具有徑向通風結構的5兆瓦雙饋風力發電機內流熱特性

　　摘要：為了揭示具有徑向通風結構電機內流體流變特性及傳熱規律，以一臺5MW雙饋風力發電機為例，依據流體力學和數值傳熱學基本理論，結合電機通風結構特征及冷卻方式，在建立三維流熱數學模型的基礎上，通過給定基本假設，確定了流體流動與傳熱特性研究的物理模型。采用有限體積法對具有密閉循環冷卻系統的徑向通風電機流體場和溫度場進行了數值求解，并對數值計算結果進行了詳細的數值分析。闡述了電機內流體參數在軸向及徑向的空間分布特性，并以此為基礎研究了電機內部的溫升分布特性，揭示了具有徑向通風結構電機內部流體流動及熱性能的耦合規律。

　　關鍵詞：有限體積法;雙饋風力發電機;流體場;溫度場;計算流體力學

　　《電機與控制應用》(月刊)創刊于1959年，由上海電器科學研究所(集團)有限公司主辦。為電機行業的技術性刊物。

　　0引言

　　我國的能源產業發展迅速，電機在電力行業中發揮著不可替代的作用，電機的發展水平直接關系到國民經濟的發展速度。徑向通風電機由于其獨特的結構特點被普遍應用在電力生產過程中。由于該類型電機的通風結構及原理較為復雜，因此，對具有徑向通風結構的電機進行流體場及溫度場的精確計算具有重要意義。對流體場和溫度場的準確可靠的研究，有利于提高該類型電機多物理場的計算精度，改善徑向通風電機的通風效果，進而提高電機運行的安全性、可靠性及穩定性。由此可見，對徑向通風電機內流型演化及傳熱規律的研究顯得格外重要。

　　目前，對于徑向通風電機多物理場計算研究較少，影響其發展的因素主要有下面兩方面，由于定轉子徑向通風槽鋼的存在，當電機運行時，轉子槽鋼可作為離心式風扇的扇葉，不僅增加了電機機械結構復雜度，而且使電機內部多種物理場相互關系更加錯綜復雜，因此，對于徑向通風電機流體場及溫度場的研究需要解決這兩方面的問題。近年來，國內外的諸多專家學者對電機結構以及電機內的流體場、溫度場以及流-熱耦合場進行了卓有成效的研究，為本文對徑向電機的研究提供了理論指導。在對通風冷卻結構的研究中，國內學者袁益超教授做了深入的研究工作，并以電機的軸向及徑向通風道結構為重點對其理論及仿真方法進行了深入剖析和解讀。

　　本文建立了三維流熱數學模型和物理模型，采用有限體積法對一臺具有徑向通風結構的5MW雙饋風力發電機的流體場和溫度場進行數值研究。在明確了流量及流速等參數在電機軸向及徑向空氣域內空間分布特性的基礎上，進一步研究了電機內部的溫升特性。為具有徑向通風結構電機的通風結構優化設計及熱性能分析提供了理論依據。

　　1求解域物理模型及數學模型

　　1.1數學模型

　　電機內流體流動受到物理守恒定律的約束。當流體流動狀態為不可壓縮且處于穩定流動狀態時，在直角坐標系中流體流動質量、動量以及能量守恒方程可分別表示為：

　　1.2基本假設

　　為了簡化求解過程，作如下假設：

　　1)由于僅研究電機處于穩定運行狀態時的流體流動情況，為定常流動，因而不考慮時間項;

　　2)電機內流體流動為紊流流動，計算時采用標準k-ε模型;

　　3)計算域內流體流速小于聲速，因而不考慮空氣的壓縮性;

　　4)對端部股線采用平直化處理，絕緣與導體接觸緊密;

　　5)對定、轉子股線絕緣、層間絕緣以及主絕緣等效為一個絕緣體;

　　6)電機各部分浸漆均勻，絕緣良好;

