2MW空冷風(fēng)力發(fā)電機(jī)熱性能分析及改善

魏靜微　黃全全　譚勇　武會(huì)延

摘要：為了有效改善2MW空冷風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱性能，滿足實(shí)際工作需要，建立了該電機(jī)三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)模型，對(duì)電機(jī)內(nèi)的熱場(chǎng)進(jìn)行了分析和研究，明確了該電機(jī)傳熱特性及溫度分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該電機(jī)局部溫度過高；對(duì)涉及電機(jī)熱性能的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了完善，并對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下電機(jī)進(jìn)行了熱性能分析，通過實(shí)驗(yàn)證明改善后電機(jī)熱性能滿足電機(jī)運(yùn)行要求，此研究對(duì)大型電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)行提供了一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；三維溫度場(chǎng)；穩(wěn)態(tài)；有限元；空冷

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.015

中圖分類號(hào)：TM 301.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2016）06-0079-05

0.引言

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量的不斷上升，電磁負(fù)荷與損耗增大，電機(jī)溫升也越來越嚴(yán)重，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫升直接關(guān)系到機(jī)組的性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時(shí)還影響發(fā)電機(jī)的壽命和運(yùn)行的可靠性，如何對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)并合理的分配好電機(jī)內(nèi)的氣流，降低損耗使發(fā)熱部件得到良好的冷卻，越來越為設(shè)計(jì)者所關(guān)心，因此，對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱分析就尤其重要。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)中大型發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)的研究較多，但大多數(shù)研究都單獨(dú)針對(duì)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、冷卻介質(zhì)等的熱分析，忽略了發(fā)電機(jī)整體熱量傳遞的連續(xù)性.這主要是由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)存在氣隙、軸向和徑向通風(fēng)孔氣流作用，使得散熱系數(shù)和生熱率等很難確定，所以對(duì)大型空冷風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體三維溫度場(chǎng)的研究仍具有一定的實(shí)際意義和工程價(jià)值。

國(guó)內(nèi)某廠購(gòu)買國(guó)外2MW兩端通風(fēng)空冷風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以國(guó)內(nèi)工藝及材料制造出電機(jī)后，發(fā)現(xiàn)該電機(jī)發(fā)熱問題比較突出；又由于發(fā)電機(jī)常處于高空長(zhǎng)日照運(yùn)行環(huán)境，使得該電機(jī)不能很好的滿足客戶和運(yùn)行的要求，本文首先對(duì)其額定工況下熱性能進(jìn)行分析，采用有限元法，根據(jù)傳熱學(xué)理論，建立了定、轉(zhuǎn)子三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)有限元模型，結(jié)合工程實(shí)際給出相應(yīng)的基本假設(shè)和邊界條件，對(duì)額定功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)整體溫度進(jìn)行仿真，由此明確了該電機(jī)傳熱特性及溫度分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該電機(jī)局部溫度過高；其次對(duì)涉及電機(jī)熱性能的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了改善并對(duì)改善后電機(jī)進(jìn)行熱分析，結(jié)果能更好的滿足實(shí)際工況；進(jìn)行樣機(jī)試制后，對(duì)改善后樣機(jī)進(jìn)行了溫度實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果在合理誤差內(nèi)，本文研究對(duì)大型電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)行提供了一定的借鑒。

1.2求解域模型的建立

1.2.1基本假設(shè)

由于發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，為了能準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)的溫度分布，需要對(duì)定、轉(zhuǎn)子求解域做一些簡(jiǎn)化，根據(jù)某廠風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)特點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)其求解域做如下假設(shè)：

1）不考慮定、轉(zhuǎn)子銅條端部伸出部分、護(hù)環(huán)等處溫度影響，定、轉(zhuǎn)子鐵心各自齒、軛部熱源不做區(qū)分，且各熱源均勻發(fā)熱。

2）槽內(nèi)所有絕緣材料（槽楔、層問絕緣等）相同，分布均勻，且認(rèn)為電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心與槽絕緣緊密接觸。

3）不考慮氣隙軸向風(fēng)速，且人口冷風(fēng)風(fēng)速為34.8m/s。

1.2.2求解域的確定

建立了2MW樣機(jī)的三維溫度場(chǎng)模型，考慮到定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，風(fēng)路的周期性且轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔12個(gè)，建模時(shí)取定、轉(zhuǎn)子部分的1/12作為求解域，其中轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔左右各取一半，電機(jī)基本參數(shù)如表1，求解域如圖1。

