譚禮斌，袁越錦

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

引 言

發(fā)電機(jī)組中變頻器的散熱冷卻至關(guān)重要。若變頻器溫度過(guò)高以至超出正常使用溫度上限，則會(huì)報(bào)溫度高故障且停止運(yùn)行。另外，長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境中運(yùn)行也會(huì)損壞變頻器[1]。因此，散熱冷卻成為機(jī)組變頻器關(guān)鍵問(wèn)題之一。發(fā)電機(jī)組變頻器冷卻為強(qiáng)制風(fēng)冷，主要采用風(fēng)扇吹風(fēng)或風(fēng)扇吸風(fēng)的方式將冷卻風(fēng)吹至變頻器表面，通過(guò)散熱片布局將冷卻風(fēng)分散，從而達(dá)到均勻冷卻變頻器的目的。

目前，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）分析方法對(duì)發(fā)電機(jī)組整機(jī)流場(chǎng)及部件冷卻的分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)已得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[2-6]。如于榮等[2]開(kāi)展了變頻器絕緣柵雙極晶體管芯片（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊散熱方法的設(shè)計(jì)研究，通過(guò)調(diào)整風(fēng)道及進(jìn)風(fēng)方式改善了模塊表面溫度。陳俊杰等[3]結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)提出了IGBT 模塊冷卻改進(jìn)方案，促使IGBT 最高溫度滿足設(shè)計(jì)要求。韓陽(yáng)陽(yáng)[4]對(duì)發(fā)電站發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，將機(jī)組功率提升了70 kW。李猛[5]采用ANSYS軟件對(duì)高壓變頻器水冷系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性?？梢?jiàn)，基于CFD 技術(shù)的數(shù)值模擬方法可快速評(píng)估產(chǎn)品散熱性能。基于CFD 分析結(jié)果可對(duì)其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性地優(yōu)化，以提升產(chǎn)品性能[7-10]。

某發(fā)電機(jī)組變頻器冷卻結(jié)構(gòu)為風(fēng)扇吹風(fēng)強(qiáng)制風(fēng)冷。為對(duì)該發(fā)電機(jī)組變頻器冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)估及結(jié)構(gòu)改進(jìn)，本文基于CFD 方法搭建機(jī)組流場(chǎng)分析模型，重點(diǎn)關(guān)注變頻器部件表面風(fēng)速分布。依據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果針對(duì)性地對(duì)變頻器冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究并尋求較優(yōu)的冷卻結(jié)構(gòu)方案，從而保證變頻器冷卻良好，滿足使用溫度要求，同時(shí)預(yù)測(cè)機(jī)組各固體部件的表面溫度。研究結(jié)果可為發(fā)電機(jī)組變頻器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整機(jī)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)提供方法參考。

1 發(fā)電機(jī)組CFD分析模型搭建

1.1 物理模型

某發(fā)電機(jī)組整機(jī)三維模型如圖1(a)所示。其結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、消聲器、油箱、導(dǎo)流罩、變頻器及風(fēng)扇罩等。圖1(b)、圖1(c)所示分別為發(fā)電機(jī)組外流場(chǎng)計(jì)算域與整機(jī)的體網(wǎng)格模型示意圖。該網(wǎng)格模型是通過(guò)流體分析軟件STAR-CCM+中的多面體網(wǎng)格技術(shù)和邊界層網(wǎng)格技術(shù)劃分而成。根據(jù)前期針對(duì)發(fā)電機(jī)組制定的網(wǎng)格策略進(jìn)行網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)定[11]，最終發(fā)電機(jī)組體網(wǎng)格和外流場(chǎng)虛擬計(jì)算域的網(wǎng)格總量為800 萬(wàn)。

圖1 發(fā)電機(jī)組整機(jī)三維示意圖與網(wǎng)格模型示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用k-ε兩方程湍流模型開(kāi)展該發(fā)電機(jī)組整機(jī)流場(chǎng)特性數(shù)值模擬。機(jī)組內(nèi)氣流流動(dòng)假設(shè)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。通過(guò)求解流體基本控制方程（連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程）和湍流模型方程即可獲得機(jī)組流場(chǎng)模擬結(jié)果。相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型方程[12-14]包括：

