丁樹業(yè) 夏壘 劉建峰 王越 劉野

摘?要：為了提升風(fēng)力發(fā)電機的通風(fēng)冷卻性能，降低其運行時的溫升，以一臺3MW永磁風(fēng)力發(fā)電機為例，結(jié)合發(fā)電機的通風(fēng)冷卻性能及結(jié)構(gòu)特點，在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立發(fā)電機定轉(zhuǎn)子流固耦合的三維物理模型，并給出求解條件。根據(jù)流體力學(xué)以及傳熱學(xué)理論，采用有限體積元法對電機內(nèi)流體場與溫度場進(jìn)行了數(shù)值計算。同時，對徑向通風(fēng)溝提出了多種結(jié)構(gòu)方案，并對不同方案下電機內(nèi)流體流動特性及各主要部件溫升進(jìn)行了對比分析。研究結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)通過減小徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸，能有效提高電機的冷卻效果。當(dāng)采用結(jié)構(gòu)方案Ⅲ時，求解域內(nèi)最高溫升較原模型低6.04K。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機;流固耦合;徑向通風(fēng)溝;多結(jié)構(gòu)

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.011

中圖分類號： TM315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）06-0057-05

Abstract：In order to improve cooling effects of permanent magnet wind generator and reduce the operation temperature?a 3MW permanent magnet wind generator was taken as an example?physical model of three dimensional stator and rotor fluid-solid coupled was established on the basis of the basic assumptions considering ventilation characteristics and structure feature of generator?and the solution conditions was given.?According to hydromechanics and heat transfer theory?temperature field and fluid field was calculated numerically using finite volume method.?At the same time?some structures were proposed in view of radial ventilation ducts?and the fluid flow performance and main components temperature of different schemes were analyzed.?The results indicate that?by reducing the axial size of the radial ventilation duct can effectively improve the cooling performance of the motor.?The maximum temperature rise in solution was 6.04K lower than the original one when adopt schemeⅢ.

Keywords：wind generator; fluid-solid coupled; radial ventilation duct; optimization

0?引?言

隨著人們對清潔能源需求量變大，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)文明中顯得日益重要，風(fēng)力發(fā)電機正朝著單機容量不斷擴大的方向發(fā)展[1]。而隨著發(fā)電機單機容量的增加，發(fā)電機內(nèi)部各部件的損耗也隨之增加，導(dǎo)致了電機運行時溫升的提高，直接影響了電機的壽命與運行的穩(wěn)定性[2]。因此對多種不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)下電機的通風(fēng)冷卻性能進(jìn)行研究，找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，從而降低電機運行時的溫升顯得十分必要。

近年來，專家利用有限體積元法[3-8]，根據(jù)流體力學(xué)理論對電機內(nèi)部流體場及溫度場進(jìn)了卓有成效的研究。文[9]對發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子域內(nèi)的冷卻介質(zhì)速度，溫升及運動跡線等流體流變特性做了詳細(xì)的分析。文[10]對結(jié)構(gòu)特點為徑向通風(fēng)方式的雙饋風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)流體流動做了相關(guān)研究，得到了發(fā)電機內(nèi)冷卻氣體風(fēng)速以及其沿軸徑向的分布情況。文[11-13]分別通過改變大型汽輪發(fā)電機徑向通風(fēng)溝數(shù)量、尺寸和端部氣隙隔板高度，對其內(nèi)部傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值計算，得到了不同結(jié)構(gòu)下的電機溫升分布。李偉力等基于流體與固體耦合的方法[14-15]，分析了轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝數(shù)量與位置對轉(zhuǎn)子內(nèi)流體流動與溫度的影響，以上都為電機內(nèi)流體場與溫度場的計算奠定了一定的基礎(chǔ)。但是針對風(fēng)力發(fā)電機徑向多結(jié)構(gòu)下結(jié)合流體場與溫度場相研究的成果較少，所以結(jié)合流體流動與傳熱研究徑向結(jié)構(gòu)對風(fēng)力發(fā)電機通風(fēng)性能的影響具有一定的工程實際價值。

本文以一臺3MW永磁風(fēng)力發(fā)電機為例，采用有限體積元法、流固耦合模型對發(fā)電機流體場與溫度場進(jìn)行了數(shù)值計算與分析。并在此基礎(chǔ)上通過調(diào)整定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝的結(jié)構(gòu)尺寸，對不同結(jié)構(gòu)方案的計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，給出了最優(yōu)設(shè)計方案。所得結(jié)論為永磁風(fēng)力發(fā)電機的通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論參考。

1?求解模型與基本假設(shè)

