兆瓦級風力發電機導電桿組件溫度場分析

潘躍林，陳紀軍，尹曾鋒

(海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411101)

兆瓦級風力發電機導電桿組件溫度場分析

潘躍林，陳紀軍，尹曾鋒

(海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411101)

隨著風力發電機的容量不斷提高，發電機的功率損耗和溫升較為嚴重，雙饋風力發電機中導電桿組件的溫度變化較高，直接關系著整機的壽命和安全運行。通過有限體積法，結合導電桿組件各部分傳熱，仿真分析了瞬態傳熱時導電桿組件的溫度場，結果表明，銅桿圓柱凸臺與環氧樹脂絕緣層存在最大的溫度變化，產生的熱應力容易損害導電桿組件。

風力發電機 導電桿 瞬態傳熱 溫度場

0 引言

隨著大功率風力發電機容量的不斷增大，電機的發熱問題越來越引起設計者的關注。現階段，大型發電機定子、轉子溫度場方面的研究還不是很多[1-5]，針對導電桿組件的溫度場分析更不常見，大功率電機連續運行時導電桿出現損壞的情況時有發生，需要研究風力發電機導電桿組件的傳熱特性。

1 模型建立與計算

1.1 數學物理模型

流體微元的能量增加率等于進入該微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體做的功。可以得到以溫度T為變量的能量守恒方程為[6]：

式中：ρ為流體密度；t為流動時間；vx、vy、vz分別為流速在x、y和z方向上的分量；CP為流體比熱容；T流體為溫度；x、y、z分別為三維直角坐標系的方向；λ為流體的導熱系數；ST為流體粘性耗散項，也就是流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分。

熱傳遞在導電桿組件內為熱傳導，在其外表面為熱對流，在銅導桿和環氧樹脂層臨界面為熱傳導，因組件整體溫度較低，忽略熱輻射后。依據能量守恒關系，可得出導熱微分方程為[7]：

式中：qV表示均勻內熱源的發熱率。

瞬態傳熱計算中，對于物理模型的建立最好采用多零件組合分析，該物理模型為轉軸、環氧樹脂絕緣套和銅桿組成，如下圖1所示。

圖1 求解域物理模型

1.2 仿真邊界條件

根據電機實際工作環境，電機內部空氣溫度t0=40 ℃，轉軸外表面溫度tw=50 ℃，電機內部空氣流速v=2 m/s，轉軸外徑d=0.21 m，空氣導熱系數λ=0.0276 W/(m*k),空氣運動粘度υ=16 ×10-6m2/s，空氣普朗特數Pr=0.69，空氣雷諾系數Rem，空氣努賽爾系數Num，

根據傳熱學公式計算轉軸表面傳熱系數h。

通過計算得知，該段轉軸表面傳熱系數在傳熱計算中取值12.3 W/(m2·k)；環氧樹脂外殼伸出轉軸外部的表面傳熱系數經計算為23.2 W/(m2·k)。

瞬態傳熱計算的具體邊界條件設計如下：

1）銅桿：生熱率9.8E3 W/m3；導熱率110 W/(M·K) ；比熱390 J/（kG·K）；密度8500 kg/m3；節點溫度60℃。

2）環氧樹脂外殼：環氧樹脂導熱率0.188W/(M·K) ；比熱1100～1400 J/（kG·K）；密度1100 kg/m3；節點溫度55℃；表面對流傳熱系數23.2 W/(M2·K)；

3）鋼轉軸：導熱率52 W/(M·K) 比熱486 J/（kG·K）密度7800 kg/m3；表面對流傳熱系數12.3 W/(M2·K)；節點溫度50℃。瞬態傳熱計算時間設定為10 h。

2 瞬態傳熱計算結果與分析

根據導電桿組件的網格模型和設定的仿真邊界條件，我們可以得出整個組件在設定時間內任意時刻的瞬態溫度場分布情況。現采集10 h內，每2 h導電桿組件模型中心位置瞬態溫度場分布情況，如下圖2～圖7所示。

