水冷冷卻器散熱風扇角度優化的研究

國華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風電有限公司 黃 凱

隨著新能源技術的突破發展，風力發電機組額定功率越來越大[1]，風電已經進入后市場時代，早期變流器設計時沒有充分考慮到國內的運行環境，加熱、除濕、防塵，散熱設計存在缺陷，變頻器發熱量越發增大。除此之外，外企對我國地方電網高諧波沒有充分考量，對于我國國情的適應能力、適應強度均不夠,難以妥善適合風力發電場運行環境。

近來隨著國內風電技術的穩步進步，國產化替代趨勢興起推動了風電行業技術研發，通過賀德克水冷系統外散熱器扇葉國產化替代，減少機組因散熱系統故障而導致的停機事件發生，提高機組的發電能力，降低設備總體維護成本，提高機組可用率，保證機組安全可靠運行。眾所周知變流器功率模塊受到的負載越來越大，從而產生的熱量也越來越多，高溫直接影響風電機組中電子元器件的使用年限，大大降低元器件使用壽命，特別是變流器中IGBT模塊。

根據客戶反映，每年夏季高溫季節全功率變流器頻報“變流器網側逆變器溫度高故障”，經研究發現，水冷系統的外散熱器冷卻效率低、系統管路堵塞、溫控閥失效、柜體環控系統失效都會導致變流器功率模塊高溫告警，直接影響風力發電機組出力，影響風電場發電效益，同時給現場運維人員帶來極大困擾。所以大功率風電機組變流器的散熱冷卻問題是迫切需要解決的。該系列風扇的應用非常廣泛，可靠性和耐久性是兩個最重要的參數，用于礦用卡車之類的工程機械冷卻總成。

關于導致風力發電機組變流器過溫問題的原因，我們針對性的進行了系統性研究，對其的外散熱器效率低問題進行剖析，發現原水冷系統外散熱器扇葉存在設計缺陷。冷卻風扇在運行過程中扇葉高速旋轉，空氣高速從扇葉間隙中流過，扇葉兩側形成壓力差，可將冷卻器中的熱量帶出，實現散熱功能。目前市場上扇熱風扇主要分為兩種形式，一種為軸流式風扇，另一種為徑流式散熱風扇，即氣體運動方向沿軸向的是軸流式，延徑向運動的為徑流式。還有一種不常見的形式，異性風扇旋轉過程中氣體運動方向同時存在于軸流式和徑流式之間，我們稱之為斜流式風扇，主要應用在鐵路、礦山行業中。

目前市場上運行風力發電機組水冷變流器冷卻系統工作原理如下[2]：在高壓循環泵的作用下恒定壓力和流速的冷卻水源源不斷流經發熱的變流器模塊帶走熱量，溫升冷卻水由高壓循環泵的進口經冷卻器與冷空氣進行熱交換[3]，散熱后冷卻水再循環進入發熱的變流器模塊。冷卻器在水冷散熱系統中作用尤為重要，其散熱效率低下嚴重影響變流器散熱，直接導致風力發電機組變流器出現過溫故障停機，并且加速變流器內部電氣結構件老化進程。

早期引入到國內的散熱風扇設計廠家忽略冷卻器堵塞問題，還是采用進口原圖的波紋設計。國外的散熱風扇廠商在設計風扇時是以建立理想的阻力水平，控制空氣的流速為設計條件，這樣的設計形式是有利于空氣在波紋葉片上充分流動的。國外設計的波紋扇葉往往都有破壞邊界層流的設計，這也是為了增加冷卻器的換熱能力而做的專門設計。同時，國外的設計條件會要求冷卻器比較清潔，如果顆粒度偏高會影響氣體流動，從而扇熱性能降低。

1 影響外置冷卻器散熱效率的研究

影響外置冷卻器散熱效率的主要原因包括風扇角度、電機功率、散熱片堵塞程度等[2]。其中電機根據機組配置已確定，更換成本較大；同時運維人員在正常維護過程中會定期清洗散熱片，影響程度不大；風扇在設計初期無預留角度無法調節，所以通過更換新制風扇、優化旋轉角度、增加通風量從而提升冷卻器散熱效率。如果完全更換冷卻器總成，成本巨大。另外扇葉參數對性能的影響主要有一下幾個方面：

