葛云中

(中國人民解放軍96215部隊，廣西 柳州545616)

0 引言

近年來，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，大容量的風力發(fā)電機組不斷投入運行。但是，隨著發(fā)電機單機容量的增加，電機溫升也大幅度地提高，影響電機的安全運行和使用壽命。目前，國內(nèi)外研究風力發(fā)電機溫度場和流體場的相對較少，特別是對高海拔惡劣環(huán)境條件下運行的風力發(fā)電機溫度場和流體場的研究甚少。因此，本文從中國高原地區(qū)風力發(fā)電現(xiàn)狀進行分析，研究風力發(fā)電機在海拔4 km地區(qū)極限工況下流體流變特性和電機熱特性。

1 數(shù)學模型

電機冷卻系統(tǒng)內(nèi)流體流動滿足質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律［1］。

1.1 k－ε湍流模型

對于湍流則采用標準的k－ε湍流模型，可統(tǒng)一表達為以下形式:

圖1 發(fā)電機冷卻系統(tǒng)

1.2 三維熱傳導方程

在直角坐標系下，三維熱傳導方程為

式中:T為固體待求溫度，oC;kx、ky、kz分別代表x、y、z方向的導熱系數(shù)，W/(m·K);q為內(nèi)部熱源密度，W/m3。

2 求解域模型確定

2.1 電機冷卻系統(tǒng)結構

本文以一臺雙饋水冷風力發(fā)電機為研究對象，該發(fā)電機具有內(nèi)外兩路冷卻系統(tǒng)。內(nèi)冷卻系統(tǒng)，即空氣由設在電機端部的風扇強迫通風實現(xiàn)封閉式冷卻。外冷卻系統(tǒng)，發(fā)電機機殼內(nèi)設有水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水經(jīng)過與一次冷卻的熱空氣進行能量傳遞，將發(fā)電機運行時產(chǎn)生的熱量帶到外部。發(fā)電機冷卻系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 基本假設

根據(jù)電機結構、傳熱和冷卻系統(tǒng)的特點，作如下假設［2-5］:

1)將電機上層繞組和下層繞組分別按整體加以考慮。

2)電機各部件緊密接觸，所有絕緣材料性質(zhì)相同。

3)不考慮風扇實際存在，端部繞組用直線段取代。

4)由于電機中流體的雷諾數(shù)很大(Re＞2 300)，屬于紊流，因此采用紊流模型對電機內(nèi)流場進行求解。

2.3 計算區(qū)域

根據(jù)電機基本數(shù)據(jù)，在基本假設下，建立電機圓周方向1/8個區(qū)域為求解模型，求解域物理模型如圖2所示。電機的基本參數(shù)如表1所示。

表1 電機的基本參數(shù)

圖2 求解域物理模型

2.4 邊界條件

邊界條件為:

1)入口1及入口2為速度入口。

2)出口1及入口2為壓力出口。

3)發(fā)電機機殼外圓及轉(zhuǎn)子內(nèi)圓為散熱面，散熱系數(shù)的確定有文獻給定［6］。

4)冷卻介質(zhì)的特性由發(fā)電機所處的具體海拔高度確定。

3 流體特性分析

采用有限體積法對電機內(nèi)三維流體場和溫度場進行耦合求解，得出電機內(nèi)流體速度分布。

3.1 空氣速度分布

圖3為電機內(nèi)空氣速度分布。

圖3 空氣速度分布圖

通過對圖3流體分布以及計算數(shù)值結果分析，空氣在轉(zhuǎn)子通風孔的速度最大，為49.96 m/s。電機端部空氣流通空間大，流動速度相對較小，在流通空間變化大的區(qū)域速度變化較大，并有渦流產(chǎn)生。

3.2 水速度分布

圖4為水冷系統(tǒng)中冷卻水的流線分布。

圖4 水流場流線圖

從圖4可以看出:在求解域外冷卻系統(tǒng)中冷卻水在冷卻過程中速度較低，其數(shù)值為2.27 m/s。在實際的電機中，電機的出入口均為一個，即在電機整個外冷卻系統(tǒng)中水的最大速度也為2.27 m/s。

