湯騰蛟 袁瑩 臧曉笛 董紅云 龐家猛

傳統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)需要通風(fēng)冷卻的主要部件為齒輪箱與發(fā)電機(jī)，兩者一般均采用空冷方式。為保證吸入清潔空氣，發(fā)電機(jī)和齒輪箱冷卻器風(fēng)扇均從機(jī)艙內(nèi)吸進(jìn)冷空氣，換熱后的熱空氣通過風(fēng)道排出機(jī)艙。由于機(jī)艙側(cè)面進(jìn)風(fēng)的方案不可行（在早期2MW機(jī)組上驗(yàn)證的結(jié)果為：因?yàn)榕搩?nèi)為負(fù)壓環(huán)境，存在進(jìn)雨水的缺陷），因此，機(jī)艙整體沿用底部自然進(jìn)風(fēng)的設(shè)計(jì)方案。在機(jī)艙排風(fēng)的設(shè)計(jì)中，國內(nèi)外絕大多數(shù)主流整機(jī)廠家，采用尾部機(jī)械排風(fēng)（軸流風(fēng)扇）的形式，在機(jī)艙內(nèi)部形成貫穿前后的氣流，將機(jī)艙內(nèi)熱源的表面散熱量排出機(jī)艙。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)功率的不斷提升，設(shè)備的發(fā)熱功率和所需的通風(fēng)風(fēng)量也不斷增加。此外，為了節(jié)省塔筒內(nèi)的低壓電纜、箱變至風(fēng)電機(jī)組的地埋電纜，降低風(fēng)電場的綜合系統(tǒng)成本，某大功率風(fēng)電機(jī)組采用了箱變內(nèi)置（將升壓變壓器及變流器上移至機(jī)艙）的設(shè)計(jì)方案。該方案造成了冷負(fù)荷的增加，因而對風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。若機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理，一方面會導(dǎo)致機(jī)艙溫升過高引起設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能下降、電纜等超過工作溫度限值甚至造成設(shè)備損毀；另一方面則會因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)風(fēng)速過大而引起沙塵大量進(jìn)入機(jī)艙。

本文針對因機(jī)艙熱源顯著增多、內(nèi)風(fēng)扇邊界數(shù)量多導(dǎo)致流場復(fù)雜的某大功率機(jī)組，采用CREO對機(jī)艙及主要部件進(jìn)行三維建模，并通過ANSYS SCDM進(jìn)行模型簡化。采用專業(yè)的熱分析軟件ICEPAK對機(jī)艙進(jìn)行分析，包括整個機(jī)艙以及關(guān)鍵區(qū)域的速度分布是否合理，是否存在明顯渦旋區(qū)（即換熱死區(qū)）；機(jī)艙各部件（尤其是變壓器）的溫升是否超限；機(jī)艙三個進(jìn)風(fēng)口面積、位置和形狀是否合理，是否存在流動不暢、新風(fēng)短路等問題。

模型建立

本文以某3MW機(jī)組為例，該機(jī)組機(jī)艙采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)，兩個進(jìn)風(fēng)口位于機(jī)艙底部，兩個排風(fēng)風(fēng)扇位于機(jī)艙尾部。齒輪箱冷卻器風(fēng)扇從機(jī)艙內(nèi)部吸風(fēng)，熱空氣通過風(fēng)道由機(jī)艙頂部排出；發(fā)電機(jī)兩個冷卻器風(fēng)扇從機(jī)艙內(nèi)部吸風(fēng)，熱空氣通過風(fēng)道由機(jī)艙右側(cè)面排出；上移到機(jī)艙的變流器從機(jī)艙內(nèi)部吸風(fēng)，熱空氣通過風(fēng)道由機(jī)艙左側(cè)面排出；上移到機(jī)艙的變壓器放置于機(jī)艙尾部，通過一塊厚度1.5mm的隔板與機(jī)艙內(nèi)其他部件隔開（隔板底邊與機(jī)艙底部留出約1m距離用于空氣流通），在機(jī)艙底部（變壓器正下方）額外設(shè)置了一個機(jī)艙尾部進(jìn)風(fēng)口。機(jī)艙內(nèi)主軸、后機(jī)架等不發(fā)熱部件會對流場和傳熱帶來影響，也需要考慮。

一、模型簡化及網(wǎng)格劃分

式中，Q為機(jī)艙總余熱功率；tp為機(jī)艙排風(fēng)溫度，按機(jī)艙最高允許溫度50℃計(jì)算；tj為機(jī)艙進(jìn)風(fēng)溫度，即艙外環(huán)境溫度，按最高工作環(huán)境溫度40℃計(jì)算；c為空氣比熱容，其值為1.01kJ/（kg·℃）。