　　7)定、轉子上下層股線施加熱源相同，忽略其集膚效應。

　　1.3物理模型

　　本文所研究的發電機沿軸向有24個徑向通風道，且轉子與定子通風道寬度相等且軸向對齊排布。在強迫風機作用下，冷卻空氣從兩端電機端部，對電機進行冷卻，從電機流出的熱空氣經冷卻器冷卻降溫后，再次循環進入電機，構成整個內循環冷卻系統，從而帶走電機內部的熱量，達到降低電機溫升的目的。根據該電機通風結構的對稱性特征，因此對電機流體場求解時可以采用電機四分之一結構單元，即采用沿圓周方向1/2電機單元、軸向1/2電機單元作為基本求解域。其中計算域內電機端部包含有定、轉子端部線棒，轉子計算域沿周向分布有27個轉子槽，定子計算域沿周向分布有36個定子槽。為了便于研究，將流體域分為兩部分，即轉子部分的旋轉流體域及機殼腔及定子區域中的固定流體域，其物理模型如圖1所示。

　　由圖1可知，冷卻介質經由電機端部空氣域上部進入，冷卻電機內部各結構件后，經定子鐵心徑向風溝流出。為了保證電機內部各結構件得到充分的冷卻，在出風口與人風口的交界處放置一個擋風板，擋風板本身不隔熱。另外，該區域包含12個徑向通風道，從1號到12號依次編號。

　　同理，為簡化計算過程，對于溫度場的計算采用如圖2所示的軸向1/2、周向1/6的物理模型。

　　2求解條件

　　2.1電機基本數據

　　本文以一臺5MW雙饋風力發電機為例，該發電機基本參數如表1所示。

　　根據電機參數對電機電磁場進行計算，得到電機各部分損耗如表2所示。

　　將電機在額定狀態下的損耗作為熱載荷，施加在電機定轉子鐵心及繞組部分，從而對電機進行溫度場求解。

　　2.2邊界條件

　　結合該風力發電機通風結構特點，將電機流體場數值計算求解域的邊界條件設置為：

　　1)人口采用壓力人口邊界條件，設為1atm;

　　2)出口采用壓力出口邊界條件，設為1atm;

　　3)軸向各截斷面均設為Symmetry，周向的各截斷面設為Periodic，其他各壁面設為無滑移壁面邊界條件。

　　另外，將電機溫度場數值計算求解域邊界條件設置為：

　　1)人口采用速度人口邊界條件，速度大小設為0.52m/s：

　　2)出口采用壓力出口邊界條件，設為1atm;

　　3)電機軸向各截斷面均設為Symmetry，其余各壁面均設為絕熱壁面;

　　4)將轉子區域的流體轉速設為電機的額定轉速，為1200r/min。

　　3三維流體場計算及分析

　　3.1流體場整體分析

　　發電機轉子徑向風溝內的槽鋼在轉子旋轉過程中具有離心式風扇的作用，在電機內產生壓頭，加之強風風機的作用，促進電機內冷卻流體不斷循環流動帶走電機熱量。為了全面了解整機內流體流動過程，求出電機內流體流線圖，如圖3所示。

　　由圖3可知，冷卻氣體由進風口進入電機端部氣腔內，人風口附近流速較低，到氣腔后速度逐漸升高，其內部定轉子區域流體形態并不完全一樣，且與電機底部區域流速相比，靠近電機人口的上層區域流速較大，并且與轉子流域相比，定子流域內流速變化更為明顯。這是因為電機在穩定運行時，轉子處于以恒定轉速旋轉的狀態，而定子與機殼處于相對靜止的狀態，此時，電機頂部與底部的相對位置對轉子流域內影響不大，但對定子流域內流體流動的影響較為顯著，致使端部空氣域內定轉子部分流體流速及空間壓力分布不一致。冷卻空氣進入端部空氣域后，經各軸向風道沿軸向流動，受到轉子旋轉的影響，轉子徑向通風溝內流體流速較大，受到的壓力較大。冷卻空氣經氣隙進入定子徑向通風道后，受到沿程阻力的影響，流速顯著降低，受到的壓力減小。并且定子流域內存在回流，冷卻空氣在徑向風道內發生碰撞，能量損失嚴重。

　　提取數值計算結果可以知道，電機計算域內總流量為4.941m3/s，總流量的理論值為4.0788m3/s。鑒于此，可以初步判斷，該風力發電機的徑向通風結構滿足其通風要求。

　　3.2電機軸向各徑向通風溝流場對比分析

　　電機徑向通風溝內冷卻氣體流量沿軸向長度的增加而發生變化，但是沿軸向方向轉子徑向風道出口及定子徑向風道人口面積均不變，造成冷卻氣體沿軸向流速將發生變化。為了研究徑向風溝內沿軸向方向流體流變特性，分別取1號和12號通風溝中心截面作為采樣面，流速分布如圖4所示。