1）連續(xù)性方程

2）動(dòng)量方程

3）能量方程

4）k-ε湍流模型方程

式(1)~(4)中，x、y、z為對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)分量，m；u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；Fx、Fy、Fz分別為沿x、y、z方向的體積力，N；μ為流體黏度系數(shù)，Pa?s；p是流體微元體上的壓力，Pa；▽為拉普拉斯算子；t為時(shí)間，s；xi和xj分別為i方向和j方向的坐標(biāo)分量，m；ui為i方向速度分量，m/s；T為溫度，K；λ為流體換熱系數(shù)，W/(m2?K)；φd為能量耗散項(xiàng)，流速不高時(shí)一般可以忽略。Cp為流體定壓比熱容，J/(kg?K)；μt為渦流運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，Pa?s；k為湍動(dòng)能，m2/s2；ε為湍動(dòng)能耗散率，m2/s3；Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM為膨脹耗散項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Prk、Prε分別為與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε為用戶定義源項(xiàng)。

固體溫度場(chǎng)采用流固耦合方法實(shí)現(xiàn)。流固耦合間熱量傳遞采用傅里葉傳導(dǎo)方程和流體的對(duì)流換熱控制方程[15]描述為：

式中，Kcond為固體導(dǎo)熱系數(shù)；?T/?n為法向溫度梯度；qconv為單位面積熱流量；hconv為局部對(duì)流換熱系數(shù)；Tf為流體溫度；Tw為壁面溫度。

1.3 邊界條件

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3600 r/min，采用旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)（Moving Reference Frame，MRF）方法實(shí)現(xiàn)。計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口，速度大小為0.1 m/s，環(huán)境溫度為40 ℃；計(jì)算域出口設(shè)置為壓力出口邊界，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓?？諡V器邊界為質(zhì)量流量出口，流量為20 g/s；消聲器邊界為質(zhì)量流量進(jìn)口，流量為20 g/s。缸頭、缸頭蓋、箱體、箱體蓋、變頻器等固體的材料為Al，變頻器的熱源材料為Si，電路板材料為PVC。固體熱邊界加載區(qū)域示意圖如圖2所示。

圖2 固體熱邊界條件加載區(qū)域示意圖

熱邊界加載情況說(shuō)明如下：

1）缸頭進(jìn)氣道溫度為60 ℃，換熱系數(shù)為100 W/（m2?K）；排氣道溫度為500 ℃，換熱系數(shù)為500 W/（m2?K）。

2）缸頭燃燒室劃分為燃燒室區(qū)域1、燃燒室區(qū)域2、燃燒室區(qū)域3，熱流邊界分別為112 500.0、72 560.0、25 430.0 W/m2。

3）箱體缸套區(qū)域劃分為缸套上、缸套中、缸套下，溫 度 分 別 為400、375、350 ℃；換 熱 系 數(shù) 為400 W/（m2?K）。

4）缸頭內(nèi)部、缸頭蓋內(nèi)部、箱體內(nèi)部及箱體蓋內(nèi)部溫度為100 ℃，換熱系數(shù)為100 W/（m2?K）；缸頭外部、缸頭蓋外部、箱體外部及箱體蓋外部溫度為40 ℃，換熱系數(shù)為50 W/（m2?K）；消聲器表面溫度為300 ℃。

變頻器工作環(huán)境是發(fā)電機(jī)組內(nèi)部，主要實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的變速運(yùn)行。變頻器的主要發(fā)熱源為IGBT模塊。IGBT 產(chǎn)生的熱量若不能及時(shí)通過(guò)外部冷卻風(fēng)散去，會(huì)導(dǎo)致部件失效而無(wú)法正常工作。為簡(jiǎn)化模型，IGBT 模塊視為集中發(fā)熱的熱源體，發(fā)熱量由供應(yīng)商提供。變頻器發(fā)熱的熱源布局如圖3 所示。圖3 中熱源1、2、3 的發(fā)熱量均為6.7 W, 熱源6、7、8、9的發(fā)熱量均為50.0 W，熱源4、5、10、11的發(fā)熱量均為34.0 W，用于變頻器表面溫度場(chǎng)的計(jì)算。變頻器散熱則主要通過(guò)吹向變頻器表面的冷卻風(fēng)帶走散熱片表面熱量，以達(dá)到降溫目的。

