雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場與環(huán)境溫度相關(guān)性研究

馬鐵強(qiáng)，閆 闖，林耀坤，孫傳宗，單光坤，陳 濤

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能及可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和安全。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的提高，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的熱載荷隨之上升。熱載荷的積累將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的各個(gè)部件的溫度升高，對發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行造成影響并降低發(fā)電效率。溫度過高還會(huì)損壞繞組絕緣層引起股間短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀定子及發(fā)電機(jī)[1]。

目前很多學(xué)者對發(fā)電機(jī)的發(fā)熱情況及溫度場進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)[2]建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)二維有限元分析模型，分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電磁場分布狀況及匝間短路時(shí)的溫度場。文獻(xiàn)[3]對轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻介質(zhì)和固體部件的溫度場進(jìn)行數(shù)值求解，研究了汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度分布情況。文獻(xiàn)[4]依據(jù)傳熱理論對300 MW量級(jí)蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機(jī)的定子溫度場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得出了溫度分布規(guī)律。

這些研究通常只是針對發(fā)電機(jī)的定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組等主要發(fā)熱元件展開，亦或是對冷卻介質(zhì)或絕緣材料的熱性能進(jìn)行分析。這些研究忽略了散熱系統(tǒng)的整體性和連續(xù)性，及散熱環(huán)境在散熱過程中起到的重要作用。所以系統(tǒng)的對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部發(fā)熱情況及其與散熱環(huán)境的相關(guān)性研究是十分必要的。

本文以一臺(tái)典型大功率風(fēng)冷式雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為研究對象，依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)及傳熱學(xué)理論，對發(fā)電機(jī)內(nèi)部流場及主要發(fā)熱元件溫度場進(jìn)行研究。利用研究得出的發(fā)電機(jī)仿真基本假設(shè)及邊界條件，采用有限元方法對發(fā)電機(jī)的流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值仿真。得出了發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)下的冷卻空氣流動(dòng)狀態(tài)以及各重要部件的溫度分布，并確定出溫度場的最高溫度值及位置。最后通過對機(jī)艙環(huán)境溫度與電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱元件溫度相關(guān)性的研究，得出了兩者對應(yīng)的線性函數(shù)關(guān)系。工程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明了該方法的正確性，對發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)熱原理及冷卻結(jié)構(gòu)

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)熱原理

發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量主要原因有：當(dāng)三相交流電流經(jīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子時(shí)，會(huì)在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之中產(chǎn)生相應(yīng)的銅損和鐵損，此外由于氣體流經(jīng)發(fā)電機(jī)氣隙時(shí)也會(huì)產(chǎn)生摩擦損耗，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦損耗。這些損耗將使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生熱量[5]。

1.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)

圖1 發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)

該雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用單循環(huán)風(fēng)路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、滑環(huán)和機(jī)座等部件組成。為了增強(qiáng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的散熱性能，發(fā)電機(jī)內(nèi)部裝有離心式風(fēng)扇，并在定子的疊片結(jié)構(gòu)上設(shè)置了徑向通風(fēng)道。冷卻氣流流經(jīng)定子及轉(zhuǎn)子端部，一部分進(jìn)入氣隙，另一部分進(jìn)入轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)道。在此過程中冷卻氣流將通過轉(zhuǎn)子軸向及徑向的通風(fēng)道，另一部分氣體進(jìn)入定子的徑向通風(fēng)道，通過定子的背部通風(fēng)道排出。

2 發(fā)電機(jī)內(nèi)部流體仿真分析

發(fā)電機(jī)內(nèi)多物理場彼此相互影響和約束，存在耦合關(guān)系。發(fā)電機(jī)內(nèi)各發(fā)熱元件溫度場除了受到材料特性和結(jié)構(gòu)影響外，還與所處冷卻環(huán)境有關(guān)。若要準(zhǔn)確研究發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度場，則要考慮流場對溫度場的影響。同時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱元件多且結(jié)構(gòu)及發(fā)熱狀態(tài)各異，當(dāng)冷卻氣體流經(jīng)不同位置時(shí)其溫度、流速及壓強(qiáng)等冷卻參數(shù)有很大差異，因此分析發(fā)電機(jī)內(nèi)的流場及冷卻氣體的流動(dòng)特性是十分必要的。