　　由圖4可知，從軸向上來看，流體的速度分布規律一致，即1號通風溝流速最大，12號通風溝流速最小，即在軸向方向上，電機中部流量最大，越靠近端部流量越小。

　　同時可以看出，轉子區域流體速度明顯大于定子區域。徑向長度越大，轉子流速也將越大，且迎風面和背風面流速不同，在氣隙處達到最大值。針對定子通風槽鋼而言，其迎風面與背風面流體流速相差較大，迎風面流體流速較大，但從徑向上來看流體速度變化緩慢。這是由于冷卻氣體從人風口進入端部氣腔，而后進入各徑向通風溝，由于轉子旋轉產生的離心力作用，轉子區域內風速不斷增大，最大值位于轉子風道出口與氣隙的交界處。定子區域受人風口流速及轉子旋轉影響較小，故徑向上流速變化較小。

　　為了具體研究徑向通風溝內流體流速變化情況，表3給出了各個徑向通風溝的最大流速。

　　為了進一步分析沿軸向方向徑向風溝內流體分布特性，取轉子徑向風溝出口流量及定子徑向風溝進口流量，圖5給出了定轉子通風溝流量分布曲線圖。

　　由圖5可知，轉子徑向風溝出口及定子徑向風溝進口流量相差不大，且分布趨勢大致相同，均呈現逐漸減小的趨勢，1號通風溝處流量最大，轉子風溝流量最大值為0.1926m3/s，定子風溝流量最大值為0.19m3/s。

　　3.3電機徑向通風溝流場速度分析

　　電機定轉子通風槽鋼對電機內部流體流型演化有很大的影響，根據3.1節和3.2節可知，針對定轉子通風槽鋼而言，徑向長度的不同會導致流體流速產生變化，且迎風面、背風面流體流速也不同。為具體分析定轉子槽鋼兩側冷卻氣體分布情況，將采樣線設置在1號、6號及12號通風溝內定、轉子槽中。

　　圖6中(a)為定子區域AB、EF及CD采樣線位置，迎風面處的采樣線為AB，背風面處的采樣線為凹，槽軛部中間位置為EF，圖6中(b)、(c)、(d)為所采樣位置處的流體流速變化曲線。

　　分析圖6可得，隨著軸向長度增加，3個采樣位置的定子通風溝內流速均減小，且最大流速位于1號風溝，最小流速位于12號風溝，但是定子槽鋼迎風面相比于背風面而言流速減小趨勢不明顯。其中，AB處流速最高，CD處流速次之，丑F處流體速度最低。

　　這是由于槽軛部中間位置兩側空氣在定子槽尾部匯集，存在渦流，使定子徑向通風溝內流體能量損失較多。另外，流體流速較小的位置出現在定子通風溝人口附近及齒部，定子軛部處的速度急劇增加，導致這種現象的原因是冷卻空氣在定子齒部處受到定子股線的阻礙，且受轉子旋轉的影響，相比于迎風面，背風面流速明顯下降。當流體到達定子風道出口附近，由于流動區域陡然變大，流速迅速降低。

　　同樣地，對轉子區域流體進行相同的研究分析，轉子區域采樣線為ab、ef及cd，如圖7中(a)所示，其中ab為迎風面，cd為背風面。

　　由圖7可知，在軸向上，隨著軸向距離的增大，轉子各徑向通風溝內流速逐漸減小，其變化趨勢與定子徑向風溝內流體變化趨基本相同，不再贅述。轉子風溝內流體流動變化更加激烈，呈非線性變化趨勢。在徑向方向上，隨著徑向長度的增加，轉子徑向風溝內流體與定子內流體變化狀態不再相同，而是出現先增大后減小的趨勢，在股線區域流速出現拐點，且在背風面cd區域越靠電機端部，流體流速減小越明顯。當流體達到風溝出口時，迎風面a6區域的流體流速突然降低，而背風面cd區域的流體突然升高，即流體在該區域均出現拐點，在出口附近，背風面流體流速明顯高于迎風面。

　　4三維溫度場計算及分析

　　基于電機基本假設，根據徑向通風電機結構特點及傳熱特性，建立電機三維物理模型。為節省計算時間，根據電機整體結構的對稱性，在電機軸向上選取1/2區域、在周向選取1/6區域作為物理模型，周向上包括12個定子槽和9個轉子槽。