圖3 變頻器熱源位置

2 變頻器冷卻結(jié)構(gòu)方案

2.1 不同風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的風(fēng)量對(duì)比

表1 列出了用于吹風(fēng)冷卻變頻器的6 種不同風(fēng)扇結(jié)構(gòu)方案。方案差異主要體現(xiàn)在葉片形狀、葉片數(shù)量、葉片高度、風(fēng)扇直徑、蝸殼進(jìn)出風(fēng)布置5 個(gè)方面。圖4(a)所示為風(fēng)扇蝸殼出風(fēng)口的風(fēng)量對(duì)比。其中，風(fēng)扇方案6 的風(fēng)量為42.6 g/s，其風(fēng)量最大，可作為變頻器吹風(fēng)冷卻的風(fēng)扇最優(yōu)方案。該風(fēng)扇方案結(jié)構(gòu)尺寸如下：葉片數(shù)為24 片，高度為50 mm，直徑為120 mm，輪轂直徑為100 mm。圖4(b)所示為變頻器表面風(fēng)速分布云圖。依據(jù)變頻器熱源分布可知變頻器的右上區(qū)域?yàn)闊嵩捶植驾^為集中的區(qū)域，此處需要重點(diǎn)冷卻。而從圖4（b）中變頻器表面風(fēng)速來(lái)看，該區(qū)域冷卻風(fēng)速較小，冷卻風(fēng)速較大的區(qū)域主要集中在右下區(qū)域。變頻器表面的冷卻風(fēng)風(fēng)速分布不佳，不利于高溫區(qū)域的冷卻。因此可從變頻器散熱片布置、風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)面積及風(fēng)扇出風(fēng)位置等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，達(dá)到改善變頻器表面風(fēng)速分布的目的，從而改善變頻器的冷卻。

表1 6種風(fēng)扇方案

圖4 風(fēng)扇方案及其出口風(fēng)量與變頻器表面風(fēng)速分布云圖

2.2 不同變頻器方案對(duì)比

圖5所示為變頻器結(jié)構(gòu)示意圖。本節(jié)在前述最優(yōu)風(fēng)扇方案基礎(chǔ)上研究變頻器中間擋板散熱片位置對(duì)變頻器表面風(fēng)速的影響。圖6所示為不同擋板方案變頻器流道截面風(fēng)速分布云圖。由圖6 可見(jiàn)，變頻器中間擋板散熱片位置改動(dòng)后，風(fēng)速較大的區(qū)域主要集中在左下區(qū)域了，不利于中右和右下區(qū)域的冷卻，但散熱片位置改動(dòng)后的風(fēng)速分布略比原狀態(tài)風(fēng)速分布更合理。總體來(lái)看，散熱片下移5 mm的方案使得變頻器表面風(fēng)速分布更為均勻。變頻器表面風(fēng)速分布可通過(guò)提升進(jìn)風(fēng)能力來(lái)改善。

圖5 變頻器示意圖

2.3 風(fēng)扇調(diào)整方案對(duì)比

圖7所示為風(fēng)扇結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖。可以從進(jìn)風(fēng)形狀或進(jìn)風(fēng)口面積、蝸殼出風(fēng)口高度（風(fēng)扇高度）、蝸殼風(fēng)口寬度及出風(fēng)口到變頻器之間的距離4個(gè)方面對(duì)風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。本節(jié)在最優(yōu)風(fēng)扇方案和變頻器散熱片下移5 mm 的基礎(chǔ)上開(kāi)展風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)對(duì)變頻器表面風(fēng)速分布的影響。

圖7 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖

圖8 所示為風(fēng)扇向內(nèi)增高2、4、6 mm 后變頻器流道截面風(fēng)速分布云圖。由圖8 可見(jiàn)，向內(nèi)增高2 mm 和4 mm 的變頻器流道截面風(fēng)速差異不大，但向內(nèi)增高6 mm 后變頻器截面風(fēng)速變差，較多的風(fēng)直接流失，未對(duì)變頻器進(jìn)行較好冷卻。鑒于向內(nèi)增高2 mm 和4 mm 的變頻器截面風(fēng)速差異較小，而向內(nèi)增高6 mm 的變頻器截面風(fēng)速變差，選取風(fēng)扇向內(nèi)增高2 mm 的方案進(jìn)行后續(xù)風(fēng)扇進(jìn)、出口尺寸調(diào)整的研究。

圖8 風(fēng)扇增高后變頻器流道截面風(fēng)速分布云圖

根據(jù)變頻器吹風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)在整機(jī)空間上的布置及產(chǎn)品工藝，風(fēng)扇入口半徑最大可調(diào)整至4.5 mm，風(fēng)扇出口可增長(zhǎng)25 mm。因此，本文研究了4 mm 和4.5 mm 兩個(gè)風(fēng)扇入口半徑和風(fēng)扇出口長(zhǎng)度增加10 mm 和15 mm 的變頻器流道截面速度分布。圖9 所示為在風(fēng)扇向內(nèi)增高2 mm 的基礎(chǔ)上調(diào)整風(fēng)扇進(jìn)、出口后變頻器流道截面風(fēng)速分布云圖。從圖9 中可見(jiàn)，風(fēng)扇環(huán)形小孔入口半徑調(diào)整為4.5 mm后，截面風(fēng)速分布較為均勻，不存在明顯的速度死區(qū)。風(fēng)扇出口長(zhǎng)度增加15 mm 后，變頻器右上區(qū)域風(fēng)速明顯改善。進(jìn)、出口尺寸選擇風(fēng)扇入口半徑4.5 mm 的環(huán)形小孔和風(fēng)扇出口長(zhǎng)度增加15 mm，可改善變頻器高溫區(qū)域的風(fēng)速分布。風(fēng)扇出口長(zhǎng)度增加15 mm 后，變頻器流道截面速度已得到明顯改善，鑒于空間及成本等因素，風(fēng)扇出口長(zhǎng)度增加20 mm及25 mm不作考慮。