2.1 建立發(fā)電機(jī)仿真模型

首先建立定子和轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型，簡化處理方法如下：

(1)將定轉(zhuǎn)子繞組鐵芯由多層銅線疊加簡化為整體的單一均質(zhì)銅材，并將絕緣層包裹在外側(cè)。

(2)建模時(shí)只考慮牙槽內(nèi)的繞組，忽略裸露在牙槽之外的繞組。

(3)仿真中將軸流風(fēng)扇等效處理成邊界條件。

圖2 發(fā)電機(jī)模型

依據(jù)建立的定子和轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型，再依據(jù)現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)模型建立用于流場仿真的流體模型。在建立流體模型的過程中，去除對發(fā)電機(jī)流場無重大影響的軸承、滑環(huán)及機(jī)座等零部件。

圖3 發(fā)電機(jī)內(nèi)流體模型

2.2 仿真分析假設(shè)

(1)空氣出口采用壓力出口邊界條件，均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，參照工程數(shù)據(jù)在仿真中設(shè)為3.18 m/s。

(2)流體與固體相接觸的邊界均視為無滑移邊界。

(3)發(fā)電機(jī)內(nèi)流體的流速遠(yuǎn)小于聲速，故將冷卻氣體視為不可壓縮流體。

(4)假設(shè)模型為完全湍流，分子的粘性可以忽略，故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

2.3 發(fā)電機(jī)流場分析

圖4 流場溫度分布及速度矢量仿真結(jié)果圖

仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)道的風(fēng)速較高，發(fā)電機(jī)氣隙和定子及轉(zhuǎn)子鐵芯的徑向通風(fēng)道風(fēng)速較低。原因是發(fā)電機(jī)氣隙和鐵芯徑向通風(fēng)道入口處的過流面積微小，造成氣隙和定轉(zhuǎn)子鐵芯徑向通風(fēng)溝入口處的風(fēng)阻較大。在冷卻過程中，冷卻空氣從入口處進(jìn)入，并在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用下提高了壓力和速度，冷卻空氣在流動(dòng)過程中又將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，隨著空氣壓力的提高，靜壓能又逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)冷卻空氣在發(fā)電機(jī)的氣隙及定轉(zhuǎn)子鐵芯徑向通風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)，完成對發(fā)電機(jī)的冷卻。

3 發(fā)電機(jī)溫度場分析

本文主要討論發(fā)電機(jī)發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡時(shí)的溫度場，對此時(shí)的雙饋發(fā)電機(jī)溫度場進(jìn)行仿真分析。由于發(fā)電機(jī)發(fā)熱部件眾多，所以在對其分析時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

3.1 仿真分析假設(shè)

為了合理簡化求解，溫度場仿真分析的基本假設(shè)及邊界條件如下：

(1)發(fā)電機(jī)中絕大多數(shù)熱量由轉(zhuǎn)子鐵芯、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組及定子繞組產(chǎn)生，所以不考慮軸承損耗對發(fā)電機(jī)溫度場的影響。

(2)對繞組的分析只考慮在齒槽內(nèi)繞組所產(chǎn)生的熱量，忽略超出齒槽外繞組所產(chǎn)生的熱量。

(3)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)最高溫度溫度在125℃以內(nèi)，忽略熱輻射所產(chǎn)生的影響，熱量傳遞過程主要是通過熱傳導(dǎo)和熱對流。

(4)流體除出口及入口邊界條件外，其余與固體的接觸面均視為無滑移邊界。

3.2 確定雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場仿真分析的邊界條件

3.2.1 發(fā)電機(jī)氣隙表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

發(fā)電機(jī)氣隙內(nèi)的空氣同時(shí)受到定子內(nèi)表面的阻礙和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的擾動(dòng)影響，空氣的切向速度呈雙曲線型?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出氣隙表面的傳熱系數(shù)為

(1)

式中，αδ為氣隙表面的傳熱系數(shù)；vδ為氣隙內(nèi)的平均風(fēng)速vδ≈ω/2，其中ω是轉(zhuǎn)子圓周速度。

3.2.2定子繞組端部表面導(dǎo)熱系數(shù)

定子繞組端部既與槽部發(fā)生熱交換，還通過端部周圍的空氣散熱，導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算為

(2)

式中，u2為圓周速度。

3.2.3 發(fā)電機(jī)銅損及鐵損的計(jì)算

雙饋發(fā)電機(jī)溫度場仿真計(jì)算，主要考慮繞組、定子及轉(zhuǎn)子的銅損耗及鐵損耗。

銅損耗計(jì)算方法依據(jù)“焦耳-楞次”定律，由于繞組數(shù)量多，其公式為

(3)

式中，I為相繞組的有效電流；R為相繞組電阻。

鐵損耗的計(jì)算公式為

PFe=KαpFeGFe

(4)

式中，Kα為發(fā)電機(jī)中的磁密分布不均，電機(jī)損耗增加的系數(shù)；pFe為單位質(zhì)量產(chǎn)生的鐵損值；GFe為鐵芯含鐵量凈值。