4 溫升特性分析

4.1 電機整體溫升分布

圖5為風力發(fā)電機在高原極限工況下溫升分布。

圖5 電機溫升分布圖

從圖5可見，電機風扇端定子股線受散熱條件的影響，定子端部股線溫升明顯高于電機的其它部分，最高溫升達100.9 K。其次是轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升，最高溫升為100.1 K。由于轉(zhuǎn)子股線和鐵心緊密接觸，因此，相對應的轉(zhuǎn)子鐵心溫升也較高。另外，空氣在電機內(nèi)流動到風扇端的過程中溫度不斷變高，所以，電機風扇端的溫升明顯高于非風扇端的溫升。

由于液體工質(zhì)的密度與比熱容都遠遠大于氣體工質(zhì)，帶走熱量能力強，因此，機殼以及定子區(qū)域溫升低于轉(zhuǎn)子區(qū)域。

4.2 轉(zhuǎn)子溫升分布

圖6為轉(zhuǎn)子最熱區(qū)域軸向截面溫升分布圖，圖7為轉(zhuǎn)子股線沿軸向長度溫升分布圖。

從圖6、圖7中可以看到:

1)轉(zhuǎn)子槽內(nèi)溫升高于其它各個部分，槽口、齒根和軛部溫升較低。

2)平面內(nèi)的溫升最高點位于槽中心線上，沿著兩側絕緣層溫升快速下降，在鐵心位置趨于穩(wěn)定，并且沿著周向呈對稱分布。

3)股線和鐵心緊密接觸，轉(zhuǎn)子股線的最熱位置與鐵心的最熱位置相對應。

4)槽內(nèi)上層股線溫升高于下層股線，除在風扇端外，雙層繞組變化規(guī)律基本一致，溫升差約為2.9～4.1 K。轉(zhuǎn)子端部股線產(chǎn)生的熱量主要由端部流動的空氣帶走，上層繞組在背風區(qū)，散熱較下層繞組困難，上層繞組溫升下降慢，上下層繞組溫升相差最大為6.2 K。

4.5 水溫升分布

圖8為機殼中水循環(huán)系統(tǒng)的溫升分布。

圖8 水溫升分布圖

從圖8可以看出:在求解域水冷系統(tǒng)中水的溫升較低，最大溫升為1.8 K，出水口平均溫升為1.22 K。

通過對圖4和圖8的對比分析，水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)速度分布與溫升分布是相對應的。在渦流區(qū)和水流動較慢的區(qū)域水的溫升較高;而水流通暢的區(qū)域水的溫升低。

5 結論

通過上述建立的風力發(fā)電機數(shù)學模型與實際使用風力發(fā)電機的性能分析計算對比，其結果為:

1)平原地區(qū)工作的發(fā)電機的性能與本次實驗的發(fā)電機的性能數(shù)值誤差為4.24%，滿足運行要求。

2)在高原極限下運行時，電機最高溫升為100.9 K，遠小于F級絕緣條件所允許的最高溫升。由此表明電機適應高原環(huán)境風速變化，在極限工況下，可以安全、可靠運行。

3)電機氣隙熱阻大，徑向溫差大，整體溫升分布呈現(xiàn)出了兩個溫差較為明顯的區(qū)域:轉(zhuǎn)子溫升區(qū)和定子溫升區(qū)。

［1］周俊杰，徐國權，張華俊.FLUENT工程技術與實例分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2010:14-17.

［2］吳德義.大型空冷汽輪發(fā)電機通風結構中氣體運動流場的合理建模［J］.大電機技術，2005(6):8-10.

［3］丁樹業(yè)，李偉力，靳慧勇，等.發(fā)電機內(nèi)部冷卻氣流狀態(tài)對定子溫度場的影響［J］.中國電機工程學報，2006，26(3):131-135.

［4］KOMEZA K，LóPEZ-FERNáNDEZ X M，LEFIK M.Computer modelling of 3D transient thermal field coupled with electromagnetic field in three-phase inductionmotor on load［J］.The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical＆Electronic Engineering，2010，29(4):974-983.

［5］溫志偉，顧國彪，王海峰.浸潤式與強迫內(nèi)冷結合的蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機定子三維溫度場計算［J］.中國電機工程學報，2006，26(23):133-138.

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