葉片曲率：在一定范圍內，葉片曲率越大，相同轉速下氣體動能也就越大，即風量與風壓越大；同時，葉片所受的阻力也越大，要求電機的扭力更大；葉片傾角：傾角越大，葉片上下表面間壓力差越大，相同轉速下風壓越大。但上表面壓力過大，可能產生回流現象，反而降低風扇性能，因此葉片傾角也應在一定限度內提升；葉片間距：葉片間的距離過小，會導致氣流擾動，增加葉片表面的摩擦，降低風扇效率。葉片間的距離過大，則會導致壓力損失增大，風壓不足。

葉片數目：各種規格風扇葉片的截面曲線、傾角等基本相若，每片葉片寬度往往取決于扇葉的高度。為了保證葉片間距不致過大、影響風壓，徑高比較?。聪鄬^薄）的風扇多采用增加葉片數目的方法彌補；葉片弧度：扇葉除了在截面上具有一定曲率外，在俯視平面內也并非沿著徑向筆直延伸，而是向著旋轉方向略有彎曲，呈一定弧度。如果葉片沿徑向筆直延伸，風扇旋轉所帶動的氣流在出風口一側將呈散射狀，送風距離短，且“力量”不集中。如現行產品版略帶弧度，則可保證吹出氣流集中在出風口正前方的柱狀空間內，增加送風距離與風壓。

葉片光滑度：這是一項非設計因素影響的指標，基本上取決于生產者的模具成形與后期處理工藝。在設計曲線之外，葉片上的不平整會在旋轉中產生紊流，增加摩擦，降低風扇效率，折損風扇性能，增大工作噪音；葉端間隙：如何調整扇葉與外框之間所存在的間隙是風扇設計中的一大難題。間隙過小會令此間氣流與葉片、外框發生摩擦，增大噪音。增大間隙則會由于反激氣流等影響而降低風扇效率。

葉片阻力：外翅道在運行數年后被塵土和植物纖維污染物完全阻塞，阻塞后很難清洗。配套的風扇全壓低，在翅道發生阻塞后風量迅速減小，當冷卻器的迎面風速值低于3米時，冷卻功率不足。迎面風速低還導致空氣通流速度低，自清潔污染物的效果很差。內翅道阻力值高，結構緊密。受到空氣中顆粒物的阻塞影響，氣體的運動流量逐步減低。冷卻器熱源和冷源兩側的流量均不可逆的減少，冷卻器的運行功率已不能滿足齒輪箱油液冷卻需要。

抗污能力：風機冷卻器內各個接頭部位的漏液、冷卻液揮發和空氣中的顆粒物雜質等污染源均需要經冷卻器通過。長時間污染物的積存會阻塞外翅道通道截面，導致空氣通流量明顯減少，冷卻器工作功率下降后無法滿足設計功率，不能滿足風機多年運行后總發熱量增加后新的功率需求。在炎熱天氣時，外置冷卻器接受大量的太陽輻射熱量，冷卻器溫度升高，整體熱負荷增加很明顯。進入冷卻器的新風溫度升高，冷卻器進出兩側溫差減小，冷卻器的運行功率不達標。

2 技術方案

風扇結構。葉片采用玻纖增強聚酰胺材質，耐溫-40℃～110℃，耐腐蝕、重量輕，高原、海洋環境設備中正常使用壽命5年以上。將原風扇葉片角度由25°改為35°，增加通風量從而提升冷卻器散熱效率。原冷卻風扇扇葉容易形成局部渦流，所以在選配扇葉時應根據風冷卻器功率水平和特點選擇風扇型號，選型不精確直接導致風扇的性能不能完全發揮出來，通風量不足，散熱器的整體能力也就滿足不了系統散熱需求。在風扇功率滿足要求的情況下，增大扇葉角度更容易形成效應。常見的冷卻器外形大多為矩形，而風扇有效工作面出口是個圓形，原來設計中是為了均衡氣體流經面積，雖然風扇的吸風平面距離冷卻器的外面存在安全距離，但還是會在方形的風扇罩內形成渦流效應，影響散熱效率。

