兆瓦級徑向通風電機內流變特性數值模擬

丁樹業，趙 楊，陳衛杰，苗立杰

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兆瓦級徑向通風電機內流變特性數值模擬

丁樹業1，趙 楊1，陳衛杰1，苗立杰2

(1. 哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，哈爾濱150080；2. 哈爾濱電氣集團公司，哈爾濱150040)

隨著風力發電機單機容量的增加，發電機的通風結構和冷卻方式也變得越來越復雜，對電機內通風系統計算的精度要求也越來越高。本文根據流體力學基本理論，以一臺5MW雙饋風力發電機為例，結合發電機通風性能以及結構特點，在基本假設的基礎上，建立了1/4發電機整體域內三維流體場物理模型。通過給出相應的邊界條件，采用有限體積元法對發電機內部的流體場進行了數值計算。最后對發電機內部流體場的流動特性及分布規律進行了詳細分析，得出了一些有益的結論，為發電機結構優化以及更大容量風力發電機的通風設計提供了理論依據。

大功率雙饋風力發電機；徑向通風；有限體積法

0 前言

隨著對風力資源開發的深入發展，風力發電機單機容量不斷提高[1]，同時對發電機的冷卻系統也提出了越來越高的要求，這就需要對電機內的通風系統進行準確的計算，進而合理分配電機內冷卻介質，使電機的發熱部件得到良好的冷卻。同時良好的通風系統也有助于降低噪聲，減小風摩損耗，提高系統效率。

電機通風冷卻系統的通風計算，理論上可以通過N-S方程及流體連續性方程求解，但實際上由于系統內冷卻空氣的過流情況十分復雜，邊界條件不易確定，所以傳統計算一般采用近似計算法、等值風路法及通風網絡法[2]。重慶大學韓力等[3]提出了含有風壓源復雜結構風路的閉環迭代解法計算風路，獲得了較好的計算結果。哈爾濱電機廠蔡兵、李廣德[4]等采用分布集中參數構成通風網絡，用函數風阻法建立多回路非線性方程組，對發電機的通風系統進行綜合的分析計算，得到通風系統的總風量及風壓。

近幾十年來，隨著計算機技術發展，一些學者在流體力學理論、有限體積[5,6]及有限元方法[7]的基礎上，對大型發電機內的流場進行了研究，如路義萍[8]等用計算流體力學對發電機轉子風道結構與流量分布的關系進行了研究；李偉力[9]等用有限體積法對大型同步發電機定子多元流體場分布進行了深入研究。

但是，綜合近年來的研究成果可以看出，流場計算常將電機的整體結構分成幾部分分別計算，難以獲得工程分析所需的整體、精確的計算結果，而對大型風力發電機內部整體流體場的研究成果相對較少，所以對大型風力發電機內的整體流體場進行分析研究具有一定的現實意義和工程實際價值。

本文在吸收以往大型電機通風計算經驗的基礎上，以一臺5MW雙饋風力發電機為例，建立了發電機半個軸向長度、半個周向內通風計算的物理模型，利用有限體積法對流體場進行了數值計算。對發電機內的冷卻氣體風速以及其沿軸徑向的分布特性進行了研究，得出了一些在風力發電機設計中可以參考的研究結果。可為同類型更大容量的風力發電機的設計以及發電機可靠運行提供理論參考。

1 模型的建立

1.1 數學模型

在實際工程中，由于發電機內氣體流速遠遠小于聲速，空氣密度的變化是很小的，可以將氣體看作不可壓縮流體。由于發電機內冷卻流體的雷諾數很大，因此發電機內氣體屬于紊流。在標準大氣壓下，發電機內流體的流動滿足質量、動量守恒，相應的三維控制方程[10]如下:

質量守恒方程為：

式中：、、—分別為、和方向的速度分量。

動量守恒方程：

1.2 發電機的冷卻系統

本文以一臺5MW雙饋風力發電機為例，冷卻系統結構原理如圖1所示。

圖1 發電機整體通風結構示意圖

該發電機的通風系統采用雙路徑向通風結構，密閉式通風冷卻方式。通風系統依靠轉子自身旋轉作用驅動冷卻氣體在電機內部循環流動，達到通風冷卻的目的。

冷卻空氣從電機上部冷卻器的出口進入到電機的端部，經轉子支架進入轉子本體部分，沿轉子徑向風道冷卻轉子線圈本體部分，從轉子槽楔的出風口出來，進入電機的氣隙，會同從氣隙進入的少量冷卻氣體，共同進入定子各通風溝內，冷卻定子鐵心后，從定子鐵心背部出來，經冷卻器冷卻，帶出電機的損耗熱，重新回到電機的端部，完成一密閉循環冷卻系統。