圖9 調(diào)整風(fēng)扇進(jìn)、出口后變頻器流道截面風(fēng)速分布云圖

2.4 綜合方案

結(jié)合前文研究，風(fēng)扇方案選擇風(fēng)扇方案6，變頻器中間擋板散熱片下移5 mm、風(fēng)扇向內(nèi)增高2 mm、風(fēng)扇入口半徑4.5 mm 的環(huán)形小孔和風(fēng)扇出口長(zhǎng)度增加15 mm作為變頻器最終吹風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)方案。

3 整機(jī)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖10 所示為最終吹風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)方案下變頻器流道截面風(fēng)速分布云圖。圖10中可見(jiàn)，變頻器右上區(qū)域風(fēng)速最大，有利于高溫區(qū)域冷卻，其他區(qū)域吹風(fēng)流速分布較為均勻，不存在明顯的流動(dòng)死區(qū)。

圖10 最終吹風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)方案下變頻器流道截面風(fēng)速分布云圖

圖11(a)所示為變頻器冷卻風(fēng)扇出風(fēng)速度分布云圖，圖中可見(jiàn)變頻器風(fēng)扇出風(fēng)吹到變頻器的位置剛剛正對(duì)變頻器高熱源中心處，再通過(guò)散熱片間的間隙向四周擴(kuò)散，能較好地對(duì)變頻器進(jìn)行冷卻。圖11(b)所示為發(fā)動(dòng)機(jī)表面風(fēng)速分布云圖，圖中可見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)速度較大，有利于高溫區(qū)域冷卻。整體速度場(chǎng)分布較均勻，在缸頭需要冷卻的區(qū)域基本不存在流動(dòng)死區(qū)。圖11(c)所示為發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度云圖，圖中可見(jiàn)缸頭體平均溫度約為170 ℃，最高溫度約為200 ℃，出現(xiàn)在排氣道附近周邊區(qū)域。缸頭蓋、箱體蓋體平均溫度約為120 ℃，箱體體平均溫度約為140 ℃。圖11(d)、圖11(e)所示分別為變頻器表面溫度云圖和內(nèi)部熱源溫度分布云圖，圖中可見(jiàn)變頻器表面最高溫度約為80 ℃，體平均溫度約為73 ℃，總體溫度較低，滿足使用需求（＜90 ℃）。變頻器熱源平均溫度在75~80 ℃間。圖11(f)所示為結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后變頻器表面最高溫度對(duì)比，圖中可見(jiàn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的最高溫度比初始狀態(tài)的最高溫度降低了15 ℃。由此可見(jiàn)，變頻器吹風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，變頻器部件得到了良好的冷卻。本研究獲取的相關(guān)改進(jìn)方案及溫度場(chǎng)分析結(jié)果可為變頻器散熱及固體溫度場(chǎng)評(píng)估提供理論參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于CFD 方法，采用流體分析軟件STARCCM+對(duì)發(fā)電機(jī)組中變頻器吹風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的6 個(gè)風(fēng)扇方案進(jìn)行了對(duì)比分析，風(fēng)扇方案6風(fēng)量最大，但變頻器表面風(fēng)速分布較差。通過(guò)調(diào)整變頻器散熱片位置、風(fēng)扇及其進(jìn)出風(fēng)尺寸，得到了變頻器最佳吹風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)：風(fēng)扇方案選擇風(fēng)扇方案6，變頻器中間擋板散熱片下移5 mm、風(fēng)扇向內(nèi)增高2 mm、風(fēng)扇入口半徑為4.5 mm 的環(huán)形小孔，風(fēng)扇出口長(zhǎng)度增加15 mm。

冷卻結(jié)構(gòu)調(diào)整后變頻器表面風(fēng)速分布較好，變頻器表面最高溫度約為80 ℃，體平均溫度約為73 ℃，總體溫度較低，滿足使用需求（＜90 ℃）。變頻器熱源平均溫度在75~80 ℃之間。缸頭體平均溫度約為170 ℃，最高溫度約為200 ℃，出現(xiàn)在排氣道附近周邊區(qū)域。缸頭蓋、箱體蓋體平均溫度約為120 ℃，箱體體平均溫度約為140 ℃。