1.1?數(shù)學(xué)模型

當(dāng)發(fā)電機穩(wěn)定運行時，電機內(nèi)流體流動屬于定常、粘性、不可壓縮的紊流流動。根據(jù)流體力學(xué)基本原理，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行計算，在直角坐標(biāo)系中可寫出相應(yīng)的控制方程[16]如下：

1.2?基本假設(shè)

為了合理簡化求解過程，做出以下基本假設(shè)：

1）電機內(nèi)流場中，流體流速遠(yuǎn)小于聲速、雷諾數(shù)Re>2300，將流體看成不壓縮流體，并采用湍流模型對電機內(nèi)的流場進(jìn)行求解;

2）只探究發(fā)電機內(nèi)流體流速的穩(wěn)定狀態(tài)，即定常流動，因而控制方程不含有時間項[18];

3）認(rèn)為渦流效應(yīng)對每根股線的影響相同，定子繞組端部是直的;

4）槽內(nèi)所有絕緣的熱性能相同[19];

5）冷卻氣體對整個圓周區(qū)域的冷卻效果相同。

1.3?物理模型

根據(jù)電機的結(jié)構(gòu)特點及基本假設(shè)，取發(fā)電機的半個軸向段，周向以發(fā)電機定子的一個整槽兩個半齒所對應(yīng)的圓弧區(qū)域為研究對象，建立計算域模型，如圖1所示。

1.4?邊界條件

根據(jù)發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)以及傳熱特性，求解域內(nèi)的邊界條件給定如下：

1）內(nèi)外風(fēng)路入口均采用速度入口邊界條件，內(nèi)風(fēng)路入口速度為4.85m/s，外風(fēng)路入口速度為33.4m/s，出口采用壓力出口邊界條件;

2）圖1中S1、S2 和S3（軸向中心截面）為絕熱面，其余表面均為散熱面;

3）流體除入口與出口的邊界條件之外，其余與固體的接觸面都設(shè)為無滑移邊界。

2?原始結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分析

通過數(shù)值計算得到求解域內(nèi)流體流速分布如圖2所示。

從圖中可以看出外風(fēng)路流體流速分布均勻且流速較大，這是由于外風(fēng)路形狀規(guī)則，風(fēng)阻較小。而內(nèi)風(fēng)路中的流體流速分布復(fù)雜，在轉(zhuǎn)子氣腔中，從入口到軸中心處呈不斷下降趨勢?？諝鈴霓D(zhuǎn)子氣腔進(jìn)入徑向通風(fēng)溝中速度有所增加，定子徑向風(fēng)溝內(nèi)空氣速度大于轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝中的空氣速度。由于定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝比較狹窄，同時存在繞流性物體，流體在定子徑向通風(fēng)溝出口處出現(xiàn)顯著的渦流。

圖3為整個求解域內(nèi)的溫升分布圖。從圖中可以看出，定子鐵心及定子繞組溫升較高，而轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)子磁鋼溫升相對較低。由數(shù)值計算結(jié)果得到求解域內(nèi)最高溫升處于定子繞組下層股線上，達(dá)到了73.95K，其平均溫升為70.21K。轉(zhuǎn)子鐵心的最高溫升為35.45K，平均溫升為31.3K，轉(zhuǎn)子鐵心的溫升略低于轉(zhuǎn)子磁鋼的溫升。

3?多種結(jié)構(gòu)方案的計算結(jié)果分析

3.1?結(jié)構(gòu)方案概述

通過對永磁風(fēng)力發(fā)電機原始結(jié)構(gòu)流體場與溫度場的分析得出，徑向通風(fēng)溝的結(jié)構(gòu)尺寸對電機通風(fēng)冷卻效果有著重要的影響。因此，對徑向通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)提出了4種研究方案。方案Ⅰ、方案Ⅱ是在電機沿軸向總長度不變、損耗不變的條件下改變定、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝及定轉(zhuǎn)子鐵心的軸向尺寸;方案Ⅲ、方案Ⅳ是在每段鐵心延軸向長度不變、電機總損耗不變的條件下僅改變定、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸。4種結(jié)構(gòu)方案的尺寸調(diào)整如表1所示。

3.2?不同結(jié)構(gòu)方案流體場的計算與分析

由于電機內(nèi)各部件的散熱效果受流體流速影響，且定子徑向風(fēng)溝內(nèi)空氣流速較大，因此對不同方案下定子徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體流動情況的分析有重要意義。這里以靠近軸向中心截面的第一個定子徑向通風(fēng)溝為研究對象，在繞組一側(cè)通風(fēng)溝內(nèi)做一條采樣直線AB，如圖4所示，得到各方案采樣直線處風(fēng)速分布情況，如圖5所示。

