變壓器內置的風電機組機艙通風系統設計

湯騰蛟 袁瑩 臧曉笛 董紅云 龐家猛

傳統雙饋風力發電機組機艙內需要通風冷卻的主要部件為齒輪箱與發電機，兩者一般均采用空冷方式。為保證吸入清潔空氣，發電機和齒輪箱冷卻器風扇均從機艙內吸進冷空氣，換熱后的熱空氣通過風道排出機艙。由于機艙側面進風的方案不可行（在早期2MW機組上驗證的結果為：因為艙內為負壓環境，存在進雨水的缺陷），因此，機艙整體沿用底部自然進風的設計方案。在機艙排風的設計中，國內外絕大多數主流整機廠家，采用尾部機械排風（軸流風扇）的形式，在機艙內部形成貫穿前后的氣流，將機艙內熱源的表面散熱量排出機艙。

隨著風力發電機組整機功率的不斷提升，設備的發熱功率和所需的通風風量也不斷增加。此外，為了節省塔筒內的低壓電纜、箱變至風電機組的地埋電纜，降低風電場的綜合系統成本，某大功率風電機組采用了箱變內置（將升壓變壓器及變流器上移至機艙）的設計方案。該方案造成了冷負荷的增加，因而對風電機組機艙通風系統設計提出了更高的要求。若機艙通風設計不合理，一方面會導致機艙溫升過高引起設備的機械強度和電氣性能下降、電纜等超過工作溫度限值甚至造成設備損毀；另一方面則會因為進風風速過大而引起沙塵大量進入機艙。

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

模型建立

本文以某3MW機組為例，該機組機艙采用自然進風、機械排風，兩個進風口位于機艙底部，兩個排風風扇位于機艙尾部。齒輪箱冷卻器風扇從機艙內部吸風，熱空氣通過風道由機艙頂部排出；發電機兩個冷卻器風扇從機艙內部吸風，熱空氣通過風道由機艙右側面排出；上移到機艙的變流器從機艙內部吸風，熱空氣通過風道由機艙左側面排出；上移到機艙的變壓器放置于機艙尾部，通過一塊厚度1.5mm的隔板與機艙內其他部件隔開（隔板底邊與機艙底部留出約1m距離用于空氣流通），在機艙底部（變壓器正下方）額外設置了一個機艙尾部進風口。機艙內主軸、后機架等不發熱部件會對流場和傳熱帶來影響，也需要考慮。

一、模型簡化及網格劃分

式中，Q為機艙總余熱功率；tp為機艙排風溫度，按機艙最高允許溫度50℃計算；tj為機艙進風溫度，即艙外環境溫度，按最高工作環境溫度40℃計算；c為空氣比熱容，其值為1.01kJ/（kg·℃）。

因為水平運動的沙塵（半徑0.25mm）被揚起吸入所需的風速至少為4m/s，因此自然進風風速需控制在4m/s左右。根據換氣量和進風風速可得到機艙各進風口所需的總面積。按過往機型設計經驗將兩個機艙中部進風口布置在發電機和變流器進風口的正下方，一個尾部進風口布置在變壓器進風口的正下方，盡量保證各部件的冷卻風扇順暢進風。

在仿真模型中，對齒輪箱、發電機、變壓器和變流器這些結構做了簡化處理，并在ICEPAK中按實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，在模型中按實際通風率在變壓器處建立了添加阻力系數的濾網。為了減小計算量，對主軸、齒輪箱、發電機及變流器建立中空BLOCK，但是對需要重點觀測的變壓器建立實體BLOCK，并且對厚度相同的后機架通過抽中面建立板實體—— 與機艙隔板一樣，將其設置為等效厚度的傳導薄殼模型；對相近位置的多個風扇（兩個齒輪箱冷卻器風扇和兩個機艙排風風扇）也做了等效合并。

發電機、變流器、主軸為CAD導入模型（并非ICEPAK自建模型），模型使用Mesher-HD六面體占優網格，由于模型中有曲面及狹縫，因此，需要采用多級網格劃分，并選擇Proximity及Curvature功能，以保證網格對模型的貼體，并通過Per-object網格對變壓器進行邊界層加密，同時對部分網格薄弱的風扇位置也進行了局部細化。

二、邊界條件施加

（1）材料選擇

對齒輪箱、發電機、主軸、后機架、機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。

對機艙罩材料選擇接近玻璃鋼的復合材料。

（2）熱條件

發電機、齒輪箱、變流器在設計前期都要求供應商提供通過試驗獲得的運行時部件表面對流（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，通過試驗獲得的運行時冷卻器的風量、進出風溫度可以計算出運行時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，對發電機、齒輪箱、變流器等中空BLOCK設置表面熱屬性為固定發熱量；對實體BLOCK的變壓器，設置供應商提供的體固定發熱量，并設置外部對流換熱系數；對WALL結構的機艙罩，設置等效厚度及外部對流換熱系數。

（3）風扇條件

因為機艙內各風扇實際工作點受風扇本身和系統阻力共同影響，因此對機艙罩上的齒輪箱冷卻器風扇和機艙排氣扇、中空BLOCK上的發電機風扇、變流器風扇均采用Exhaust軸流風扇，表示從計算域向外抽風，并輸入各風電機組的風壓-風量P-Q曲線。對變壓器進風風扇這種內部風扇采用Internal軸流風扇，并輸入P-Q曲線。

（4）計算整體條件

湍流模型可以使用默認的零方程模型，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。環境溫度按該風電機組的設計要求設置為40℃。在求解設置中將壓力的離散格式修改為體力加權，同時采用雙精度計算。