因?yàn)樗竭\(yùn)動的沙塵（半徑0.25mm）被揚(yáng)起吸入所需的風(fēng)速至少為4m/s，因此自然進(jìn)風(fēng)風(fēng)速需控制在4m/s左右。根據(jù)換氣量和進(jìn)風(fēng)風(fēng)速可得到機(jī)艙各進(jìn)風(fēng)口所需的總面積。按過往機(jī)型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將兩個機(jī)艙中部進(jìn)風(fēng)口布置在發(fā)電機(jī)和變流器進(jìn)風(fēng)口的正下方，一個尾部進(jìn)風(fēng)口布置在變壓器進(jìn)風(fēng)口的正下方，盡量保證各部件的冷卻風(fēng)扇順暢進(jìn)風(fēng)。

在仿真模型中，對齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變壓器和變流器這些結(jié)構(gòu)做了簡化處理，并在ICEPAK中按實(shí)際表面積和簡化模型的表面積之比輸入面積因子。將變壓器三個線圈簡化成一個中空矩形塊，在模型中按實(shí)際通風(fēng)率在變壓器處建立了添加阻力系數(shù)的濾網(wǎng)。為了減小計(jì)算量，對主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)及變流器建立中空BLOCK，但是對需要重點(diǎn)觀測的變壓器建立實(shí)體BLOCK，并且對厚度相同的后機(jī)架通過抽中面建立板實(shí)體—— 與機(jī)艙隔板一樣，將其設(shè)置為等效厚度的傳導(dǎo)薄殼模型；對相近位置的多個風(fēng)扇（兩個齒輪箱冷卻器風(fēng)扇和兩個機(jī)艙排風(fēng)風(fēng)扇）也做了等效合并。

發(fā)電機(jī)、變流器、主軸為CAD導(dǎo)入模型（并非ICEPAK自建模型），模型使用Mesher-HD六面體占優(yōu)網(wǎng)格，由于模型中有曲面及狹縫，因此，需要采用多級網(wǎng)格劃分，并選擇Proximity及Curvature功能，以保證網(wǎng)格對模型的貼體，并通過Per-object網(wǎng)格對變壓器進(jìn)行邊界層加密，同時(shí)對部分網(wǎng)格薄弱的風(fēng)扇位置也進(jìn)行了局部細(xì)化。

二、邊界條件施加

（1）材料選擇

對齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸、后機(jī)架、機(jī)艙隔板等材料選擇碳鋼。

對變流器、變壓器材料選擇擠制鋁型材。

對機(jī)艙罩材料選擇接近玻璃鋼的復(fù)合材料。

（2）熱條件

發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變流器在設(shè)計(jì)前期都要求供應(yīng)商提供通過試驗(yàn)獲得的運(yùn)行時(shí)部件表面對流（輻射）散熱功率，以齒輪箱為例，額定輸入功率W和傳動效率ζ均為已知值，因此可以由W（1-ζ）獲得齒輪箱所需的總散熱功率，通過試驗(yàn)獲得的運(yùn)行時(shí)冷卻器的風(fēng)量、進(jìn)出風(fēng)溫度可以計(jì)算出運(yùn)行時(shí)由冷卻器帶走的散熱功率，兩者的差值即為齒輪箱表面對流（輻射）散熱量。因此，對發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變流器等中空BLOCK設(shè)置表面熱屬性為固定發(fā)熱量；對實(shí)體BLOCK的變壓器，設(shè)置供應(yīng)商提供的體固定發(fā)熱量，并設(shè)置外部對流換熱系數(shù)；對WALL結(jié)構(gòu)的機(jī)艙罩，設(shè)置等效厚度及外部對流換熱系數(shù)。

（3）風(fēng)扇條件

因?yàn)闄C(jī)艙內(nèi)各風(fēng)扇實(shí)際工作點(diǎn)受風(fēng)扇本身和系統(tǒng)阻力共同影響，因此對機(jī)艙罩上的齒輪箱冷卻器風(fēng)扇和機(jī)艙排氣扇、中空BLOCK上的發(fā)電機(jī)風(fēng)扇、變流器風(fēng)扇均采用Exhaust軸流風(fēng)扇，表示從計(jì)算域向外抽風(fēng)，并輸入各風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)壓-風(fēng)量P-Q曲線。對變壓器進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇這種內(nèi)部風(fēng)扇采用Internal軸流風(fēng)扇，并輸入P-Q曲線。

（4）計(jì)算整體條件

湍流模型可以使用默認(rèn)的零方程模型，輻射模型采用DO模型，并將用于對角空間離散的Theta divisions和Phi divisions設(shè)置為3，以更好地捕捉小幾何和形狀變化較大幾何的溫度梯度。環(huán)境溫度按該風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)要求設(shè)置為40℃。在求解設(shè)置中將壓力的離散格式修改為體力加權(quán)，同時(shí)采用雙精度計(jì)算。