從圖4中可以看出，不同方案下定子通風(fēng)溝內(nèi)流體流速分布趨勢基本一致，最高流速位于槽楔附近，徑向通風(fēng)溝內(nèi)空氣速度均隨著徑向高度的增加呈下降趨勢;方案Ⅰ和方案Ⅲ的徑向風(fēng)溝內(nèi)流體流速大于原方案，而方案Ⅱ和方案Ⅳ的徑向風(fēng)溝內(nèi)流體流速低于原方案。表明在一定范圍內(nèi)，徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸越小，流體通過時速度越大。

由于冷卻氣體的冷卻效果不僅受其速度影響也與其溫度密切相關(guān)，因此考慮空氣的溫度也顯得很重要。圖6為不同方案下定子徑向通風(fēng)溝內(nèi)的空氣溫度分布情況。

從各方案徑向風(fēng)溝內(nèi)的空氣溫度分布可以看出，繞組尾部區(qū)域溫度最高，這是由于定子繞組相當(dāng)于繞流性物體，氣流在其尾部形成渦流而造成的;方案Ⅰ和方案Ⅲ中徑向風(fēng)溝內(nèi)空氣的溫升大于原方案，而方案Ⅱ和方案Ⅳ中徑向風(fēng)溝內(nèi)空氣的溫升小于原方案。由計算結(jié)果得到原始方案槽底與槽口處氣體平均溫差為10.85K ，方案Ⅰ和方案Ⅲ中槽底與槽口處氣體平均溫差高于原方案，差值分別為11.27K、11.37K，同時這兩種方案中徑向風(fēng)溝內(nèi)流體流速也大于原方案，因此這兩種方案中的冷卻氣體經(jīng)過定子部分能帶走更多的熱量，冷卻效果好于原始方案;方案Ⅱ和方案Ⅳ中在槽底與槽口處氣體平均溫差分別為10.37K與9.98K，且流體流速小于原方案，因此方案Ⅱ和方案Ⅳ的冷卻效果較差。

3.3?不同結(jié)構(gòu)方案電機溫度場的計算與分析

為了更加直觀的看出不同結(jié)構(gòu)方案的散熱效果，取各方案軸向中心截面鐵心段內(nèi)定子槽中心線位置處的溫升進(jìn)行對比分析，溫升沿徑向高度的變化曲線如圖7所示（徑向高度：轉(zhuǎn)子氣腔底部至外風(fēng)路底部）。

從圖中可以看出，各方案定子槽中心線處的溫升分布趨勢基本一致。徑向高度在0.4m附近區(qū)域處空氣溫升略高，這是由轉(zhuǎn)子氣腔內(nèi)在此區(qū)域的空氣回流所引起的，轉(zhuǎn)子部分溫升沿徑向變化不大，定子下層股線溫升最高。方案Ⅰ與方案Ⅲ的定轉(zhuǎn)子部分溫升均比原方案低，同時這兩種方案中定子軛部上方的空氣溫升較大，表明冷卻空氣經(jīng)定轉(zhuǎn)子后帶走了更多的熱量，顯然方案Ⅰ與方案Ⅲ的冷卻效果較好，與前面流體分析結(jié)論一致。

為了進(jìn)一步探究不同方案下電機的通風(fēng)冷卻效果，根據(jù)各方案的計算結(jié)果，得到了電機內(nèi)部各主要部件的最高溫升與平均溫升，分別如表2、表3所示。

由表2、3可以看出：

1）不同方案中定子股線處的最高溫升與平均溫升均最高，轉(zhuǎn)子鐵心的最高溫升與平均溫升均最低;

2）方案Ⅰ、方案Ⅲ中電機內(nèi)各主要部件的最高溫升和平均溫升與原結(jié)構(gòu)方案相比均有所降低，其中方案Ⅲ降低較多，冷卻效果更好;

3）對比各方案可以發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸越小，電機的通風(fēng)冷卻性能越好。

4?結(jié)?論

本文以一臺3MW永磁風(fēng)力發(fā)電機為研究對象，對電機徑向多結(jié)構(gòu)特征下電機內(nèi)的流體場與溫度場進(jìn)行對比分析，得到如下結(jié)論：

1）方案Ⅰ和方案Ⅲ的徑向風(fēng)溝內(nèi)冷卻空氣流速高于原方案，冷卻空氣經(jīng)電機內(nèi)各主要部件加熱后的溫升也較高，方案Ⅰ和方案Ⅲ的冷卻效果均優(yōu)于原方案;

2）在合理范圍內(nèi)通過減小電機徑向通風(fēng)溝的軸向尺寸能有效提升電機通風(fēng)冷卻性能，降低電機溫升，從而提高電機運行穩(wěn)定性以及電機的使用壽命;

3）當(dāng)采用方案Ⅲ時，電機內(nèi)各主要部件溫升最低，求解域內(nèi)最高溫升較原結(jié)構(gòu)方案降低最多，為6.04K，且徑向風(fēng)溝內(nèi)風(fēng)速提升明顯，因此本文建議采用方案Ⅲ。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]?徐洪亮，李強.?風(fēng)力發(fā)電原理及前景概述[J]. 民營科技，201612）：14-14.