圖2 0.1 h中心面溫度場

圖3 2 h中心面溫度場

圖4 4 h中心面溫度場

從以上溫度場中可以看出，導電桿組件中的銅桿溫度一直在升高，由初始的溫度60℃升高到166.425℃，并且銅桿溫度上升的最大值遠不止166.425℃。導電桿組件的塑料絕緣層采用環氧樹脂材料，銅桿凸圓臺與絕緣層連接處溫度變化很大，溫度范圍為18.492℃～166.425℃。黃銅的熱膨脹系數約為1.8×10-5/K，而環氧樹脂的熱膨脹系數約為6.7×10-5/K，兩者相差近3.7倍，銅和環氧樹脂的熱膨脹系數相差較大，并且，在10 h內黃銅的溫升為106.425 ℃，環氧樹脂的溫升約為37 ℃，銅和環氧樹脂的熱膨脹量不同，所以，銅桿凸圓臺與絕緣層結合處產生的熱應力會很容易破壞絕緣層。

圖5 6 h中心面溫度場

圖6 8 h中心面溫度場

圖7 10 h中心面溫度場

根據計算結果，利用與黃銅熱膨脹系數相近的材料制作絕緣套，可以保證兩種材料的接合面不會出現熱應力損害。但是一般塑料的熱膨脹系數都比金屬大2～10倍，無法找到一種絕緣材料能直接與黃銅匹配。在黃銅桿與環氧樹脂絕緣層間添加一層1 mm厚的熱膨脹系數為3.5×10-6/K的電瓷材料絕緣層，電瓷材料的低熱膨脹性可以中和環氧樹脂的高熱膨脹性，將新型導電桿組件安裝到風場上的試驗電機上運轉兩年未出現損壞。

3 結論

本文針對3 MW大功率雙饋風力發電機導電桿組件的瞬態傳熱仿真研究，得出如下結論：

1）大功率雙饋風力發電機導電桿組件內部的溫度場分布較為均勻，各零件接觸面存在較大溫差，銅桿存在最高的溫度；

2）導電桿組件內部存在較大的溫差，尤其是銅桿凸圓臺與絕緣層結合處溫差約為148℃，此處產生的熱應力很容易損壞絕緣層；

3）在黃銅和環氧樹脂間增加一層電瓷材料絕緣套，可以有效解決導電桿組件的熱應力損害問題。

[1] Krefa M P, Wasynczuk o. A finite element based state model of solid rotor synchronous machines[J]. IEEE Trans. On Energy Conversion, 1987,EC-2(10：21-30.

[2] Armor A F. Transient three-dimensional finiteelement analysis of heat flow in turbinegeneratorotors[J]. IEEE-PAS, 1980, PAS-99(3): 934-946.

[3] 李德基, 鄧立平. 汽輪發電機間接冷卻轉子三維溫度場計算[J]. 大電機技術.1986, (3): 23-30.

[4] 李偉力, 項歡. 汽輪發電機徑切兩向空冷系統轉子溫度場的計算[J]. 大電機技術, 1988, (2): 15-18.

[5] 李偉力, 周封.大型水輪發電機轉子溫度場的有限元計算及相關因素的分析[J]. 中國電機工程學報, 2002, （22）：85-90.

[6] 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.

[7] 姚仲鵬, 王瑞軍. 傳熱學[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2003.

Analysis on Temperature Field of Megawatts Double Feedback Wind Generator's Wire

Chen Jijun, Pan Yuelin,Yin Zengfeng
（Ocean Wind power Technology and Detection State Key Laboratory, Xiang Tan 411101, Hunan, China）

Since the capacity of wind generator increase gradually, the loss of power and the temperature rise of wind generator become serious, and the temperature of its wire module rises to affect generator's life and operation. With the method of finite volume and the result of different heat transfer, we simulate and analyze the temperature field of transient heat transfer. The result shows that the maximum temperature change appears at edge of wire module and epoxy resin which is easily damaged by heat stress.

wind generator; wire module; transient heat transfer; temperature field

TM315

A

1003-4862（2015）06-0078-03

2015-04-29

潘躍林（1977-），男，工程師。主要從事大功率風力發電機研究與開發。