Temperature Field for Large Wind Power Generator

GE Yunzhong1, DING Shuye2, ZHU Lin3, GUAN Shaojun2
（1. 96215 troops of Chinese people's liberation army, Liuzhou 545616, China;2. Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China;3. Second Artillery Force headquarters of the PLA, Beijin 100085, China）

In this paper, take a 1.5MW doubly-fed wind power generator as an example, the fluid flow and heat transfer within the rotor of the power generator are studied. According to the generator ventilation structure and heat transfer characteristics, three-dimensional solution model of the rotor in 1/8 region is established, and the solving domain is coupled solving by CFD technology. Thus, the fluid flow and temperature distribution characteristics inside generator rotor are obtained.

wind power generator; temperature field; fluid field; CFD technology; numerical simulation

TM315

A

1000-3983(2012)01-0027-04

黑龍江省博士后基金(Lbh-z10232)

2011-10-09

葛云中（1986-），碩士研究生，主要研究方向為電機綜合物理場和流體動力學數(shù)值計算與分析。