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

[3]?丁樹業(yè)，苗立杰，徐殿國，等.?3MW永磁風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)部傳熱特性研究[J]. 大電機技術(shù)，20123）：118-124.

[4]?路義萍，洪光宇，湯璐，等.?多風(fēng)路大型空冷汽輪發(fā)電機三維流場計算[J]. 中國電機工程學(xué)報，2013，33（ 3）：133-139.

[5]?丁樹業(yè)，關(guān)天宇，崔廣慧.?船舶驅(qū)動用異步電機三維溫度場研究[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2015，20（5）：1-7.

[6]?LI Y?XIE Y?WANG Z?Three-dimensional Fluid Field and Thermal Field Research of Squirrel-cage Induction Motors Operating in Broken Bar Fault[C]// 2015 IEEE Magnetics ConferenceINTERMAG）?Beijing?2015：1-1.

[7]?路義萍，潘慶輝，韓家德，等.?多風(fēng)路空冷汽輪發(fā)電機PIV流場測試實驗臺研發(fā)[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2014，19（4）：32-37.

[8]?ZHANG Yujiao?SUN Mengyun?RUAN Jiangjun?et al.?Ventilation Structure Improvement of Large Motors Using 3-D Multi-Physical Coupled-Field Finite-Element Analysis[C]// 2012 Sixth International Conference on Electromagnetic Field Problems and Applications?Dalian?Liaoning?2012：1-4.

[9]?丁樹業(yè)，葛云中，徐殿國，等.?1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)流體場分析[J]. 中國電機工程學(xué)報，2012，32（21）： 93-98.

[10]丁樹業(yè)，趙楊，陳衛(wèi)杰，等.?兆瓦級徑向通風(fēng)電機內(nèi)流變特性數(shù)值模擬[J]. 大電機技術(shù)，2014（4）：18-22.

[11]霍菲陽，李勇，李偉力，等.?大型空冷汽輪發(fā)電機定子通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的計算與分析[J]. 中國電機工程學(xué)報，2010，30（6）：69-75.

[12]XIONG Bin?GU Guobiao?RUAN Lin?et al.?Studies on the Structure of Radial Ventilation Channel to Improve the Cooling Capacity of Large Turbo Generator Stator[C]//2014 17th International Conference on Electrical Machines and SystemsICEMS）?Hangzhou?2014：354-357.

[13]LI Weili?HAN Jichao?HUO Feiyang，et al.?Influence of the End Ventilation Structure Change on the Temperature Distribution in the End Region of Large Water-hydrogen-hydrogen Cooled Turbo Generator[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion?2013，28（2）：278-288.

[14]李偉力，楊雪峰，顧德寶，等.?多風(fēng)路空冷汽輪發(fā)電機定子內(nèi)流體流動與傳熱耦合計算與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（12）：24-31.

[15]李偉力，王耀玉，黃東洙，等.?轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)對永磁電機轉(zhuǎn)子流體場和溫度場的影響[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報，2015，39（2）：48-54.

[16]路義萍，李會蘭，韓家德，等.?某軸向通風(fēng)無刷勵磁機三維流場數(shù)值模擬[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2016，21（4）：59-64.

[17]丁樹業(yè)，郭保成，孫兆瓊.?永磁風(fēng)力發(fā)電機通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析[J]. 中國電機工程學(xué)報，2013，33（9）：122-128.

[18]溫嘉斌，侯健，于喜偉.?定子通風(fēng)槽鋼對中型高壓電機內(nèi)溫度場的影響[J]. 電機與控制學(xué)報，2016，20（8）：40-47.

[19]CHEN Yanqing?ZHOU Jing?FANG Youtong?et al.?Multi-field Coupling Finite-element Analysis of the Temperature Rise in Permanent Magnet Synchronous Motor Applied for High Speed Train[C]//2016 19th International Conference on Electrical Machines and SystemsICEMS）?Chiba?2016：1-4.

（編輯：關(guān)?毅）