劉麗紅

(沈陽職業(yè)技術(shù)學院，遼寧沈陽110045)

0引 言

電機內(nèi)的各種物理場是互相影響、互相制約的，且有一定耦合關(guān)系的綜合場。電機內(nèi)部的通風與溫度場是通過對流換熱的方式聯(lián)系在一起的［1］。對于半直驅(qū)永磁風力發(fā)電機，由于其通常位于機艙內(nèi)，自然冷卻條件相對較差，需要采用附加的冷卻措施。本文將對一臺1 MW半直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機通風系統(tǒng)進行計算分析。該永磁風力發(fā)電機通風系統(tǒng)的主要特點是:利用外加風機進行強迫風冷、并采用軸向式的通風結(jié)構(gòu);風力發(fā)電機定子鐵心背部形成軸向通風道，圓周方向一共有24個彼此分離的風道;發(fā)電機一側(cè)加鼓風機，驅(qū)動冷卻流體沿軸向流動到另一側(cè)，冷卻電機各部件，然后從電機內(nèi)排出，冷卻空氣與電機內(nèi)的發(fā)熱部件進行熱交換，散去電機產(chǎn)生的熱量。

由于電機結(jié)構(gòu)的復雜性，電機內(nèi)的通風系統(tǒng)很難精確計算。通風系統(tǒng)的工程算法是利用風路圖來代替實際管道，根據(jù)實驗結(jié)果或經(jīng)驗估計氣體流動情況，做出風路圖并計算系統(tǒng)中的各個風阻和合成風阻，從總體上計算出電機的風量和風速［2-3］。這種計算方法雖簡單，但與實際情況差別較大，并且無法描述電機內(nèi)部的實際風速分布狀況和局部漩渦流動。隨著計算機性能的不斷提高，計算流體動力學已經(jīng)滲透到許多相關(guān)學科和工程應(yīng)用之中。同時，計算流體動力學(以下簡稱CFD)在電機通風冷卻計算中已得到了應(yīng)用。文獻［4］采用二維流體場計算了大型發(fā)電機單個定子徑向通風溝內(nèi)的流體運動情況，在計算中忽略了流體流動在軸向的差異性。

本文采用CFD方法對發(fā)電機的通風系統(tǒng)進行三維流場計算，得到發(fā)電機內(nèi)部的流量分配和風壓降，以及發(fā)電機內(nèi)部的風速分布，為發(fā)電機通風系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了優(yōu)越的平臺。根據(jù)發(fā)電機內(nèi)部的風速分布確定熱計算的邊界條件，采用等效熱網(wǎng)絡(luò)法計算得到發(fā)電機各部件的溫升值。

1電機內(nèi)流場的數(shù)學模型

電機內(nèi)冷卻空氣的狀態(tài)為定常粘性不可壓縮湍流［5］。根據(jù)流體動力學理論，在直角坐標系中采用時均法，湍流流體流動控制方程包含時均連續(xù)方程和時均Navier-Stokes方程，其張量形式如下［6］:

為使上述方程組封閉，通常需要引入新的湍流模型。其中，標準k-ε兩方程模型在工程中使用最為廣泛，它由湍動能k方程和耗散率ε方程構(gòu)成。當流體為不可壓且不考慮用戶自定義的源項時，標準k-ε模型可描述:

式中:μt為湍動粘度;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能 k 的產(chǎn)生項;C1ε、C2ε、σk以及 σε為常數(shù)。

2確定風機數(shù)目

本文采用基于CFD方法的Fluent 6．5軟件對發(fā)電機內(nèi)流體流動進行數(shù)值模擬，從而準確地計算出發(fā)電機內(nèi)部的風速分布。實質(zhì)上，F(xiàn)luent軟件只是一個求解器，它本身不具有建模和劃分網(wǎng)格的功能。然而網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率影響很大，本文利用專用前處理軟件GAMBIT來生成網(wǎng)格。冷卻空氣在電機內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流，本文選取標準k-ε兩方程模型來計算冷卻空氣的流動情況。對于近壁區(qū)域流體流動問題，采用壁面函數(shù)法來進行處理。在發(fā)電機的入風口設(shè)置速度入口邊界條件來取代風機的作用，出風口采用壓力出口邊界條件。使用二階迎風格式離散控制方程，選擇壓力速度耦合求解器進行求解。