1.3 基本假設及物理模型的建立

1.3.1 基本假設

根據電機通風的特點，以及電機的結構特征，做出如下假設:

（1）電機內流體的雷諾數很大(Re＞2300)，故采用湍流模型對電機內的流場進行求解；

（2）電機內流體場中，流體流速遠小于聲速，即馬赫數(Ma數)很小，故把流體作為不可壓縮流體處理；

（3）忽略通風道內流體的浮力和重力；

（4）由于電機的對稱性，計算可簡化為只計算半個軸向長度、半個周向電機有效部分的風路；

（5）由于只研究發電機內流體流速的穩定狀態，即定常流動，因而控制方程不含有時間項。

1.3.2 物理模型的確定

根據5MW雙饋風力發電機的結構特點及基本假設，本文取發電機1/2圓周以及1/2軸向長度的冷卻氣體作為流體場求解的物理模型，所建模型包括發電機的內部空氣、定、轉子通風槽鋼。流體場的求解域模型如圖2所示，其中Z方向為電機軸向，發電機的半個軸向段區域包含了12個徑向通風溝，轉子風溝出口與定子風溝入口相互對齊，定義靠近軸中心處的風溝為1號風溝，沿Z軸正方向依次定義，靠近端部處的風溝編為12號。

圖2 三維流體場的求解域

1.3.3 邊界條件

邊界條件正確與否決定了數值計算的準確性。本文結合電機的結構特點，根據圖2發電機流體場數值計算求解域，給出以下邊界條件：

（1）入口為壓力入口邊界，數值為一個標準大氣壓；

（2）出口為壓力出口邊界，數值為一個標準大氣壓；

（3）軸中心徑向截面設為周期邊界條件，轉軸對稱面設為對稱邊界條件，其余的邊界面為無滑移邊界。

2 流變特性計算結果研究

2.1 整域內流體場流量計算結果分析

表1為發電機內各部分的風量的計算結果。

表1 發電機通風計算主要結果

從計算結果可以看出，冷卻氣體主要通過轉子支架進入電機內部，進入轉子支架中的風量占到總風量的99.64%，而進入氣隙中的空氣極少，僅占總風量的0.56%。這是由于電機在設計中，氣隙入口的過流面積極小，使氣隙入口處的風阻很大。大量冷卻氣體經轉子進入定子，有利于轉子的冷卻。而本臺電機為轉子帶線圈的隱極電機，對轉子的冷卻要求較高，可見這樣的電機設計有利于此類電機的冷卻。

本臺電機需冷卻器帶走的損耗為134.6k，流體場計算所需冷卻介質總流量為4.0788m3/s，發電機的計算總風量為4.941m3/s，可見通風系統基本能夠滿足電機的通風冷卻要求。

2.2 徑向流場特性分析

在流體場的計算中，忽略了定轉子鐵心以及定轉子線棒等固體發熱的影響，對于流體場的分析主要考慮在發電機轉子旋轉產生的風扇作用和發電機內流體流速以及流體壓力的分布情況。假定電機逆時針方向旋轉為電機的正轉方向。圖3為風溝1的中心截面壓力分布云圖。

圖3 徑向通風溝中心截面的壓力分布

從圖3中可以看出，在徑向流域內流體壓力變化很大，在轉子區域內，壓力沿軸向不斷增大，達到轉子出口處壓力達到最大。在定子區域內，壓力沿徑向逐漸減小，最低壓力發生在轉子支架附近轉子槽鋼徑向通風溝內。從以上規律可以看出，通風槽鋼在旋轉過程中起到了離心式風扇的作用，冷卻空氣從進風口被吸入，轉動的通風槽鋼起到了扇葉的作用，在轉動過程中槽鋼對氣體施加動力作用，提高氣體的壓力和速度，被加速的氣體在流動中把動能轉換為靜壓能，然后隨著流體的增壓，使靜態能又轉換為速度能。驅動冷卻氣體在電機內的流動。

圖4給出了通風溝1中心截面速度分布云圖。

圖4 徑向通風溝中心截面的速度分布

從圖4中可以看出，轉子側流體速度沿徑向逐漸增大，主要是由于轉子旋轉產生的離心力作用使風沿徑向不斷獲得機械能，從而使風速不斷升高，在轉子通風槽鋼徑向外圓以及氣隙內的風速最高。定子通風槽鋼內的風速較低，定子鐵心與機殼間的風速也較低在定轉子通風槽鋼兩側流體流速存在一定的差別，槽鋼迎風面的流體速度大于背風面的流體速度，其中定子側的差別更加明顯。在定轉子區域內，由于通風支架的存在，流場流速在周向上的分布規律基本相同。