發(fā)電機(jī)繞組的生熱率指發(fā)電機(jī)單位體積在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，由銅損耗和鐵損耗兩部分組成，可表示為

Wq=pCu+pFe

(5)

則發(fā)電機(jī)繞組的生熱率可表示為

Qd=Wq/V

(6)

式中，Wq為發(fā)電機(jī)熱損耗；V為繞組體積；Qd為繞組生熱率。

3.3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場分析

依據(jù)上述方法，以某型號(hào)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，可得到發(fā)電機(jī)在環(huán)境溫度及冷卻氣體溫度為37℃時(shí)內(nèi)部各發(fā)熱部件的溫度場分布云圖。圖5為電機(jī)整體的溫度場分布云圖，圖6為電機(jī)定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組的溫度場分布云圖。

圖5 發(fā)電機(jī)溫度場云圖

圖6 定子、轉(zhuǎn)子、定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組溫度場云圖

由于發(fā)電機(jī)中鐵芯與繞組溫度分布不均，在繞組與鐵芯牙槽接觸處繞組和鐵芯的溫度十分接近，這些位置點(diǎn)在分析時(shí)具有特殊性，取平均溫度進(jìn)行分析。仿真數(shù)據(jù)表明，與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)其他結(jié)構(gòu)相比，定子繞組和定子鐵芯的溫度較高，其平均值分別為69.918 5 ℃和67.858 8 ℃。轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子鐵芯的溫度相對較低，平均溫度值分別58.039 79 ℃和56.247 9 ℃。定子鐵芯平均溫度仿真結(jié)果與工程監(jiān)測數(shù)據(jù)相比低3.6%，原因是發(fā)電機(jī)內(nèi)部絕緣層老化導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部繞組熱阻增加，散熱性能下降導(dǎo)致。仿真溫度與實(shí)際監(jiān)測溫度誤差較小，說明仿真方法正確有效。

此外定子鐵芯牙槽和轉(zhuǎn)子鐵芯牙槽處溫度相對較高，原因是由于此處存在間隙且為了更好的絕緣和固定繞組，在繞組和牙槽之間存在間隙和絕緣材料，使得導(dǎo)熱系數(shù)較低，降低了散熱效果。圖6b中定轉(zhuǎn)子鐵芯遠(yuǎn)離進(jìn)氣口位置溫度較高，原因是冷卻空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵芯徑向通風(fēng)溝后，在離心力作用下流入氣隙，故離冷卻空氣進(jìn)風(fēng)口位置越遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝內(nèi)部空氣的流動(dòng)量越少，此外隨著冷卻氣體流經(jīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部，冷卻氣體溫度也隨之上升，導(dǎo)致冷卻氣體的冷卻能力變差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子鐵芯原理進(jìn)氣口處的位置溫度較高。同理，從氣隙流入定子徑向通風(fēng)溝的冷卻空氣亦受冷卻空氣進(jìn)風(fēng)口位置距離的影響，也會(huì)導(dǎo)致鐵芯遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口處位置溫度較高。

圖7 電機(jī)內(nèi)整體溫度場分布

4 發(fā)電機(jī)溫度場與機(jī)艙環(huán)境溫度相關(guān)性分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)也進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。但此時(shí)機(jī)艙受到發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變頻柜及外源溫度載荷的積聚作用影響，機(jī)艙內(nèi)部溫度相應(yīng)升高，環(huán)境溫度逐漸成為發(fā)電機(jī)散熱的關(guān)鍵影響因素。發(fā)電機(jī)在正常工況下發(fā)電機(jī)的發(fā)熱量及冷卻情況，上文已經(jīng)充分研究。此處以機(jī)艙內(nèi)部環(huán)境溫度變化為主要研究對象，分析發(fā)電機(jī)的溫度場變化情況。

4.1 仿真分析假設(shè)及邊界條件

為了合理簡化求解，本文給出基本假設(shè)與邊界條件：

(1)根據(jù)機(jī)組所處地理位置及機(jī)組內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，將研究溫度范圍定在27℃至47℃之間，其對發(fā)電機(jī)內(nèi)部繞組溫度影響范圍低于發(fā)電機(jī)繞組設(shè)計(jì)極限溫度及環(huán)境要求溫度；

(2)由于溫度變化范圍有限，且電機(jī)內(nèi)部繞組及鐵芯生熱率主要與其運(yùn)行狀態(tài)及工況參數(shù)有關(guān)，而受溫度變化影響較小，所以忽略電機(jī)內(nèi)部繞組及鐵芯的發(fā)熱率受溫度變化的影響；