由于發(fā)電機的外形尺寸比較大，為了使冷卻空氣均勻地進入電機內(nèi)部，本文采用數(shù)臺風機并聯(lián)運行的方式。運用CFD方法計算發(fā)電機定子軸向通風道入口處的風速分布，根據(jù)發(fā)電機軸向通風道入口處風速分布的均勻度(最大風速與最小風速之差)確定風機的數(shù)量。由于6臺風機在圓周方向上存在對稱性，選取單個風機對應(yīng)的發(fā)電機端腔區(qū)域作為計算區(qū)域。這里以6臺風機為例來說明整個計算過程。圖1為單個風機所對應(yīng)發(fā)電機端腔內(nèi)的風速分布圖。從圖中可以清晰地看出，冷卻空氣在端腔內(nèi)的流動速度分布情況。圖2為軸向通風道入口處的速度等值線圖，從圖中得到軸向通風道入口處的最大風速為20．3 m/s，最大風速發(fā)生在風機正對的通風道入口處。

圖1 風速分布圖

圖2 風速等值線圖

圖3為選擇6個風機時，單個風機所對應(yīng)的4個軸向通風道入口處的風速分布情況。選擇不同的風機數(shù)目分別計算，計算結(jié)果表明當選擇6個風機并聯(lián)運行時，各通風道內(nèi)最大風速與最小風速之差百分比為14%;選擇4個風機時，各通風道內(nèi)最大風速與最小風速之差的百分比將超過20%。通風道內(nèi)風速分布的不均勻會引起發(fā)電機溫升分布不均勻。本文最終確定6臺風機并聯(lián)運行。

圖3 通風道入口處風速分布

3通風系統(tǒng)計算

圖4 靜壓等值線

在進行通風計算時，由于發(fā)電機的6臺風機在圓周方向存在對稱性，選取單個風機對應(yīng)的發(fā)電機內(nèi)冷卻空氣作為計算的求解區(qū)域進行建模，將模型對稱面設(shè)置為周期性邊界條件。圖4為計算區(qū)域的靜壓等值線圖。從圖中可以看出，發(fā)電機的靜壓為1 080 Pa，發(fā)電機總壓降為1 267 Pa。

圖5為發(fā)電機求解區(qū)域的風速分布，通過觀察風速分布圖，發(fā)電機內(nèi)的最大風速為32．8 m/s，最大風速位于發(fā)電機定子軸向通風道的入口處。冷卻器空氣的流速沿著軸向通風道方向逐步減小，但是變化幅度較小。

圖5 風速分布圖

通過以上計算得到通風系統(tǒng)總風壓降為1 267 Pa，冷卻空氣流量為2．216 1 m3/s，為風機的選型提供了依據(jù)。根據(jù)計算結(jié)果，選擇合適的風機對風力發(fā)電機進行冷卻。

4熱分析

發(fā)電機的溫升計算需要確定發(fā)電機各部件的對流散熱系數(shù)。本文根據(jù)上述CFD通風系統(tǒng)計算得到的發(fā)電機內(nèi)部風速，確定各部件的對流散熱系數(shù)。表1列出了發(fā)電機各部件的對流散熱系數(shù)。

表1 對流散熱系數(shù)

采用等效熱網(wǎng)絡(luò)法對發(fā)電機進行熱計算，計算得到發(fā)電機各部件的溫度分布如表2所示。由計算結(jié)果可以看出，發(fā)電機繞組沿軸向的溫升分布是不均勻的，發(fā)電機的最高溫升為78．8 K，位于靠近出風口側(cè)的定子上層繞組處。

表2 計算結(jié)果

5結(jié) 語

本文采用CFD法對發(fā)電機進行了通風計算，確定采用6臺外加風機對發(fā)電機進行冷卻，計算出通風系統(tǒng)總風壓降為1 267 Pa，冷卻空氣流量為2．216 1 m3/s，為風機的選型提供了依據(jù)。根據(jù)通風計算，確定熱計算的邊界條件，采用等效熱網(wǎng)絡(luò)法對發(fā)電機進行熱計算，得到發(fā)電機各部件的溫升值。由計算結(jié)果可以看出，發(fā)電機繞組沿軸向的溫升分布是不均勻的，發(fā)電機的最高溫升位于靠近出風口側(cè)的上層繞組處，發(fā)電機的最高溫升值為78．8 K，說明該通風系統(tǒng)能夠滿足溫升要求。

［1］ 溫嘉斌，孟大偉，周美蘭，等．大型水輪發(fā)電機通風發(fā)熱場模型研究及通風結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算［J］．電工技術(shù)學報，2000，15(6):1-4．

［2］ 魏永田，孟大偉，溫嘉斌．電機內(nèi)熱交換［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1998:230．

［3］ 陳世坤．電機設(shè)計［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2000．

［4］ 李偉力，丁樹業(yè)，勒慧勇．基于耦合場的大型同步發(fā)電機定子溫度場的數(shù)值計算［J］．中國電機工程學報，2005，25(13):129-134．

［5］ 王福軍．計算流體動力學分析［M］．北京:清華大學出版社，2004．

［6］ Nerg J，Rilla M，Pyrhonen J．Thermal analysis of radial-flux electrical machines with a high power density［J］．IEEE Transaction on industrial electronics，2008，55(10):3543-3554．