2.電機(jī)內(nèi)熱源和散熱系數(shù)的確定

本文2MW樣機(jī)采用密閉空氣冷卻，電機(jī)兩端風(fēng)扇與轉(zhuǎn)軸相連，冷風(fēng)從軸向風(fēng)孔吹入電機(jī)，熱風(fēng)從定子徑向風(fēng)孔經(jīng)擋板吹向上端的冷卻器，冷卻后的氣體通過風(fēng)道流向轉(zhuǎn)軸風(fēng)扇處，現(xiàn)取求解域1/2平面圖作出其通風(fēng)路徑示意如圖2所示。

2.1熱源

電機(jī)損耗就是熱源，準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)各損耗是進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)，電機(jī)損耗主要包括繞組損耗、鐵耗、機(jī)械損耗、風(fēng)摩損耗和雜耗等.定子銅耗與其電流平方成正比；定子齒、軛部鐵耗與各自鐵心質(zhì)量相關(guān)，分別計(jì)算后統(tǒng)一加在定子鐵心上；轉(zhuǎn)子齒諧波及其磁場(chǎng)高次諧波在定子表面產(chǎn)生的損耗加在定子鐵上；機(jī)械損耗與電機(jī)直徑和極對(duì)數(shù)有關(guān)，計(jì)算后按一定比例分別施加到定轉(zhuǎn)子鐵上；風(fēng)摩損耗依據(jù)風(fēng)路結(jié)構(gòu)合理分配.轉(zhuǎn)子損耗的施加與定子類似.將計(jì)算出的損耗轉(zhuǎn)換為生熱率如表2所示。

2.2傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)直接關(guān)系到電機(jī)的散熱，由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)及軸向、徑向、氣隙空氣的流動(dòng)，使得溫度場(chǎng)與流體場(chǎng)耦合在一起，傳熱系數(shù)很難被確定，本文引用有效傳熱系數(shù)σ，用靜止流體的導(dǎo)熱系數(shù)來描述軸向、徑向、氣隙等通風(fēng)孔中流體的熱交換能力，首先依據(jù)總?cè)肟诹髁康扔诳偝隹诹髁吭瓌t，由入口風(fēng)速求出各軸向風(fēng)孔與徑向風(fēng)孔的風(fēng)速，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式馴求出各散熱面的傳熱系數(shù)并分別施加。

依據(jù)以上公式計(jì)算出相應(yīng)的傳熱系數(shù)，并分別施加到轉(zhuǎn)子軸孔，定轉(zhuǎn)子徑孔，定轉(zhuǎn)子氣隙面和端面等，對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算，得到電機(jī)溫度分布。

3.溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

3.1發(fā)電機(jī)額定工況下溫度場(chǎng)

在上文給出的模型、基本假設(shè)和邊界條件基礎(chǔ)上，計(jì)算發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)整體溫度分布，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3顯示在整體電機(jī)中，定子溫度比轉(zhuǎn)子溫度高，最高點(diǎn)溫度出現(xiàn)在定子銅條中部附近。轉(zhuǎn)子整體溫度也較高，呈現(xiàn)中間溫度高，兩端面及軸向風(fēng)孔處溫度較低，轉(zhuǎn)子最高溫度出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子銅條中部，由于上圖顯示定、轉(zhuǎn)子銅條區(qū)域發(fā)熱嚴(yán)重，為更好地分析電機(jī)發(fā)熱，現(xiàn)做出定子銅條溫度分布如圖4，轉(zhuǎn)子銅條溫度分布如圖5，定轉(zhuǎn)子絕緣層溫度分布如圖6所示。

圖4顯示定子銅條溫度分布，最高溫度在上層銅條中部為131.0℃，明顯高于下層銅條溫度，這是因?yàn)橄聦鱼~條位于槽底與定子鐵接觸，傳熱效果較好，而上層銅條有一面與空氣接觸，傳熱效果比下層傳熱差；定子銅條上下層均為兩端低中間高，說明電機(jī)端部有一定的散熱效果.圖5顯示轉(zhuǎn)子銅條溫度分布，轉(zhuǎn)子銅條上層溫度高于下層，最高溫度出現(xiàn)在上層銅條中部為124.9℃，溫度分布原理與定子類似.根據(jù)電機(jī)生熱率可知，轉(zhuǎn)子銅耗明顯要高，但其溫度卻并沒有定子高，說明軸向通風(fēng)孔有一定的散熱效果，圖6顯示定轉(zhuǎn)子絕緣層溫度分布，顯示定子絕緣層中部氣隙側(cè)溫度很高，仿真定子銅條平均溫度128.7℃，轉(zhuǎn)子銅條平均溫度113.0℃，工廠實(shí)測(cè)定子銅條平均溫度為121.4℃，轉(zhuǎn)子銅條平均溫度為125.2℃，此實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)子高于高于定子銅條，但與仿真分析有差別，分析是因?yàn)閷?shí)際風(fēng)孔散熱并沒有理想的好.定子銅條誤差為6.01%，轉(zhuǎn)子銅條誤差為9.74%，說明計(jì)算方法對(duì)電機(jī)熱分析合理。