(3)機(jī)艙環(huán)境溫度的變化，主要影響冷卻氣體溫度及發(fā)電機(jī)流場邊界溫度；

(4)研究發(fā)電機(jī)溫度變化時(shí)，在電機(jī)各主要發(fā)熱元件上選取能夠代表整體溫度變化的等距監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行研究。

(5)發(fā)電機(jī)其余邊界條件與算例中的狀態(tài)相同。

4.2 仿真結(jié)果及對比分析

通過仿真分析得到27℃及47℃兩個(gè)極限溫度下發(fā)電機(jī)各部位溫度分布情況，得出發(fā)電機(jī)內(nèi)部各發(fā)熱部件的溫度場分布及前后對比。

圖8 環(huán)境溫度為27℃時(shí)發(fā)電機(jī)各監(jiān)測點(diǎn)溫度

圖9 環(huán)境溫度為47℃時(shí)發(fā)電機(jī)各監(jiān)測點(diǎn)溫度

此處研究溫度最高的定子繞組，當(dāng)環(huán)境溫度及冷卻氣體溫度為27℃時(shí)最高溫度和平均溫度均為最高，分別為68.583℃和65.623℃，最大溫升和平均溫升也是最高。當(dāng)環(huán)境溫度及冷卻氣體溫度為47℃時(shí)其溫度場仿真結(jié)果最高溫度和平均溫度分別為77.661℃和74.892℃。為了更加細(xì)致地分析發(fā)熱元件溫度與機(jī)艙環(huán)境溫度的關(guān)系，列出5種不同環(huán)境溫度進(jìn)行對比分析，此處取溫度最高的定子繞組仿真分析結(jié)果為例，如圖10所示。

圖10 環(huán)境溫度不同時(shí)定子監(jiān)測點(diǎn)溫度對比

由圖10可知，在不同環(huán)境溫度情況下定子繞組空間溫度分布趨勢基本一致，在溫度上呈上升趨勢，將10種環(huán)境溫度下，定子、定子繞組、轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子繞組的溫度最高值進(jìn)行分析，得到圖11所示發(fā)熱元件溫度值擬合圖。

圖11 不同環(huán)境溫度下各發(fā)熱元件的溫度值擬合圖

依據(jù)分析可知，最終可得到四條擬合出來的線性函數(shù)直線，圖11中(a)～(d)分別為定子繞組、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組及轉(zhuǎn)子鐵芯的溫度最高值在不同機(jī)艙環(huán)境溫度條件的溫度值擬合函數(shù)。分析其線性函數(shù)關(guān)系可知，環(huán)境溫度每增加1℃時(shí)，發(fā)電機(jī)各發(fā)熱元件最高點(diǎn)溫度值大約分別增加0.501 05 ℃、0.522 82 ℃、0.472 58 ℃及0.498 21 ℃，由分析數(shù)據(jù)可知機(jī)艙散熱環(huán)境溫度對電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱元件溫升有顯著影響，且對定子的影響更加顯著，其原因主要是由于定子的散熱，一方面依靠冷卻空氣進(jìn)行冷卻，另一方面將自身產(chǎn)生的熱載荷傳導(dǎo)至電機(jī)外殼進(jìn)行冷卻。機(jī)艙環(huán)境溫度的升高，降低了冷卻空氣的冷卻能力，同時(shí)也使得電機(jī)表面溫度上升，阻礙了定子內(nèi)熱載荷向電機(jī)外殼的傳導(dǎo)。

5 結(jié)束語

本文研究了某大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部流場、溫度場及其與環(huán)境溫度關(guān)系，并通過實(shí)例仿真分析結(jié)果得到結(jié)論。

(1) 通過計(jì)算分析發(fā)電機(jī)內(nèi)部的流場，得到了發(fā)電機(jī)內(nèi)部流場的速度及壓力分布，求得了溫度場仿真所需速度參數(shù)。

(2) 由發(fā)電機(jī)內(nèi)部的溫度場仿真計(jì)算分析結(jié)果，得到了溫度場內(nèi)部各個(gè)關(guān)鍵元器件的溫度場分布，通過仿真分析解決了電機(jī)內(nèi)部溫度場難以監(jiān)測的難題。

(3) 通過分析發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度與機(jī)艙散熱環(huán)境溫度的變化關(guān)系，根據(jù)計(jì)算仿真結(jié)果得出了溫度變化規(guī)律。并可以通過其對電機(jī)溫升進(jìn)行分析和預(yù)測，進(jìn)而有效的通過環(huán)境溫度變化對發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度場進(jìn)行預(yù)測。