外部環境。在風機運行期間，散熱器也會吸入大量的輻射熱?？諝庵形廴疚镏饕腔覊m，植物纖維性的污染物較多。當冷卻功率不足時，迎面風速低還導致空氣通流速度低，自清潔污染物的效果很差。受到空氣中中顆粒物的阻塞影響，氣體的循環流量逐步減低。冷卻器熱源和冷源兩側的流量均不可逆的減少，冷卻器的運行功率已不能滿足水冷系統冷卻需要。當單位載荷值較低時，冷卻液氧化后比熱容減小，攜帶熱量的能力減弱，潤滑特性惡化，同樣載荷條件下氣體運動過程中沖擊增加。這也會導致冷卻液的攜帶熱量的能力減弱。如果冷散熱器生了污染和外翅道阻塞，阻力水平繼續升高，風量會繼續減小。風量減小會導致冷卻器的工作功率明顯降低。

圖1 風扇結構圖

風扇選型。其最重要的環節是根據冷卻器的運行阻力來選配風扇，配置的風扇不能只滿足冷卻器的需要，還要兼顧電動機的需要。波型的扇葉更容易引起旋轉區拐點的局部阻力渦流，所以在選配風扇時根據風扇罩和流程阻力水平和特點選擇風扇的形態及材料。在設計扇葉時需考慮更科學的流體結構，再匹配合理的電動機功率。關于風扇的有效旋轉尺寸和外觀質量須按照行業標準進行研制，更合理的運用簡化模具，保證扇葉材料固定在動模端，確保分型面處于扇葉的最大截面處，否則會增加研制成本，更會導致散熱效率降低。研發設計的扇葉應遵循運轉噪音低、風量大的原則。

失效性。在風扇設計中需要充分考慮產品失效性，常見可以分為早期失效、偶然失效、耗損失效。當前進行的設計是在偶然失效期，通過采取合理措施延長偶然失效期的時間，達到設備使用延壽的目的。如風扇一旦進入損耗失效期將無法阻止其快速老化報廢，所以只能在損耗失效期到來之前的偶然失效期采取提前預防措施。據統計當溫度增加10℃，風扇使用壽命將降低5倍。

在新型扇葉設計時應該適當的考慮電氣負載因素。扇葉是冷卻系統的輔助設備，也是執行組件，其設計方案和路徑要符合冷卻器運行的特點，不能本末倒置只追求扇葉的成本最優或者是局部數據優異，要綜合考慮冷卻器的需求和運行特征，更了解扇葉的特性才能設計出更適當的新型扇葉。避免引發多種電氣類的故障，無端增加設備負載引起散熱效率降低問題。

風扇安裝方式。材質采用壓鑄鋁合金，使用軸聯接方式時，需要將扇葉安置在軸肩上，然后通過端蓋和螺打將風扇圍定在電機軸上，也可采用沉頭螺釘在徑向上固定。通過鍵和鍵槽傳遞轉矩，帶動風扇轉動。

性能驗證。通過熱循環載荷、疲勞試驗、風洞實驗、性能驗證、仿真模擬測試、噪聲實驗等，實現風扇扇葉角度優化探究。軸流風扇扇葉的設計和安裝,應充分考慮其空氣動力性能，扇葉變形會影響其空氣動力性能,因而扇葉應具備足夠的剛度，綜合成本、周期及有效性,在風扇扇葉的開發階段,采用數值分析的方法是必要的。

圖2 疲勞試驗

圖3 熱循環載荷

3 結語

本文針對水冷冷卻器散熱問題進行研究，主要涉及冷卻器散熱風扇角度優化的研究。針對機組變流器所使用的水冷冷卻器散熱風扇進行的相關分析探索，通過對水冷冷卻器散熱風扇進行通風量特性的比對分析，在原散熱風扇的基礎上進行了扭偏角的優化和材質更換，并對冷卻器風量進行風洞實驗分析。

該系列風扇葉片扭偏角可在合理區間內調整，以滿足客戶的不同的應用要求。這種風扇的優點是平衡性能優異、組裝速度快，適合大量生產。通過熱傳導學的相關研究和探索，為研究水冷冷卻器散熱風扇角度優化的進一步研究提供有力依據。隨著新能源水冷散熱技術的日益成熟，水冷散熱技術也要進行設備的改進和散熱效率的提升。不斷優化風力發電機組變流器水冷散熱系統，為變流器提供有利溫度工況環境，從而降低功率器件失效炸機率，提升機組整體運行穩定性。