內(nèi)流場對小型永磁風力發(fā)電機換熱的影響研究

張建勛

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院 呼和浩特 010051)

內(nèi)流場對小型永磁風力發(fā)電機換熱的影響研究

張建勛

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院 呼和浩特 010051)

小型永磁風力發(fā)電機的內(nèi)部封閉空間，決定了其散熱主要是通過內(nèi)、外流場的強制對流換熱。而大部分學者只著眼于外流場對換熱的影響，而忽略內(nèi)部的散熱情況。本研究針對內(nèi)流場對發(fā)電機換熱的影響，基于計算流體力學，運用時步有限體積元法，通過流熱雙向耦合方式，模擬計算出內(nèi)部流固接觸面上對流換熱系數(shù)及溫升分布情況，分析內(nèi)部流場對散熱的影響。

永磁發(fā)電機 對流換熱 流熱耦合 內(nèi)流場

引言

隨著能源危機的逐步加劇，風力發(fā)電行業(yè)由于其具有無污染、分布廣等優(yōu)點越來越受研究者青睞[1-3]。而小型永磁風力發(fā)電機的散熱難、易退磁等難點阻攔著科研前進的步伐，也以影響著實際發(fā)電產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率[4-6]。

今年來有部分學者針對流場對永磁風力發(fā)電機的散熱影響進行研究，并取得顯著的成果，為發(fā)電機的優(yōu)化設(shè)計及風電機組效率的提高都起到積極的指導(dǎo)作用[7-8]。但皆著眼于外流場的特性，而忽略了內(nèi)流場的作用。

本文以TL-600W發(fā)電機作為樣機，建立有限元模型，運用ANSYS WORKBENCH軟件進行流熱耦合計算，并對結(jié)果云圖進行分析后處理。

一、模型及條件

本文以樣機結(jié)構(gòu)作為參考基礎(chǔ)，建立貼合實際的有限元模型。樣機參數(shù)如表1。

表1 發(fā)電機技術(shù)參數(shù)

以實驗所測風電機組來流與轉(zhuǎn)速關(guān)系作為初始條件，通過采集所得電流數(shù)據(jù)推測焦耳熱作為銅線圈的內(nèi)熱源，進行流熱耦合計算。

1.數(shù)學模型

永磁風力發(fā)電機傳熱的三維穩(wěn)態(tài)方程可表示為

式中：T為固體待求溫度(K)；λx、λy、λz分別為求解域內(nèi)各種材料沿不同方向的傳熱系數(shù)(W/(m*k))；qv為電機內(nèi)各損耗產(chǎn)生的等效內(nèi)熱源；h為流固接觸面上的強制對流換熱系數(shù)為散熱面周圍流體溫度(K)。

流體流動矢量方程如下：

2.基本假設(shè)

(1)把流體具有不可壓縮性；

(2)流場入流條件為常量；

(3)沒有接觸熱阻。

3.物理模型

求解域模型如圖1所示。

圖1 求解域物理模型圖

4.邊界條件

求解域內(nèi)具體邊界條件如下：

(1)流域出口設(shè)置固定靜壓邊界條件；

(2)流域入口設(shè)置固定流速邊界條件；

(3)銅線圈設(shè)置為內(nèi)熱源；

(4)所有流固接觸面皆為耦合邊界。

二、有限元計算結(jié)果

通過有限元分析，得到內(nèi)流場流速矢量、壁面對流換熱情況及溫升分布，如圖2所示。

內(nèi)流場分布

(2)對流換熱系數(shù)分布

圖2 有限元計算結(jié)果

(3)徑向溫升剖面

結(jié)語

經(jīng)分析有限元結(jié)果可得出以下結(jié)論：

發(fā)電機端部對于換熱影響較小，可忽略；

內(nèi)部流固接觸面的對流換熱主要依賴于定、轉(zhuǎn)子間氣隙及轉(zhuǎn)子散熱孔；

內(nèi)部溫升主要來源于線圈繞組，故最大溫升區(qū)域為定子處；

轉(zhuǎn)子永磁鐵處溫升也很高，應(yīng)依據(jù)散熱情況進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以強化散熱。

[1]丁樹業(yè)，郭保成，等.永磁風力發(fā)電機通風結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析[J].中國電機工程學報,2013,33(9)：122-128.

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