該電機(jī)為H級(jí)絕緣，F(xiàn)級(jí)考核，盡管最高準(zhǔn)許溫度，但銅條局部溫度很高又因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在高空長(zhǎng)日照尤其夏天炎熱環(huán)境下，此風(fēng)力發(fā)電機(jī)就不能很好的滿足實(shí)際工作要求。

3.2完善后電機(jī)整體溫度場(chǎng)分析

根據(jù)該電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下傳熱特性及溫度分布規(guī)律，對(duì)涉及電機(jī)熱性能的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了完善，重新進(jìn)行了電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證電機(jī)性能指標(biāo)合格的前提下，主要對(duì)徑向各尺寸做了調(diào)整，其中定子內(nèi)外徑分別增加50mm、40mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑增加20mm，孔直徑增加6mm，且定轉(zhuǎn)子槽尺寸、繞組截面相應(yīng)增加等，變化前后如圖7所示。

改善后電機(jī)與原電機(jī)相比，機(jī)械損耗增加，但定子銅耗有所下降，轉(zhuǎn)子銅耗下降明顯，電機(jī)通風(fēng)量也有所增大使得散熱效果更好，對(duì)改善后電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下熱性能進(jìn)行分析，整體溫度分布如圖8示。

圖8顯示改善后電機(jī)整體溫度分布趨勢(shì)不變，仍然是定子區(qū)域溫度比轉(zhuǎn)子溫度高，最高點(diǎn)溫度出現(xiàn)在定子銅條中部附近，但電機(jī)最高溫度明顯降低到123.1℃.由于定轉(zhuǎn)子最高溫度在各自銅條處，為更好地比較電機(jī)改善前后定轉(zhuǎn)子銅條溫度分布變化，現(xiàn)做出改善前后定子銅條沿軸向溫度分布曲線如圖9，轉(zhuǎn)子銅條沿軸向溫度分布曲線如圖10進(jìn)行分析。

圖9為改善前后定子銅條溫度分布，改善后定子銅條溫度降低9.3°C，說明雖然電機(jī)尺寸變大機(jī)械耗增加，但定子銅耗降低且通風(fēng)量增加使定子散熱效果更好，使定子溫度降低；圖10為改善前后轉(zhuǎn)子銅條溫度分布，改善后轉(zhuǎn)子銅條溫度降低14.6°C，因?yàn)殡姍C(jī)改善后轉(zhuǎn)子銅耗明顯減少且軸向通風(fēng)孔尺寸和風(fēng)量均增大，散熱效果增強(qiáng)，所以轉(zhuǎn)子銅條溫度比定子降低更多，圖9、圖10能清晰反映電機(jī)改造前后溫度變化，某廠對(duì)改善后電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子銅條溫度進(jìn)行了多點(diǎn)測(cè)量，表3給出了計(jì)算值與實(shí)測(cè)平均溫度對(duì)比。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，改善電機(jī)定子銅條實(shí)測(cè)平均溫度107.5℃，轉(zhuǎn)子銅條實(shí)測(cè)平均溫度為102.8°C，與計(jì)算結(jié)果比較相比，定子銅條誤差為11.07%，轉(zhuǎn)子銅條誤差為4.47%，誤差在合理范圍內(nèi)且裕量充足，更能滿足實(shí)際工況要求，說明此電機(jī)改善比較合理。

4.結(jié)論

本文對(duì)2MW空冷風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行下熱性能進(jìn)行分析并對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)改善后的溫度場(chǎng)進(jìn)行了論證，通過本文研究，可得出如下結(jié)論：

1）原電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)整體溫度呈現(xiàn)中間高，兩邊低，且定子上層銅條中心發(fā)熱十分明顯，電機(jī)不能很好地滿足實(shí)際工況的需要。

2）對(duì)原樣機(jī)徑向尺寸及軸向風(fēng)孔改善，且增大通風(fēng)量，電機(jī)整體溫度下降明顯，其中定子銅條溫度降低9.3°C，轉(zhuǎn)子銅條溫度降低14.6°C.

3）對(duì)改善后電機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果比較，誤差在合理范圍內(nèi)且溫度滿足絕緣要求，說明電機(jī)改善方法合理，本文研究對(duì)大型電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)行提供了一定的借鑒。