2.3 軸向流場特性分析

圖5為過定子槽、轉子齒中心線的軸向速度分布圖。

圖5 軸向截面的速度分布圖

從圖中可以看出：右側端部轉子線棒外圓附近的流體流速為最大值，可見端部轉子線棒的旋轉同樣起到離心風扇的作用。下部轉子支架內，入口處流體流速較大，沿軸向風速逐漸減小。

圖6為各風溝轉子入口和定子入口壓力對比曲線。從圖6中可以看出，轉子風溝內的靜壓力沿軸向逐漸上升，這是因為轉子支架內摩擦阻力很小，可以認為氣體在轉子支架內的總壓是不變的，由于支架入口處空氣的速度較大，即動壓較大，根據伯努利方程可知，轉子支架入口處的靜壓較小。沿Z軸的負方向，空氣的流速逐漸減小，即動壓逐漸減小，所以靜壓沿軸向逐漸上升。從圖中還可以看出定子風溝入口處的壓力沿軸向變化相對平緩。

由圖7可以看出：隨通風溝編號的增加，轉子和定子中的冷卻氣體流量逐漸增加，這是由于在轉子支架內，靜壓沿軸向逐漸增大。轉子風溝流量最大值為0.0959 m3/s，定子風溝流量最大值為0.0950 m3/s。同時從圖中還可以看出，定轉子各風溝入口處的流量相差很小。這是由于轉子的旋轉以及氣隙的過流面積較小，使氣隙中的軸向風阻很大，各風溝中的氣體沿氣隙軸向的流動較少，從轉子風溝出口流出的氣體基本直接進入到相對的定子風溝中。

圖6 定轉子通風溝內壓力沿軸向分布特性曲線

圖7為定轉子風溝入口流量對比曲線。

圖7 定轉子通風溝內流量沿軸向分布特性曲線

3 相關影響因素對流體內流變特性的影響

因轉子通風槽鋼的形狀尺寸的影響，電機逆時針旋轉和順時針旋轉，轉子通風槽鋼的扇風作用是不同的，因此本文對電機正轉和反轉兩種工作狀態下的流體特性進行了計算。

圖8為不同工作狀態下電機轉子各風溝入口流量對比曲線。從圖8中可以看出，電機在兩種工作狀態下，靠近端部風溝內的流量基本相同，但隨著向軸中心位置的靠近，風溝內流量的差距逐漸變大。可以看到，電機反轉時轉子的攜風能力更強。這是因為轉子通風槽鋼的彎曲設計，使電機在正反轉時，轉子具有不同的壓頭壓力。為使電機達到更好的冷卻效果，可嘗試改變槽鋼的彎曲方向來提高電機正轉時的攜風能力。

圖8 正反轉時風溝內流量特性對比曲線

4 結論

本文通過對5MW大型雙饋風力發電機流體場的數值計算和特性分析，主要可以得到如下結論：

（1）轉子通風槽鋼在運行過程中產生的風量為4.941m3/s，能夠滿足電機冷卻的要求；

（2）流體流速在徑向上變化十分劇烈，其中位于轉子區域內的流速較高；在軸向上流速變化相對平緩，端部流速大于軸中心處流速；

（3）進入轉子支架中的風量占總風量的99.64%，進入定轉子氣隙中的風量占總風量的0.56%；

（4）電機反轉時機內的冷卻效果更好，因此可以考慮改變轉子槽鋼的彎曲方向。

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Numerical simulationof rheological propertiesof megawatt generatorwith Radial ventilation structure

DINDING Shuye1, ZHANG Yang1, CHEN Weijie1, MIAO Lijie2

(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China; 2.Harbin Electric Corporation, Harbin 150040, China )

Ventilation structure and cooling method of wind generator get complex and complex with the increasing of its capacity, while the accuracy requirements of ventilation system calculated are also increasing. The paper is based on hydromechanics theory, a 5MW large doubly-fed wind generator was take as an example, physical model that describe three dimensional fluid field of the 1/4 generator was established on the basis of basic assumptions considering ventilation characteristic and structure feature of generator. The fluid field inside generator was calculated numerically using finite volume method by giving corresponding boundary conditions. Finally, fluid flow characteristic and distribution performance of generator were analyzed in detail, and some useful conclusions were achieved, by which a theory gist for structure optimization of the generator and ventilation design of the larger capacity wind generator is provided.

large doubly-fed wind generators; radial ventilation; finite volume method

TM301.4+1

A

1000-3983(2014)04-0018-05

2013-05-22

國家自然科學基金（51277045）；黑龍江省自然科學基金（QC2012C109）；黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12531112）。

丁樹業(1978-)，2008年畢業于哈爾濱理工大學電機與電器專業，獲博士學位；現為哈爾濱工業大學和哈爾濱電氣集團聯合培養博士后；主要研究方向為電機綜合物理場數值計算及特種電機理論研究，副教授。

審稿人：李廣德